溫暖的挑戰(zhàn)-氣候響應(yīng)與建筑表達(dá)

溫暖的挑戰(zhàn)-氣候響應(yīng)與建筑表達(dá)

【Summary】本文以河南某小學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐為例，關(guān)注氣候響應(yīng)和建筑性能的理性建筑設(shè)計(jì)過(guò)程，探索在建筑與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)中尋找恰當(dāng)?shù)慕ㄖ磉_(dá)和技術(shù)組合，并據(jù)此形成一種不斷演進(jìn)的、富有活力的地域性特征的途徑?！娟P(guān)鍵】溫暖；氣候相應(yīng)；建筑表達(dá)如今建筑物在建設(shè)與使用過(guò)程中所耗能源已是全球能源消耗的重要部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)建筑相關(guān)能源消耗已占我國(guó)年能耗總值的近半比例，且有逐年上升的趨勢(shì)。在環(huán)境問(wèn)題凸顯，可持續(xù)發(fā)展、低碳排放目標(biāo)成為社會(huì)共識(shí)的今天，建筑理應(yīng)重新關(guān)注對(duì)氣候的響應(yīng)，并運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)手段使建筑形態(tài)、材料及其使用方式符合當(dāng)?shù)厝照?、溫度、降雨等地區(qū)基礎(chǔ)物理?xiàng)l件，探索當(dāng)?shù)匦碌牡赜蛐越ㄖ磉_(dá)。通過(guò)對(duì)建筑空間、氣候、資源、技術(shù)等因素的設(shè)計(jì)協(xié)同，使建筑物在資源獲取、能源消耗及人體舒適度需求之間達(dá)成一種平衡。1溫暖的挑戰(zhàn)以我國(guó)河南地區(qū)的某一鄉(xiāng)村寄宿制小學(xué)項(xiàng)目為例進(jìn)行分析，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)擬滿足160名學(xué)生及教師的住宿需求。項(xiàng)目總建設(shè)規(guī)模約為1250m2，整個(gè)設(shè)計(jì)工作的初衷在于應(yīng)對(duì)無(wú)集中熱源及化石燃料供應(yīng)的條件，以極低的造價(jià)塑造較為舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，同時(shí)杜絕對(duì)當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境造成破壞。2目標(biāo)導(dǎo)向的理性決策過(guò)程針對(duì)嚴(yán)苛的現(xiàn)實(shí)與氣候條件，暖巢項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初即擬采用被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)，從建筑布局、墻體構(gòu)造、結(jié)構(gòu)選型、空間布局等角度入手，探索達(dá)成采暖零碳排放的途徑。從經(jīng)濟(jì)性和舒適性兩個(gè)角度出發(fā)，我們希望主要功能房間的冬季室內(nèi)平均溫度應(yīng)保證人體的生理機(jī)能的健康運(yùn)行，晝夜溫度波動(dòng)不宜過(guò)大。在此基礎(chǔ)上確定合理的建筑熱工性能策劃指標(biāo)，合理地減小建筑的熱需求，在環(huán)境允許的條件下實(shí)現(xiàn)建筑被動(dòng)式采暖。綜合各項(xiàng)要素和條件，設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)能耗比《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》同氣候區(qū)同類(lèi)建筑能耗的約束值至少降低40%；在年平均氣溫為1.1℃情況下，最冷月室內(nèi)最低溫度高于12℃。圍繞此最終指標(biāo)，在設(shè)計(jì)的全過(guò)程中，BIM模型與性能化模擬同步進(jìn)行，迭代優(yōu)化，向設(shè)計(jì)目標(biāo)值逐逼近。2.1布局建筑朝向布局的確定是所有太陽(yáng)能獲取途徑的有效基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)中綜合考慮了建筑南北向的得熱效率，以及拆除并新建后的校園空間效果，最終選擇了南偏東15?，與原有教學(xué)樓成9?夾角的建筑布局。2.2選材基于設(shè)計(jì)要求的成本限制及建筑空間對(duì)太陽(yáng)能的蓄熱要求，我們希望采用熱惰性大的重質(zhì)復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)，提高建筑樓地面、屋面內(nèi)界面、內(nèi)墻與外墻內(nèi)界面的蓄熱性能。圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性越大，建筑物內(nèi)表面溫度受外表面溫度波動(dòng)影響越小[1]。強(qiáng)調(diào)熱惰性的建筑構(gòu)件主要指樓地面、屋面內(nèi)界面、內(nèi)墻與外墻內(nèi)界面，而直接接觸室外大氣的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外界面主要強(qiáng)調(diào)隔熱能力，形成更高的熱阻。高海拔地區(qū)交通不便，運(yùn)輸成本較高，設(shè)計(jì)在可能的前提下就地取材，利用當(dāng)?shù)厝菀撰@得、對(duì)環(huán)境影響較小的材料。外飾面材料應(yīng)當(dāng)充分考慮耐太陽(yáng)輻射和抗凍融的性能指標(biāo)，化。綜合以上要素，設(shè)計(jì)最終選擇了價(jià)廉的磚混結(jié)構(gòu)體系，主材采用當(dāng)?shù)馗浇梢蕴峁┑捻?yè)巖實(shí)心磚，以利用其兼具經(jīng)濟(jì)性、抗震性和蓄熱性能的特點(diǎn)。