裘駿軍，洪田芬

（浙江東南建筑設(shè)計(jì)有限公司，浙江杭州310012）

2015年，中國(guó)加入《巴黎氣候協(xié)定》，并作出承諾：到2030年中國(guó)單位GDP的二氧化碳排放，要比2005年下降60%到65%。我國(guó)年建筑能源消費(fèi)總量約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20.6%，建筑碳排放總量約占全國(guó)能源碳排放總量的19.4%，是繼工業(yè)之后的第二大能源碳排放行業(yè)。從目前國(guó)內(nèi)外的建筑節(jié)能研究成果和推廣應(yīng)用來(lái)看，節(jié)能實(shí)踐集中于節(jié)能材料的研發(fā)應(yīng)用，忽視了 “方案不節(jié)能” 可能導(dǎo)致的 “建設(shè)不節(jié)能” 。如建筑布局僅考慮如何達(dá)成規(guī)劃設(shè)計(jì)條件指標(biāo)，空間的利用率及正南北向偏角符合居民生活習(xí)慣等，但可能因?yàn)槊懿?、缺乏架空的裙房設(shè)計(jì)遮擋了內(nèi)部風(fēng)廊；建筑內(nèi)部的空間格局，如住宅戶型以得房率為第一導(dǎo)向，通風(fēng)不足導(dǎo)致暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能的增加等。建筑設(shè)計(jì)的舊有體系缺少一條社區(qū)全過(guò)程節(jié)能設(shè)計(jì)生態(tài)鏈。

此外，在 “去房地產(chǎn)化” 的宏觀經(jīng)濟(jì)政策下，國(guó)內(nèi)一些城市如杭州提出了 “雙限” （限房?jī)r(jià)限地價(jià)）策略，無(wú)條件應(yīng)用先進(jìn)而昂貴的低碳型材在現(xiàn)實(shí)中難以操作。因此，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)改善社區(qū)居住環(huán)境，實(shí)現(xiàn)低碳健康的目標(biāo)將成為城市建設(shè)中的重要課題，以節(jié)能社區(qū)構(gòu)造方法的優(yōu)化來(lái)解決建設(shè)成本控制，和滿足人民日漸提升的美好生活需求之間的矛盾問(wèn)題。

1 居民熱舒適度與社區(qū)節(jié)能設(shè)計(jì)耦合關(guān)系研究

1.1 居民熱舒適度及其評(píng)價(jià)方法

居民熱舒適度是人對(duì)周圍熱環(huán)境所做的主觀滿意度評(píng)價(jià)，它與社區(qū)節(jié)能設(shè)計(jì)的耦合關(guān)系在于：熱環(huán)境設(shè)計(jì)水平相對(duì)先進(jìn)的社區(qū)，居民戶外活動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，室內(nèi)熱舒適性更佳，可減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，降低建筑與社區(qū)運(yùn)營(yíng)綜合能耗。

居民熱舒適度評(píng)價(jià)方法普遍參照19世紀(jì)60年代丹麥學(xué)者Fanger提出的熱環(huán)境評(píng)價(jià)PMV－PPD評(píng)價(jià)指標(biāo)，即預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)指數(shù)（PMV）和預(yù)計(jì)不滿意者的百分?jǐn)?shù)（PPD）評(píng)價(jià)。該指標(biāo)綜合了人體熱舒適的4個(gè)環(huán)境因素和2個(gè)個(gè)體變量，環(huán)境因素主要有相對(duì)濕度、溫度、空氣流速和平均輻射溫度，個(gè)體變量主要是衣服熱阻與人的新陳代謝率。

1.2 影響亞熱帶地區(qū)居民熱舒適度的核心設(shè)計(jì)要素

亞熱帶的氣候特點(diǎn)是冬溫夏熱，四季分明，降水豐沛，季節(jié)分配較均勻。其夏季與熱帶相似，但冬季明顯比熱帶冷。按照國(guó)家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，夏季室內(nèi)濕度以40% ～80%為宜，冬季應(yīng)控制在30%～60%，亞熱帶非空調(diào)環(huán)境下平均室內(nèi)濕度基本符合該標(biāo)準(zhǔn)；平均輻射溫度受到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各表面影響，有相應(yīng)的《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（DB21／T 2885—2011）》《居住建筑樓板設(shè)計(jì)保溫構(gòu)造》及《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 50189—2015）》等相應(yīng)規(guī)范指導(dǎo)，要求建筑設(shè)計(jì)中必須落實(shí)；風(fēng)速（空氣流速）的改變可調(diào)節(jié)環(huán)境溫度與體感，高溫環(huán)境中在人體可接受范圍內(nèi)風(fēng)速越大則體感越舒適，而國(guó)內(nèi)對(duì)社區(qū)內(nèi)風(fēng)速的設(shè)計(jì)沒(méi)有相關(guān)規(guī)范與可參考的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即建筑的自然通風(fēng)與社區(qū)通風(fēng)微環(huán)境的塑造應(yīng)當(dāng)成為社區(qū)節(jié)能設(shè)計(jì)創(chuàng)新中的核心要素。

