史學(xué)鵬， 汪麗君，解旭東

引言

作為全球共性問題，至2050 年世界一半人口將居住在城市地區(qū)，城市面臨氣候變化、人居環(huán)境改善與資源供給壓力等諸多方面的嚴峻挑戰(zhàn)[1]，作為一種城市中量多面廣的建筑類型，居住建筑的終端能耗占建筑總能耗的20%～40%[2]，而且隨著后疫情時代居家時間的延長，能耗占比仍將繼續(xù)提高[3]，具體而言建筑表皮影響了建筑40%的能耗表現(xiàn)[4]。此外，疫情封控的不確定性對居民居家期間食物獲取的便捷性與經(jīng)濟性提出了挑戰(zhàn)。為了緩解和改善上述問題，以環(huán)境可調(diào)控性、資源可利用性、用戶可交互性為特性，整合動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)與建筑表皮種植系統(tǒng)的居住建筑自適應(yīng)表皮設(shè)計研究成為當(dāng)下建筑表皮設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點之一[5，6]。通過室內(nèi)光熱環(huán)境的動態(tài)調(diào)控、資源的分布式生產(chǎn)與獲取[7，8]、用戶行為的介入與交互，居住建筑自適應(yīng)表皮為降低建筑能耗、提升居住環(huán)境品質(zhì)、提高資源供給多樣性，提供了一種具有可實施性的解決方法。作為研究的前期階段，主要針對氣候特點較為適宜的我國熱帶地區(qū)，并歸納了上述地區(qū)的城市居住建筑立面特點。實驗數(shù)據(jù)來源新加坡國立大學(xué)熱帶技術(shù)實驗室，這是由于氣候、人文以及建筑背景的相似性[9]（圖1），新加坡居住建筑與我國熱帶地區(qū)城市居住建筑在戶型、平面、層高、立面等方面差異并不明顯，借助其實驗數(shù)據(jù)以海口氣候特點為例完成本階段居住建筑自適應(yīng)表皮的設(shè)計。

圖1 熱帶地區(qū)不同城市的主要氣候指標對比

1 多要素協(xié)同與多目標擇優(yōu)框架

綜合考量了影響熱帶地區(qū)城市居住建筑建成環(huán)境質(zhì)量的主要因素：室內(nèi)采光不均與眩光、室內(nèi)熱不適等，分析其主要涉及光環(huán)境、熱環(huán)境以及風(fēng)環(huán)境三方面要素，此外考慮到可持續(xù)性，增加了資源產(chǎn)出要素，因此本研究整合光環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境以及資源產(chǎn)出4 種要素，構(gòu)建了居住建筑自適應(yīng)表皮的多要素協(xié)同設(shè)計關(guān)聯(lián)機制；借助性能模擬工具、實測數(shù)據(jù)驗證、預(yù)測分析技術(shù)，搭建了居住建筑自適應(yīng)表皮多目標擇優(yōu)方法；充分考慮居住建筑立面特點及居民的生活模式，建立了動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)與建筑表皮種植系統(tǒng)的設(shè)計原型庫。 多要素協(xié)同與多目標擇優(yōu)框架基于Rhinoceros + Grasshopper工具，并關(guān)聯(lián)Radiance、EnergyPlus 以及OpenFOAM 等性能化分析工具（圖2）。

圖2 設(shè)計方法中的多要素協(xié)同與多目標擇優(yōu)框架示意圖

2 典型居住模塊的建立

選取熱帶地區(qū)較為常見的點式與組合式居住建筑（表1），充分考慮了建筑規(guī)劃布局以及建筑平面特點，根據(jù)文獻搜集、建筑規(guī)范以及調(diào)研結(jié)果[10-14]，本文將典型居住模塊的尺寸統(tǒng)一設(shè)定為開間3.2m，進深4.5m（不包括陽臺等附屬部分），層高2.8m，窗臺高度1.1m，窗戶高度1.2m，外墻厚度0.15m?？偣卜治隽瞬煌叨葏^(qū)域、不同建筑朝向、不同規(guī)劃布局的12 種居住案例（圖3、4）。

