高慶龍，錢方，戎向陽/GAO Qinglong,QIAN Fang,RONG Xiangyang

1 概述

氣候變化是人類面臨的全球性問題，隨著各國CO2排放，溫室氣體猛增，對生態(tài)系統(tǒng)構成威脅。在這一背景下，世界各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，我國由此提出“2030 年前實現(xiàn)碳達峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和”的目標。在全國所有行業(yè)的碳排放總量中，建筑行業(yè)運行用能導致的碳排放占比28%，全球建筑相關用能碳排放占比40%[1]。如何通過建筑設計實現(xiàn)運行低碳甚至零碳建筑，是時代賦予當代建筑師的責任。

四川若爾蓋暖巢項目位于青藏高原東北部的四川省阿壩州若爾蓋縣，項目所在地海拔3500m，平均氣溫1.1℃，最低氣溫低達-20℃，常冬無夏。在該地區(qū)開展工程建設，不僅要適應當?shù)貝毫拥臍夂驐l件，還要考慮如何解決能源和降低對當?shù)卮嗳跎鷳B(tài)環(huán)境影響的問題。如何通過建筑師設計手法，利用當?shù)刎S富的太陽能資源，開展零碳建筑的設計是個挑戰(zhàn)，也有著特殊的環(huán)境意義。

暖巢項目建筑面積1255m2，包括21 間宿舍和頂層的一間室內(nèi)活動室。建筑鳥瞰見圖1。項目未采用任何采暖設備，僅通過建筑師以數(shù)據(jù)為支撐的精細化設計，使全年室內(nèi)溫度不低于12℃，一勞永逸滿足使用功能需求[2]。建筑中耗能設施只有照明系統(tǒng)，在使用過程中碳排放量極低。本文通過對四川若爾蓋暖巢項目的設計總結，為建筑師實施零碳建筑設計策略提供一些參考和借鑒。

1 建筑鳥瞰

2 以數(shù)據(jù)為導向被動式太陽能建筑設計方法

結合地域資源，項目整體采用零輔助熱源的被動式太陽能建筑設計策略。為保證項目建成后實際運行的效果達到預期目標，在設計過程中采用了以建筑環(huán)境計算機模擬得到的數(shù)據(jù)為導向進行被動式太陽能建筑的設計策略。

2.1 以數(shù)據(jù)為導向的總平布局優(yōu)化設計策略

該項目原有建筑總平面布局按照紅線邊界布置（圖2），按場地既有規(guī)則進行布置，建筑的朝向?qū)τ谔柲芙ㄖ皇且粋€合理的朝向。設計前期開展了該項目朝向?qū)κ覂?nèi)熱環(huán)境影響敏感性的研究。研究結果顯示南偏西的朝向布局與南偏東相比，可以將全年最冷月夜間最低溫度提高3℃。通過確保進入室內(nèi)太陽輻射總量變化較小，設計可盡量延遲太陽照射的時間。由此在場地限制條件下本項目確定了建筑的最佳方位布局。

2 總平面

2.2 以數(shù)據(jù)為導向的最佳體形選擇策略

在嚴寒和寒冷地區(qū)的建筑中，體形系數(shù)是重要的控制參數(shù)指標。按照建筑節(jié)能規(guī)范的計算方法，采用緊湊體形更有利于減少熱損失。但對該項目而言，緊湊的體形同時會減小南向立面面積，從而降低太陽輻射得熱量。經(jīng)過計算機模擬計算，在太陽能富集的該地區(qū)，南向立面越大，建筑能耗越低，當無輔助采暖時，室內(nèi)溫度也越高。由此本項目采用了體形系數(shù)較大的東西軸較長、北側單走廊的平面布局。該平面布局雖然體形系數(shù)較大，但是可以實現(xiàn)南向建筑立面面積最大化，從而盡量多獲得太陽輻射熱，反而是節(jié)能的[3]。

2.3 降低冷風滲透的首層平面設計策略

3 首層平面

4.5 南立面

建筑氣密性對于減少冷風滲透具有重要意義，本項目并未采取一味提高墻體和門窗的氣密性等級的方法來提高建筑氣密性。通過在建筑首層布局的入口位置，增加具有避風擋墻的方法設置“深邃”的門斗，作為入口緩沖門廳。概括而言，通過建筑平面實現(xiàn)避開迎風面、避風墻、門斗的方法，達到減少冷風滲透熱損失的目的。另外通過在走廊外側設置直跑樓梯，作為走道空間的緩沖層，進一步延長風滲透的通路，降低了冷風滲透。