在保溫層材料的選擇上，采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡聚氨酯保溫層，突出其易于運(yùn)輸，以及高氣密性、高性能的特點(diǎn)。由于外墻的傳熱系數(shù)要求較高，此類(lèi)地區(qū)建筑的保溫層厚度通常較大，影響保溫層及外飾面固定的可靠性與耐久性。夾心墻保溫構(gòu)造能夠較大程度地兼顧保溫性能與房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性，是一種比較適合高海拔嚴(yán)寒氣候特征的技術(shù)措施。2.3包裹設(shè)計(jì)將建筑空間分為核心功能空間和輔助功能空間，以輔助功能空間包裹核心功能空間，保溫層盡量貼近核心功能空間區(qū)域。將主要的、需全天使用的房間作為核心功能空間，通過(guò)性的、僅白天使用的、駐留時(shí)間較短的區(qū)域作為輔助功能空間。通過(guò)對(duì)建筑功能得熱優(yōu)先級(jí)的區(qū)分，保證主要房間擁有最佳的熱工性能，在建筑物的布局上，以輔助功能空間在東、西、北三個(gè)方向盡量包裹核心功能空間，起到溫度緩沖區(qū)的作用。針對(duì)項(xiàng)目的模擬計(jì)算表明，在滿足建筑基本使用功能情況下，有效地設(shè)置溫度緩沖區(qū)可以明顯地改善建筑室內(nèi)的熱舒適度。應(yīng)當(dāng)指出的是，前文中關(guān)于室內(nèi)熱工性能的要求，應(yīng)當(dāng)適用于核心功能區(qū)域，對(duì)非核心功能區(qū)的熱工性能指標(biāo)，可以在不影響日常使用、設(shè)施設(shè)備運(yùn)行安全的前提下適當(dāng)放寬。2.4形體建筑形體在滿足充分獲取太陽(yáng)能的前提下（非體型系數(shù)最?。?，應(yīng)簡(jiǎn)潔、規(guī)整。為保證建筑南向最大得熱面，建筑物南向盡量減少不必要的凹凸變化。順應(yīng)建筑的內(nèi)部功能及流線組織，呈現(xiàn)形體變化，同時(shí)避免在室內(nèi)形成不必要的過(guò)于高大的空間，影響室內(nèi)的溫度均勻性和舒適度[2]。2.5洞口與氣密性空氣對(duì)流、交換是建筑內(nèi)熱量散失的一個(gè)主要途徑。設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)形體風(fēng)場(chǎng)模擬，獲得了建筑周邊近零風(fēng)壓區(qū)的位置，將建筑的主要出入口布置在此類(lèi)區(qū)域，并設(shè)置具有足夠進(jìn)深的門(mén)斗空間，防止室內(nèi)熱空氣逸散。在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)師著重考慮了建筑物的整體氣密性，聚氨酯夾芯保溫層同時(shí)兼作氣密層，以期減少冬季冷風(fēng)滲透，同時(shí)避免潮氣侵入造成的建筑物發(fā)霉、結(jié)露等問(wèn)題發(fā)生，提高建筑綜合性能。在造價(jià)非常緊張的情況下，大部分外門(mén)窗仍選用幕墻系統(tǒng)，目的在于提供更佳氣密性能、水密性能，保住熱能[3]。2.6窗墻比嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)普遍采用較小的窗墻比，但經(jīng)過(guò)性能化分析后我們發(fā)現(xiàn)，在被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑中，南向的窗墻比與室內(nèi)溫度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，即南向開(kāi)窗比例越大，其室內(nèi)全天平均溫度越高。據(jù)此，設(shè)計(jì)在不同的朝向上采用了差異化的設(shè)計(jì)策略：南向盡可能擴(kuò)大開(kāi)窗比例，并將非透明區(qū)域的窗間墻設(shè)置為集熱墻，以最大限度地獲取直接受益的太陽(yáng)能；東、西、北三個(gè)方向則僅設(shè)滿足采光和心理需求的洞口，并采用low-E中空玻璃，減少熱量散失。2.7主動(dòng)熱阻調(diào)節(jié)從原理上，南向圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)保證良好的氣密性，并實(shí)現(xiàn)日間與夜間熱工性能的可變。圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)在白天盡可能多地獲取太陽(yáng)能，在夜間則形成一個(gè)熱阻較高的保溫界面，防止室內(nèi)熱量的散失。南側(cè)外墻采用直接受益式、集熱蓄熱墻體與附加陽(yáng)光間的結(jié)合，最大限度開(kāi)窗，并在無(wú)法開(kāi)窗區(qū)域設(shè)集熱墻系統(tǒng)。集熱墻由透明窗、空氣間層和實(shí)心墻體三部分組成。白天，利用陽(yáng)光照射到外有玻璃罩的深色蓄熱墻體上，加熱透明玻璃和墻體外表面之間的空氣，通過(guò)熱壓作用使空氣流入室內(nèi)；夜間，關(guān)閉內(nèi)外兩層透明玻璃開(kāi)啟扇，同時(shí)關(guān)閉宿舍內(nèi)棉窗簾，重質(zhì)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存的熱能緩慢釋放到室內(nèi)，形成溫暖、穩(wěn)定的室內(nèi)小環(huán)境。南側(cè)墻體熱阻的變化過(guò)程，充分考慮了小學(xué)宿舍的日常使用模式，讓主動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程與學(xué)生日常管理的節(jié)奏相吻合，降低后期的使用維護(hù)成本，并保證措施的持久、有效[4]?！綬eference】[1]雷冰宇,錢(qián)方.溫暖的挑戰(zhàn)——?dú)夂蝽憫?yīng)與建筑表達(dá)[J].當(dāng)代建筑,2021(09):16-20.[2]李