在風(fēng)速與熱環(huán)境關(guān)系的理論研究層面，1989年日本學(xué)者Tanabe的研究表明，風(fēng)速在一定程度上可以降低高溫環(huán)境中人體的熱感覺(jué)，從而使人覺(jué)得舒適。英國(guó)科學(xué)家MaIntyr研究發(fā)現(xiàn)人們?cè)跍囟壬邥r(shí)，能接受的風(fēng)速也越大，但是風(fēng)速過(guò)大時(shí)，人們則會(huì)感受到氣流帶來(lái)的壓力，造成體感的不舒適感。在國(guó)外熱舒適研究理論的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)通風(fēng)影響環(huán)境舒適度也做了一些研究，如1999年清華大學(xué)賈慶賢教授在對(duì)自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)頻譜的對(duì)比研究中，發(fā)現(xiàn)在低頻區(qū)域自然風(fēng)的頻譜比機(jī)械風(fēng)更為豐富，自然風(fēng)條件下人體熱舒適性更強(qiáng)，熱適應(yīng)性更好。

根據(jù)端木琳等［1］對(duì)中國(guó)各地區(qū)不同類型住宅PMV－PPD調(diào)查結(jié)果，本次研究對(duì)亞熱帶地區(qū)夏季、冬季、過(guò)渡季的城市住宅熱舒適溫度范圍進(jìn)行了梳理與對(duì)比（表1），可見夏季采用自然通風(fēng)時(shí)，人們的熱舒適范圍較采用空調(diào)時(shí)更廣，上限溫度更高；過(guò)渡季自然通風(fēng)住宅熱舒適溫度范圍明顯更寬；冬季城市住宅中，非集中采暖的熱舒適下限溫度更低［2］。

表1 亞熱帶地區(qū)不同季節(jié)城市住宅熱舒適度對(duì)比

2 亞熱帶地區(qū)社區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化的節(jié)能設(shè)計(jì)生態(tài)鏈構(gòu)建

2.1 節(jié)能設(shè)計(jì)生態(tài)鏈構(gòu)建的邏輯體系

世界范圍內(nèi)最具影響力的綠色建筑評(píng)級(jí)體系LEED中包含9類評(píng)價(jià)對(duì)象，城市與社區(qū)為其中之一，即從單體建筑節(jié)能評(píng)價(jià)向更大規(guī)模的地區(qū)層面延伸，啟發(fā)了節(jié)能社區(qū)設(shè)計(jì)的新思維，即建筑設(shè)計(jì)對(duì)周邊環(huán)境的綜合影響。本次研究從 “規(guī)劃設(shè)計(jì)（布局與環(huán)境）—建筑設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)與材料）—室內(nèi)設(shè)計(jì)（裝修與設(shè)備）” 三個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出發(fā)，以PMV－PPD熱舒適評(píng)價(jià)作為亞熱帶地區(qū)社區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化的研究基礎(chǔ)，搭建節(jié)能社區(qū)設(shè)計(jì)研究體系：將節(jié)能社區(qū)的設(shè)計(jì)生態(tài)鏈概括為建筑排布、架空結(jié)構(gòu)、水景植被（蒸發(fā)冷卻）、戶型優(yōu)化、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與其他輔助設(shè)備等5個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略（圖1）。

圖1 社區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化中的應(yīng)用示例

2.2 社區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化的設(shè)計(jì)子系統(tǒng)

2.2.1 建筑排布

市區(qū)和建筑群內(nèi)的風(fēng)速相對(duì)郊區(qū)較低，但會(huì)在建筑群，特別是高層建筑群產(chǎn)生通風(fēng)廊道，當(dāng)風(fēng)吹至高層建筑的墻面向下偏轉(zhuǎn)時(shí)，將水平方向的氣流一起在建筑物側(cè)面形成渦旋，在迎風(fēng)面上形成下行氣流，而在被風(fēng)面上氣流上升。街道常成為風(fēng)漏斗，把靠近兩邊墻面的風(fēng)匯集在一起，造成近地面處的高速風(fēng)，即 “文丘里效應(yīng)” 。以此指引城市內(nèi)社區(qū)建筑排布形式的調(diào)整，來(lái)調(diào)整優(yōu)化社區(qū)庭院的空氣流速（風(fēng)速）［3］。因此，在建筑排布方面，建議采取行列式的建筑布局，建筑朝向與相應(yīng)景觀（喬木、灌木）依照社區(qū)風(fēng)廊導(dǎo)風(fēng)方向設(shè)計(jì)，避免或減少建筑遮擋引起區(qū)域風(fēng)速衰減。