2.4 以數(shù)據(jù)為導向的立面設計策略

按照建筑性能模擬得到的南向得熱、北向失熱的數(shù)據(jù)指引，設計了風格迥異的南北立面。南立面采用直接受益式、集熱墻式組合的被動式太陽能利用方式（圖4）。由被動式太陽能建筑設計優(yōu)化可知，直接受益式是效率最高的太陽能被動利用方式，但室內(nèi)溫度波動較大，集熱墻式效率低，但有利于房間溫度穩(wěn)定[4]。二者采用什么樣的比例是最為合適的呢？通過不同的方案計算數(shù)據(jù)比較，再輸入詳細的幕墻和外墻參數(shù)，進行全年的室內(nèi)熱環(huán)境計算后采用了如圖所示比例立面設計：深色部分為集熱墻，透明部分為直接受益式。圖5 為項目建成后的南立面實景圖。

北向墻是熱損失最多墻體，其中外窗是熱損失的薄弱環(huán)節(jié)。建筑設計過程中，依賴于采光計算結果，把在當?shù)貧庀髼l件下將走廊的采光亮度控制在300lx作為設置外窗采光面積的主要依據(jù)。在滿足采光要求的前提下，外窗總面積盡量小，并滿足建筑美觀的韻律（圖6）。建筑采光窗用高窗，提高采光均勻度，同時避免吹風感對熱舒適的影響。圖7 為項目建成后的北立面實景圖。在動輒眩光刺眼的高原地區(qū)，控制了采光亮度的走廊和樓梯間因光線柔和舒適，成為孩子們最喜歡的閱讀空間（圖8、9）。

3 分空間分時間的熱環(huán)境被動控制策略

本項目在設計過程中，按空間功能需求與使用特點有區(qū)別地進行建筑熱環(huán)境的被動式控制，采取相應的設計策略。在平面布局上按照對于熱環(huán)境要求的差異進行功能分區(qū)的布置。按使用功能、使用時間和對熱環(huán)境功能需求，把建筑熱環(huán)境的被動控制區(qū)域劃分為4 類（圖10、11）。宿舍為被動采暖的夜間使用核心區(qū)，需要盡量多地獲得熱量并蓄積保存，使室內(nèi)溫度全年不低于12℃；直跑樓梯間為短暫使用的快速通過區(qū)，位于北向，除進行保溫外，無其他技術措施，只要保證冬季不結冰，高于0℃即可。走廊、雙跑樓梯間和洗漱間、衛(wèi)生間，作為宿舍的緩沖空間，為次采暖區(qū)，主要靠宿舍的墻壁傳熱和空氣交換進行采暖，溫度介于宿舍與樓梯之間。樓頂活動室是一個直接受益的陽光間（圖12、13），只在白天太陽升起、房間溫度升高以后使用。在夏季太陽輻射和強烈時，可開啟側壁的豎向窗進行降溫。樓頂活動室的地面設置了保溫層，以減少宿舍頂板的熱損失，同時樓頂活動室作為三層宿舍的緩沖區(qū)，也對減少三層宿舍的熱損失做出貢獻。樓梯活動室也是整棟樓中溫度波動最大的房間，晝夜溫差可達30℃，但是晝間的熱環(huán)境優(yōu)良，是學生非常喜歡的公共活動場所。

10.11 采暖分區(qū)

12 四層平面

13 頂層活動室

宿舍是建筑中對熱環(huán)境要求的最高的房間，為了最大限度引入太陽輻射，減少熱損失，采用了系列技術措施的“組合拳”（圖14）。在南向的最外層為高透的單層玻璃幕墻，可以最大限度讓太陽輻射熱量進入室內(nèi)。玻璃幕墻內(nèi)是雙層中空玻璃窗和集熱蓄熱墻體。晝間內(nèi)側中空玻璃窗開啟，太陽輻射直接進入室內(nèi)。照射到集熱墻上的太陽輻射被涂刷了深色氟碳漆的保溫墻體吸收，加熱空腔內(nèi)的空氣，通過空氣流動進入室內(nèi)。空腔的空氣層通過計算分析設置為較為合理的50mm，可使集熱與換熱效率最高。太陽落山后，內(nèi)層中空玻璃窗關閉，并拉上夜間保溫窗簾。