圖3 典型居住模塊及兩種建筑規(guī)劃布局

表1 熱帶城市居住建筑平面及戶型特點歸納

3 自適應(yīng)表皮設(shè)計原型

3.1 自適應(yīng)表皮垂直界面分區(qū)

將建筑表皮區(qū)域沿垂直方向分為上中下3 部分，上部主要功能為控光、通風(fēng)等，中部功能主要為可視、控光，下部功能主要為儲能、蓄熱。建筑表皮種植系統(tǒng)可選區(qū)域為下部，該系統(tǒng)放置于下區(qū)有利于用戶對作物的日常維護以及采摘播種等場景，同時也避免了作物灌溉對動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)造成影響。動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)具有控光與儲能雙重特點，其可選區(qū)域包括上、中及下部區(qū)域。此外，根據(jù)熱帶技術(shù)實驗室的實際種植效果，部分朝向過高太陽輻射會造成作物產(chǎn)量偏低，為了更加靈活響應(yīng)具體條件，增設(shè)了僅有動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)的自適應(yīng)表皮。

綜上所述，自適應(yīng)表皮垂直界面分區(qū)總共包括6 種類型：①上部、中部（動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)），下部（建筑表皮種植系統(tǒng)）；②上部（動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)），中部（無），下部（建筑表皮種植系統(tǒng)）；③上部、中部（無），下部（建筑表皮種植系統(tǒng)）；④上部、中部、下部（動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)）；⑤上部（動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)），中部（無），下部（動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)）；③上部、中部（無），下部（動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)）。設(shè)計原型包括3 個方面變量：垂直界面分區(qū)（共6 種）、動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)設(shè)計變量（20種（2 面板尺寸×5 運動模式×2 電池類型））、建筑表皮種植系統(tǒng)設(shè)計變量（4 種），設(shè)計原型庫總共142 種表皮具體設(shè)計原型。具體設(shè)置如圖5。

圖5 六種垂直界面分區(qū)

圖4 居住模塊案例與自適應(yīng)表皮設(shè)計原型多樣性分析

3.2 自適應(yīng)表皮設(shè)計原型構(gòu)建

3.2.1 動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)設(shè)計原型

（1）面板尺寸設(shè)計變量

光伏面板尺寸基于光伏電池尺寸，晶硅電池的尺寸一般為156mm、156.75mm、158.75mm和 1 6 6 . 0 0 m m 、182mm、210mm，且有不斷增加的趨勢以降低生產(chǎn)成本提升組件功率。薄膜電池尺寸由各個廠家的技術(shù)標準來決定，現(xiàn)在CIGS 薄膜太陽能電池組件面積已經(jīng)可以達到0.5m2以上，本文中薄膜電池的尺寸參照晶硅電池。光伏電池尺寸增大具有可觀經(jīng)濟效益，目前光伏尺寸型號逐漸趨近于0.2m，甚至0.21m 光伏電池尺寸已經(jīng)出現(xiàn)。根據(jù)光伏電池的發(fā)展情況，本文設(shè)定0.2m 為光伏電池基本尺寸，并以此為模數(shù)確定光伏面板的尺寸設(shè)計變量。另外依據(jù)光伏電路設(shè)計原則，最優(yōu)的組件電池封裝方式必須是偶數(shù)列，因此最小得光伏面板尺寸為2 個模數(shù)的光伏電池，即0.4m×0.4m。同時增設(shè)了0.8m×0.8m 尺寸作為設(shè)計變量對比。需要說明的是本文動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)與建筑立面的間距為0.5m[15], 這是出于對光伏遮陽面板自由靈活轉(zhuǎn)動的考慮，同時也為建筑表皮種植系統(tǒng)的作物種植、培育、采摘等過程提供必要的操作空間。