2.2.2 架空結(jié)構(gòu)

當(dāng)風(fēng)流過(guò)建筑物架空下方，由于架空建筑底部、兩側(cè)的結(jié)構(gòu)支柱間和地面共同產(chǎn)生的 “文丘里效應(yīng)” ，使得通過(guò)該區(qū)域的風(fēng)速被局部放大，這對(duì)滿足亞熱帶城區(qū)的通風(fēng)要求有積極作用。根據(jù)香港理工大學(xué)劉建麟等［4］的研究表明，建筑物兩側(cè)的局部高風(fēng)速區(qū)隨著架空高度的增加呈現(xiàn)高速區(qū)域面積縮減趨勢(shì)，然而在一定設(shè)計(jì)高度范圍內(nèi)（h／H＝0.06～0.10），僅靠改變建筑架空設(shè)計(jì)的高度，對(duì)建筑物迎風(fēng)面及建筑物背風(fēng)面主要區(qū)域的風(fēng)速影響不大；來(lái)流風(fēng)向與建筑間角對(duì)架空設(shè)計(jì)用于改善建筑周圍風(fēng)環(huán)境影響顯著，間角0°～45°時(shí)，行人夏季在架空區(qū)域下方感覺(jué)舒適，而在90°時(shí)卻會(huì)感覺(jué)悶熱。即在架空結(jié)構(gòu)方面，建筑裙房設(shè)計(jì)與導(dǎo)風(fēng)風(fēng)向夾角宜小于45°，風(fēng)向夾角大于45°的建筑裙房建議采用架空層設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)適宜的庭院風(fēng)速來(lái)保障夏季戶外人行的舒適體感。

2.2.3 水景植被（蒸發(fā)冷卻）

水景植被可通過(guò)蒸騰作用來(lái)降低周圍環(huán)境的溫度。一是綠地的表面溫度低于人工鋪地的溫度，道路的溫度明顯高于綠地的溫度，不同的綠化形式對(duì)1.5 m處空氣溫度改善程度依次是喬木、灌木、草坪；二是綠地率并不是一味地增加，對(duì)周圍熱環(huán)境的調(diào)節(jié)就越好，當(dāng)綠化率達(dá)到40%的時(shí)候，是對(duì)周圍熱環(huán)境調(diào)節(jié)的一個(gè)極值范圍和區(qū)域，過(guò)該值之后增加的綠化范圍對(duì)周圍熱環(huán)境的效果大幅度減小［5］；三是透水性地面的設(shè)計(jì)（海綿社區(qū)）便于排出與蒸發(fā)部分積水，通過(guò)蒸發(fā)降溫可以改善局部區(qū)域的熱環(huán)境；四是水體對(duì)于室外人行高度處空氣溫度的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)有著明顯的作用，在夏季可以降溫增濕，并且水體和水體周圍的陸地會(huì)形成水陸風(fēng)，以降低通風(fēng)的溫度，從而達(dá)到降低建筑物在夏季空調(diào)能耗的目的，水體宜布置在夏季盛行風(fēng)上風(fēng)向處［6］。

2.2.4 戶型優(yōu)化

塑造優(yōu)越的住宅室內(nèi)通風(fēng)對(duì)流環(huán)境，地面、頂棚、內(nèi)隔墻等呈流線型的分布效果，使暖通空調(diào)的利用空氣能自然循環(huán)流通，減少暖通空調(diào)的冷熱負(fù)荷，降低能耗。此外，根據(jù)溫濕度控制標(biāo)準(zhǔn)和控制精度、房間朝向、使用時(shí)間、潔凈度等級(jí)等因素劃分為不同的空調(diào)區(qū)域，從而避免過(guò)冷過(guò)熱，減少冷熱抵消等現(xiàn)象，避免不必要的能源浪費(fèi)。戶型設(shè)計(jì)中盡量減少體感不舒適的暖通損耗區(qū)域（門廳、狹長(zhǎng)的過(guò)道空間等），利于暖通設(shè)備節(jié)能（圖2）。

2.2.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與其他輔助設(shè)備

亞熱帶地區(qū)依賴自然通風(fēng)環(huán)境的塑造來(lái)降低夏季熱島效應(yīng)，降低體感溫度與濕度；同時(shí)以圍護(hù)結(jié)構(gòu)與其他輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)冬季保溫。理論上來(lái)說(shuō)，傳熱系數(shù)較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響波動(dòng)會(huì)比傳熱系數(shù)小的圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)更大影響。建筑設(shè)計(jì)中對(duì) “窗墻面積比” 的控制，以及節(jié)能型材的推廣應(yīng)用，如采用塑鋼門窗等新型材料和技術(shù)，新型的復(fù)合墻體等都能進(jìn)一步提高建筑節(jié)能水平。此外，光伏板、太陽(yáng)能集熱裝置等節(jié)能輔助設(shè)備的安裝，有助于提高社區(qū)整體節(jié)能效能；沿街建筑采用防噪音設(shè)計(jì)，也可提高居民開窗頻率以增加自然通風(fēng)時(shí)間。

