温暖的挑战-气候响应与建筑表达

温暖的挑战-气候响应与建筑表达

【Summary】本文以河南某小学项目设计实践为例，关注气候响应和建筑性能的理性建筑设计过程，探索在建筑与自然环境的协调中寻找恰当的建筑表达和技术组合，并据此形成一种不断演进的、富有活力的地域性特征的途径。【关键】温暖；气候相应；建筑表达如今建筑物在建设与使用过程中所耗能源已是全球能源消耗的重要部分。据统计，近年来建筑相关能源消耗已占我国年能耗总值的近半比例，且有逐年上升的趋势。在环境问题凸显，可持续发展、低碳排放目标成为社会共识的今天，建筑理应重新关注对气候的响应，并运用现代技术手段使建筑形态、材料及其使用方式符合当地日照、温度、降雨等地区基础物理条件，探索当地新的地域性建筑表达。通过对建筑空间、气候、资源、技术等因素的设计协同，使建筑物在资源获取、能源消耗及人体舒适度需求之间达成一种平衡。1温暖的挑战以我国河南地区的某一乡村寄宿制小学项目为例进行分析，该项目设计拟满足160名学生及教师的住宿需求。项目总建设规模约为1250m2，整个设计工作的初衷在于应对无集中热源及化石燃料供应的条件，以极低的造价塑造较为舒适的室内热环境，同时杜绝对当地脆弱的生态环境造成破坏。2目标导向的理性决策过程针对严苛的现实与气候条件，暖巢项目设计之初即拟采用被动式太阳能技术，从建筑布局、墙体构造、结构选型、空间布局等角度入手，探索达成采暖零碳排放的途径。从经济性和舒适性两个角度出发，我们希望主要功能房间的冬季室内平均温度应保证人体的生理机能的健康运行，昼夜温度波动不宜过大。在此基础上确定合理的建筑热工性能策划指标，合理地减小建筑的热需求，在环境允许的条件下实现建筑被动式采暖。综合各项要素和条件，设计预计能耗比《民用建筑能耗标准》同气候区同类建筑能耗的约束值至少降低40%；在年平均气温为1.1℃情况下，最冷月室内最低温度高于12℃。围绕此最终指标，在设计的全过程中，BIM模型与性能化模拟同步进行，迭代优化，向设计目标值逐逼近。2.1布局建筑朝向布局的确定是所有太阳能获取途径的有效基础，设计中综合考虑了建筑南北向的得热效率，以及拆除并新建后的校园空间效果，最终选择了南偏东15˚，与原有教学楼成9˚夹角的建筑布局。2.2选材基于设计要求的成本限制及建筑空间对太阳能的蓄热要求，我们希望采用热惰性大的重质复合墙体结构，提高建筑楼地面、屋面内界面、内墙与外墙内界面的蓄热性能。围护结构热惰性越大，建筑物内表面温度受外表面温度波动影响越小[1]。强调热惰性的建筑构件主要指楼地面、屋面内界面、内墙与外墙内界面，而直接接触室外大气的围护结构外界面主要强调隔热能力，形成更高的热阻。高海拔地区交通不便，运输成本较高，设计在可能的前提下就地取材，利用当地容易获得、对环境影响较小的材料。外饰面材料应当充分考虑耐太阳辐射和抗冻融的性能指标，化。综合以上要素，设计最终选择了价廉的砖混结构体系，主材采用当地附近可以提供的页岩实心砖，以利用其兼具经济性、抗震性和蓄热性能的特点。在保温层材料的选择上，采用现场发泡聚氨酯保温层，突出其易于运输，以及高气密性、高性能的特点。由于外墙的传热系数要求较高，此类地区建筑的保温层厚度通常较大，影响保温层及外饰面固定的可靠性与耐久性。夹心墙保温构造能够较大程度地兼顾保温性能与房屋围护结构的耐久性，是一种比较适合高海拔严寒气候特征的技术措施。2.3包裹设计将建筑空间分为核心功能空间和辅助功能空间，以辅助功能空间包裹核心功能空间，保温层尽量贴近核心功能空间区域。将主要的、需全天使用的房间作为核心功能空间，通过性的、仅白天使用的、驻留时间较短的区域作为辅助功能空间。通过对建筑功能得热优先级的区分，保证主要房间拥有最佳的热工性能，在建筑物的布局上，以辅助功能空间在东、西、北三个方向尽量包裹核心功能空间，起到温度缓冲区的作用。针对项目的模拟计算表明，在满足建筑基本使用功能情况下，有效地设置温度缓冲区可以明显地改善建筑室内的热舒适度。应当指出的是，前文中关于室内热工性能的要求，应当适用于核心功能区域，对非核心功能区的热工性能指标，可以在不影响日常使用、设施设备运行安全的前提下适当放宽。2.4形体建筑形体在满足充分获取太阳能的前提下（非体型系数最小），应简洁、规整。为保证建筑南向最大得热面，建筑物南向尽量减少不必要的凹凸变化。顺应建筑的内部功能及流线组织，呈现形体变化，同时避免在室内形成不必要的过于高大的空间，影响室内的温度均匀性和舒适度[2]。2.5洞口与气密性空气对流、交换是建筑内热量散失的一个主要途径。设计过程中，通过对形体风场模拟，获得了建筑周边近零风压区的位置，将建筑的主要出入口布置在此类区域，并设置具有足够进深的门斗空间，防止室内热空气逸散。在建筑围护结构节点设计方面，设计师着重考虑了建筑物的整体气密性，聚氨酯夹芯保温层同时兼作气密层，以期减少冬季冷风渗透，同时避免潮气侵入造成的建筑物发霉、结露等问题发生，提高建筑综合性能。在造价非常紧张的情况下，大部分外门窗仍选用幕墙系统，目的在于提供更佳气密性能、水密性能，保住热能[3]。2.6窗墙比严寒、寒冷地区普遍采用较小的窗墙比，但经过性能化分析后我们发现，在被动式太阳能建筑中，南向的窗墙比与室内温度呈现明显的正相关关系，即南向开窗比例越大，其室内全天平均温度越高。据此，设计在不同的朝向上采用了差异化的设计策略：南向尽可能扩大开窗比例，并将非透明区域的窗间墙设置为集热墙，以最大限度地获取直接受益的太阳能；东、西、北三个方向则仅设满足采光和心理需求的洞口，并采用low-E中空玻璃，减少热量散失。2.7主动热阻调节从原理上，南向围护结构应保证良好的气密性，并实现日间与夜间热工性能的可变。围护结构应在白天尽可能多地获取太阳能，在夜间则形成一个热阻较高的保温界面，防止室内热量的散失。南侧外墙采用直接受益式、集热蓄热墙体与附加阳光间的结合，最大限度开窗，并在无法开窗区域设集热墙系统。集热墙由透明窗、空气间层和实心墙体三部分组成。白天，利用阳光照射到外有玻璃罩的深色蓄热墙体上，加热透明玻璃和墙体外表面之间的空气，通过热压作用使空气流入室内；夜间，关闭内外两层透明玻璃开启扇，同时关闭宿舍内棉窗帘，重质结构储存的热能缓慢释放到室内，形成温暖、稳定的室内小环境。南侧墙体热阻的变化过程，充分考虑了小学宿舍的日常使用模式，让主动调节的过程与学生日常管理的节奏相吻合，降低后期的使用维护成本，并保证措施的持久、有效[4]。【Reference】[1]雷冰宇,钱方.温暖的挑战——气候响应与建筑表达[J].当代建筑,2021(09):16-20.[2]李