（2）運動模式設(shè)計變量

針對運動模式進行討論之前需要對面板排布進行設(shè)計。以下研究以居住模塊的垂直界面分區(qū)④為例，針對其自適應(yīng)表皮展開討論。面板排布首先受面板尺寸的影響，根據(jù)0.4m 和0.8m 的兩種尺寸，對面板進行二維排布（圖 6）。0.4m 的面板單元在3.2m（寬）×2.8m（高）的典型居住模塊中最大可安置8×6列陣的光伏面板單元，建筑立面覆蓋率為86%，雖然未能達到100%的立面太陽能利用，但考慮到居住模塊室內(nèi)視線可達性的必要需求，以及盡量避免光伏面板自遮擋的客觀要求，適度降低的動態(tài)光伏遮陽面板覆蓋率可以恰好兼顧各個相互影響甚至沖突的設(shè)計要素，因此本文維持了86%的建筑立面覆蓋率，并基于此將光伏面板單元陣列在建筑立面區(qū)域進行均勻布置（如圖 6 中④）[16]。0.8m 的面板單元在3.2m（寬）×2.8m（高）的典型居住模塊中最大可安置4×3 列陣的光伏面板單元，建筑立面覆蓋率也為86%。根據(jù)3.1.5.1 章節(jié)的技術(shù)策略，面板運動模式設(shè)計變量包含4 種模式：單軸（水平、垂直、傾斜）和雙軸共2 個大類5 種形式。具體的運動模式設(shè)計變量如圖 7 所示。

圖6 光伏面板在建筑表皮的二維排布設(shè)計

圖7 動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)的5 種運動模式設(shè)計變量

（3）耦合視野轉(zhuǎn)角設(shè)置

面板角度變化是動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)適應(yīng)外界環(huán)境，提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與資源產(chǎn)出的主要手段，面板的轉(zhuǎn)角設(shè)置需要兼顧室內(nèi)用戶的視野需求、光伏面板的資源產(chǎn)出特性、室內(nèi)光環(huán)境的動態(tài)調(diào)控要求以及機械運動的可實施性。因此工作狀態(tài)的光伏面板角度應(yīng)保持在一定范圍區(qū)間。從室內(nèi)用戶的視野需求角度考慮，本文將光伏面板角度范圍設(shè)置為45°-135°（0°和180°均為面板完全閉合狀態(tài)）。室內(nèi)視野的最不利情況（以45°為例），室內(nèi)視野區(qū)域占比均可達到30%以上，可以滿足室內(nèi)用戶的基本視野需求[15]。在確定面板轉(zhuǎn)角范圍之后，為了簡化模擬過程的復(fù)雜性、平衡模擬精確性和模擬時間成本，本文在45°至135°范圍內(nèi)選取7 種角度（45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°），光伏面板可以在7 種角度中自動調(diào)整以獲得資源產(chǎn)出、室內(nèi)熱環(huán)境、室內(nèi)光環(huán)境的最佳折衷。

3.2.2 建筑表皮種植系統(tǒng)設(shè)計原型

種植單元尺寸設(shè)定需要綜合考慮居住建筑的開窗尺寸、作物生長需求、株距要求、外掛安全性等方面的因素，本文種植單元尺寸設(shè)置為0.8m×0.2m×0.2m，長度設(shè)置為0.8m，以便與單個可開啟扇等寬，可以在滿足0.25 株距的條件下種植3 顆淺根系作物。4 個種植單元連接構(gòu)成一排與居住模塊的3.2m 等寬。尺寸兼顧了高層外墻外掛構(gòu)件的安全性考慮，以及作物收獲期人工采摘的便捷性，具體如圖8 所示。