3 節(jié)能社區(qū)設(shè)計(jì)生態(tài)鏈應(yīng)用案例和對(duì)比

圖2 基于節(jié)能的戶型優(yōu)化示例

以本技術(shù)流程應(yīng)用項(xiàng)目濱江·江南之星為例，選擇與其處于相近區(qū)位、總體規(guī)模、規(guī)劃設(shè)計(jì)條件基本接近的社區(qū)豐東花苑為對(duì)比，應(yīng)用熱舒適度評(píng)價(jià)軟件 “城適” （Citycomfort＋）評(píng)測(cè)該節(jié)能設(shè)計(jì)生態(tài)鏈應(yīng)用對(duì)環(huán)境光熱舒適度的提升效應(yīng)［3］。

濱江·江南之星項(xiàng)目與豐東花苑均位于杭州蕭山區(qū)，杭州城市全年2月至11月主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，風(fēng)速平均值為3 m／s（蕭山機(jī)場(chǎng)風(fēng)速）。周邊環(huán)境較為類似，建筑普遍為多層建筑（圖3）。采用杭州炎熱季節(jié)即5月至8月典型環(huán)境氣溫，同期平均風(fēng)速3 m／s，觀測(cè)點(diǎn)高度10 m進(jìn)行測(cè)評(píng)。

圖3 江南之星與豐東花苑的周邊環(huán)境對(duì)比

從兩個(gè)小區(qū)的設(shè)計(jì)條件來(lái)看，江南之星的容積率2.8，大大高于豐東花苑的容積率2.1，然而在場(chǎng)地內(nèi)平均風(fēng)速、典型夏季日熱氣候指數(shù)（UTCI）上，江南之星表現(xiàn)均大大優(yōu)于豐東花苑。見表2。

表2 江南之星與豐東花苑指標(biāo)測(cè)評(píng)對(duì)比

圖4 江南之星與豐東花苑風(fēng)環(huán)境評(píng)測(cè)對(duì)比

從兩者的小區(qū)模擬風(fēng)速對(duì)比（圖4）來(lái)看，濱江·江南之星夏季小區(qū)內(nèi)公共空間的風(fēng)速在2～3 m／s之間，較為均衡，對(duì)西側(cè)小區(qū)內(nèi)的風(fēng)道影響較?。粓?chǎng)地平均風(fēng)速為1.28 m／s。而豐東花苑北側(cè)通風(fēng)廊到公共空間夏季風(fēng)速在1.5～2.5 m／s；且小區(qū)大部分處于被風(fēng)區(qū)，由于風(fēng)道不連貫，風(fēng)速衰減，風(fēng)速在1.25 m／s以下，場(chǎng)地平均風(fēng)速為0.86 m／s。

選擇氣象歷史數(shù)據(jù)中2003年7月5日為代表日進(jìn)行兩個(gè)小區(qū)的夏季熱舒適度分析，該日平均氣溫為27.90℃（典型夏季周6月29日—7月5日中該日均氣溫最接近整個(gè)夏季平均氣溫26.92℃），以該日數(shù)據(jù)作為室外熱環(huán)境模擬參數(shù)。根據(jù)熱舒適度計(jì)算，江南之星場(chǎng)地日間平均熱氣候指數(shù)（UTCI）為34.6℃，較豐東花苑的35.7℃降低1.1℃；江南之星場(chǎng)地12時(shí)平均熱氣候指數(shù)（UTCI）為33.4℃，較豐東花苑的34.5℃降低1.1℃。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，我國(guó)對(duì)于綠色建筑及節(jié)能社區(qū)的研究與實(shí)踐，仍然集中于建筑單體的節(jié)能性能、節(jié)能結(jié)構(gòu)與材料的研發(fā)應(yīng)用。本文是對(duì)從規(guī)劃設(shè)計(jì)首端開始的 “源頭節(jié)能” “方案節(jié)能” 思維的初步探索，還需進(jìn)一步與國(guó)際接軌。并且還要加強(qiáng)新型節(jié)能型材應(yīng)用與本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的融合研究，提出適宜市場(chǎng)推廣的新型節(jié)能型材應(yīng)用方案與成本設(shè)計(jì)，以有助于節(jié)能社區(qū)理念的持續(xù)深化推廣。