14 細部構造

15 干廁剖面（1-15圖片來源：中國建筑西南設計研究院）

4 耦合熱質(zhì)的結構體系設計策略

4.1 熱質(zhì)耦合結構體系的選擇

對于僅僅靠周期波動的太陽輻射采暖的建筑，建筑的蓄熱材料是最為關鍵的。為了保證建筑具有足夠的熱質(zhì)，建筑使用傳統(tǒng)的磚混結構體系，通過“厚重”的結構體系作為建筑蓄熱放熱的材料。建筑結構墻體和樓板以日為周期的晝間蓄積熱量、夜間釋放熱量，保持著室內(nèi)的熱環(huán)境的相對穩(wěn)定。

4.2 熱質(zhì)室內(nèi)墻體的厚度優(yōu)化選擇

既然熱質(zhì)如此重要，那么是否有必要把內(nèi)隔墻做得更厚？通過計算分析以日為周期的墻體蓄放熱量過程，研究結果顯示內(nèi)墻墻體厚度以200mm 為宜，墻體厚度再增加，也無助于房間的熱穩(wěn)定和最低溫度的提升。

5 其他低碳設計策略

5.1 與建筑同壽命的外墻形式

對建筑全壽命周期內(nèi)的碳排放而言，建筑的壽命越長，平攤到每年的碳排放就越低。針對高原惡劣的外界條件以及后期維護能力，本項目采用墻體夾心保溫系統(tǒng)（圖12），內(nèi)外頁墻體間設置拉結，在保證結構安全的同時，實現(xiàn)了外墻保溫免維護與建筑同壽命。

5.2 易于維護的干廁所

該項目遠離市政管網(wǎng)，生活用水依靠附近自然河流，為減少用水和污水排放且尊重當?shù)厣盍晳T，建筑師設計了生態(tài)干廁。對廁所墻壁進行封閉保溫處理，并在后側設置了太陽能煙囪強化熱壓通風道（圖13），從而誘導氣流通過煙囪排除便溺可能產(chǎn)生的異味。在平面布置上，廁所與宿舍之間間隔有洗漱間和樓梯間，保證了宿舍和走廊空間的空氣質(zhì)量。

6 項目后評估與碳排放計算

為檢驗該項目建成后是否達到設計目標，2017年1 月對該宿舍在室內(nèi)無人、無照明、無保溫棉簾等條件下的室內(nèi)外溫度進行了測試。通過實際測試獲取了該宿舍在無人工采暖和夜間窗戶無保溫條件下的室內(nèi)熱環(huán)境狀況：在室外最低氣溫達到-12℃條件下，房間溫度不低于12℃，最高可達20℃，達到了設計目標。

如前所述，本項目的用能設備只有照明系統(tǒng)，為簡化計算過程，本文只計算建筑運行過程的碳排放量。該項目是學生宿舍，按照學校管理，每年使用時間約9 個月，每天使用時間約2 小時。項目的照明功率密度3.3W/m2，那么項目每年的總用電量可估算為1255×3.3×2×270=2236 (kWh)，按照2012 年中國區(qū)域電網(wǎng)平均CO2排放因子0.5257kg/kWh[5]，項目年碳排放量為1175kg，單位面積年碳排放量僅為0.94kg。得益于精細化的建筑設計，如果本項目要實現(xiàn)碳中和，在當?shù)貧夂驐l件下，只需安裝5m2多晶硅光伏系統(tǒng)，年發(fā)電量將超過2500kWh，實現(xiàn)碳中和綽綽有余。

7 結論

本文以四川若爾蓋暖巢項目為例，總結了以碳排放最小化為目標的建筑優(yōu)化設計過程，系統(tǒng)性地提出了降低碳排放的建筑師實施的策略，體現(xiàn)了建筑師在降低碳排放實現(xiàn)碳中和的重要作用，彰顯了建筑師在降低碳排放方面責無旁貸的歷史責任。建筑師只有通過在實現(xiàn)建筑功能的同時，以碳排放最小化為目標的精細化設計，才能提供能耗需求最小化的建筑，結合可再生能源的利用，助力實現(xiàn)碳中和。□