圖8 建筑表皮種植系統(tǒng)設(shè)計原型

建筑表皮種植系統(tǒng)位于自適應(yīng)表皮下區(qū)，種植單元位置應(yīng)低于窗檻墻高度（1.1m）。淺根系作物高度要求的一般不低于0.2m，綜合窗檻墻高度、作物凈高要求以及用戶使用便捷性的需求，種植單元可能的布置方式有4種（圖8）。①的種植單元間距相比②要小，因此具有潛在的作物日照不充分的可能，但①比②具有更多的種植單元數(shù)量，因此需要針對幾種不同布置方式進行擇優(yōu)篩選，③和④也具有相似的情況。

針對居住建筑自適應(yīng)表皮設(shè)計應(yīng)該考慮當(dāng)?shù)亟ㄖ⒚娉Ｒ姼綄僭O(shè)施，例如安裝的衣物晾曬裝置以及獨立式空調(diào)系統(tǒng)的外掛機。在不影響用戶使用習(xí)慣與必要性需求的原則下，本文對建筑表皮種植系統(tǒng)設(shè)計原型進行適當(dāng)調(diào)整，留出足夠區(qū)域容納常見附屬設(shè)施。

3.2.3 居住建筑自適應(yīng)表皮設(shè)計原型整合

自適應(yīng)表皮設(shè)計原型的整合包括3 個方面變量：垂直界面分區(qū)（共6 種）、動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)設(shè)計變量【20種（2面板尺寸×5 運動模式×2 電池類型）】、建筑表皮種植系統(tǒng)設(shè)計變量（4 種），共計142 個設(shè)計原型。下一步擇優(yōu)過程中，將根據(jù)評價指標對設(shè)計原型庫中的設(shè)計原型進行綜合評估，以選取針對12 種不同居住案例的最佳自適應(yīng)表皮設(shè)計原型（圖9）。

圖9 居住模塊的自適應(yīng)表皮具體設(shè)計原型庫

4 評價指標與擇優(yōu)計算

評價指標包括光環(huán)境-有效天然采光照度平均值（UDI200-3000lux，avg）[17-19]，熱環(huán)境-PMV[20，21]，以及資源產(chǎn)出-P（輸出功率）。評價指標計算基于實測數(shù)據(jù)驗證的模擬與預(yù)測模型[22]，計算流程基于Rhinoceros+Grasshopper 工具[23，24]，需要指出的是，同動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)相比建筑表皮種植系統(tǒng)因為無法有效影響室內(nèi)光熱環(huán)境質(zhì)量，因此不作為自適應(yīng)表皮設(shè)計原型主要的評價指標，其作物資源產(chǎn)出計算亦基于上述模擬與預(yù)測模型。氣象資料來源于Energyplus 網(wǎng)站數(shù)據(jù)，墻體反射及熱工指標依據(jù)規(guī)范進行了相應(yīng)設(shè)置。

根據(jù)設(shè)計原型庫（142種設(shè)計原型）進行設(shè)計原型擇優(yōu)， 為12 種居住案例篩選最佳自適應(yīng)表皮設(shè)計原型。12 種居住案例包含了主要居住類型的不同狀況。對于每種案例，評估了142種設(shè)計原型（6種分區(qū)類型，2種光伏面板尺寸, 5 種光伏面板運動方式，2 種光伏電池類型，2種種植單元排布）；針對每種設(shè)計原型，計算了全年16 個時刻的性能指標【4 天（3.22，6.22，9.22，12.22）×4 小 時（9AM，12PM，15PM，18PM）】，每個時刻的性能指標是綜合評估7 種動態(tài)光伏角度之后的最優(yōu)性能指標。因此本研究包括兩個多目標擇優(yōu)步驟：第一步動態(tài)角度擇優(yōu)，動態(tài)角度擇優(yōu)是根據(jù)公式（1）從7 個動態(tài)面板可變角度中選出自適應(yīng)表皮設(shè)計原型在某個時刻的最佳角度，最佳角度條件下自適應(yīng)表皮具有最佳室內(nèi)采光質(zhì)量、最佳室內(nèi)熱舒適度、最大光伏電力產(chǎn)出。第二步設(shè)計原型擇優(yōu)，經(jīng)過第一步的篩選，得到每種設(shè)計原型在每個模擬時刻的最佳角度，通過對每種設(shè)計原型的所有模擬時刻的統(tǒng)計分析得到每種設(shè)計原型的UDI200-3000lux, avg（有效天然采光照度區(qū)間平均值）、PMV（預(yù)計平均熱感覺指標）、P（動態(tài)光伏輸出功率），最終通過公式（2）得到居住案例的自適應(yīng)表皮最佳設(shè)計原型（第2 步多目標擇優(yōu)）。該研究共評估了190848 種情況。

擇優(yōu)是按照一定的準則進行決策的行為，由于自適應(yīng)表皮的動態(tài)屬性以及2 步擇優(yōu)過程的特殊性，建筑擇優(yōu)領(lǐng)域常用的遺傳算法等多目標擇優(yōu)方法不適用于本文的擇優(yōu)過程，因此本文采用公式（1）與公式（2）的多目標擇優(yōu)方法，分別進行動態(tài)角度擇優(yōu)與設(shè)計原型擇優(yōu)[15]。動態(tài)角度擇優(yōu)、設(shè)計原型擇優(yōu)的2 步擇優(yōu)過程同樣采用Rhinoceros +Grasshopper工具進行數(shù)據(jù)處理。

動態(tài)角度擇優(yōu)公式：

D= 室內(nèi)采光處于適宜照度區(qū)間的面積占比（200lux-3000lux）；

PMV=室內(nèi)預(yù)計平均熱感覺指標值；

PMV0=室內(nèi)熱環(huán)境適中時的PMV 值為0（注：為計算可行，所有PMV 值在原基礎(chǔ)+1）；

P=自適應(yīng)表皮動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)輸出功率；

設(shè)計原型擇優(yōu)公式：

UDI=有效天然采光照度平均值（此處指代UDI200-3000lux, avg）；

PMV=室內(nèi)預(yù)測平均投票值；

PMV0=室內(nèi)熱環(huán)境適中時的PMV 值為0（注：為計算可行，所有PMV 值在原基礎(chǔ)+1）；

P=自適應(yīng)表皮動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)輸出功率；

5 評價指標與擇優(yōu)計算

5.1 動態(tài)組件的最佳角度分布情況

從12 種居住案例的自適應(yīng)表皮最佳設(shè)計原型中篩選出具有動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)的5 種，分別進行全年最佳角度分布的統(tǒng)計。在全年16 個分析時段的動態(tài)光伏遮陽面板的最佳角度進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)5 種案例的動態(tài)光伏遮陽面板面板最佳角度集中于45°、60°、75°這3 種角度（圖10），說明動態(tài)光伏遮陽面板在全年大多數(shù)時段可以通過在60°狀態(tài)上下角度浮動15°范圍內(nèi)調(diào)整，即可實現(xiàn)自適應(yīng)表皮的最大性能，為簡化動態(tài)光伏遮陽系統(tǒng)的機械復(fù)雜程度，降低建造成本并提升系統(tǒng)可靠性提供了依據(jù)。

圖10 自適應(yīng)表皮動態(tài)遮陽系統(tǒng)光伏面板最佳角度分布統(tǒng)計

5.2 不同立面區(qū)域的最佳設(shè)計原型與指標對比

針對12 種居住案例，居住建筑載體與最佳自適應(yīng)表皮設(shè)計原型整合效果如圖11 所示。自適應(yīng)表皮應(yīng)用前后的環(huán)境性能指標差如圖12 所示。對比指標包括了DA200lux，50%指標與UDI3000lux,10%面積占比。光環(huán)境方面，采用了自適應(yīng)表皮最佳設(shè)計原型后，12 種居住案例的DA200lux，50%指標和UDI200-3000lux,avg 指標相較于無外表皮的居住案例大多有所下降，但總體維持了較高天然采光質(zhì)量，但熱環(huán)境方面，采用自適應(yīng)表皮最佳設(shè)計原型的室內(nèi)熱舒適度大幅提高，其中，點式規(guī)劃布局條件下，南向與西向居住模塊的室內(nèi)全年熱舒適區(qū)間時間占比分別平均提升了33.3%與41.7%，相較而言，顯示了西向居住模塊自適應(yīng)表皮的應(yīng)用必要性，此外，兩種朝向的高區(qū)居住模塊要比中區(qū)與低區(qū)居住模塊提升幅度要大；組合式規(guī)劃布局條件下，南向與北向居住模塊的室內(nèi)全年熱舒適區(qū)間時間占比分別平均提升了39.6%與20.8%，相類似的是兩種朝向的高區(qū)居住模塊要比中區(qū)與低區(qū)居住模塊提升幅度要大；

圖11 居住建筑載體與最佳自適應(yīng)表皮設(shè)計原型整合效果

圖12 自適應(yīng)表皮應(yīng)用前后光熱指標結(jié)果的差值（應(yīng)用后減去應(yīng)用前）

資源產(chǎn)出方面，自適應(yīng)表皮具有可觀的電力與作物產(chǎn)出性能。其中，點式規(guī)劃布局條件下，南向與西向居住模塊自適應(yīng)表皮電力產(chǎn)出介于207.3-442.5 kwh/年，組合式規(guī)劃布局條件下，南向與北向居住模塊自適應(yīng)表皮電力產(chǎn)出介于219.4-489.5 kwh/年，結(jié)合家庭人均用電量780kwh/人年，單個居住模塊的全年電力產(chǎn)出可以滿足一個4 口之家全年6.6-14.2%（點式規(guī)劃布局）、7.0-15.7%（組合式規(guī)劃布局）的自給率。綜合熱環(huán)境方面的改善，充分體現(xiàn)了自適應(yīng)表皮將不利太陽輻射轉(zhuǎn)化為有利電力產(chǎn)出的環(huán)境提升作用以及經(jīng)濟價值。

作物產(chǎn)出方面，點式規(guī)劃布局條件下，南向與西向居住模塊自適應(yīng)表皮作物產(chǎn)出介于9.4-13.9kg 干重（按照蔬菜中水分65%-95%的均值計算，約為47.0-69.5kg蔬菜鮮重），組合式規(guī)劃布局條件下，南向與北向居住模塊自適應(yīng)表皮作物產(chǎn)出介于9.2-12.8kg 干重（約為46.0-64.0kg 蔬菜鮮重），參考2018 年城鎮(zhèn)居民蔬菜人均消費量103.1kg[25]，單個居住模塊的全年作物產(chǎn)出可以滿足一個4 口之家全年11.4-16.9%（點式規(guī)劃布局）、11.2-15.5%（組合式規(guī)劃布局）的自給率。結(jié)合新加坡當(dāng)?shù)爻Ｒ? 室和3 室居住單元的實際情況，保守估計1 戶家庭的全年蔬菜自給率可以接近1/2，這對于提升我國城市家庭蔬菜自給率，減少食物里程而言具有重要現(xiàn)實意義。

結(jié)論與展望

通過構(gòu)建多要素協(xié)同設(shè)計關(guān)聯(lián)機制，搭建了評價指標計算模型，采用兩步式多目標設(shè)計擇優(yōu)方法，完成了自適應(yīng)表皮設(shè)計的定量化分析、性能化模擬、資源產(chǎn)出預(yù)測以及設(shè)計擇優(yōu)過程，本研究為緩解城市熱島效應(yīng)、改善城市能源現(xiàn)狀、提升城市居民人居環(huán)境質(zhì)量，促進城市可持續(xù)發(fā)展等方面提供了具有可行性的解決方案，具有較強的環(huán)境效益與社會效益。

致謝：衷心感謝新加坡國立大學(xué)熱帶技術(shù)實驗室及Abel Tablada 老師的數(shù)據(jù)與研究支持。

圖、表來源

文中圖、表均由作者繪制。