可变建筑表皮对建筑能耗及室内环境的影响——以零能耗住宅“自然之间”为例

摘 要

表皮作为物质能量交换界面,通过构件的动态变化,展现出对外界复杂气候的良好适应性,探索可变建筑表皮在建筑节能及室内环境调节方面的能力,为建筑表皮设计提供新的思路具有积极意义。“自然之间”从建筑室内光热环境入手,设计可变遮阳、智能通风、电动窗帘三种形式可变表皮,通过DesignBuilder软件及EMS脚本编辑工具,实现对可变表皮动态反馈机制的控制与性能模拟,结果显示可变表皮相对于普通模式可节能21.9%,相对固定表皮可有效改善室内采光、换气次数,为可变表皮在我国具体气候中的设计应用提供了参考。

关键词

可变建筑表皮;建筑能耗;遮阳;采光;通风


1研究背景

  2017年住建部印发的“十三五”规划明确提出,到2020年,城镇新建建筑能效水平要比2015年提升20%。单纯依靠主动式节能技术已难以达到越来越严格的节能设计标准,而被动式节能技术在建筑设计中的作用则越发凸显。建筑表皮作为室内外的分界面,对建筑能耗起着至关重要的作用。气候适应性建筑表皮能够适应地域气候特点,选择性的隔绝和引入风、光、热等自然因素,调节室内环境;而针对不断变化的气候环境和建筑使用者的需求,具有动态可变特征的可变建筑表皮,在适应气候方面则更加灵活积极,能够实现建筑与外界的良性互动,改善室内环境并提高节能效率。可变建筑表皮由可调节的表皮构件、环境参数感应设备、系统控制设备等组成,是一个综合的系统。根据设计方法的不同,可变建筑表皮可对某一种或多种环境因子进行调节,如热环境、光环境、风环境、雨水、光伏发电、声环境等,并可以根据环境因素的变化规律,采取不同的调节周期,如按季节调节、昼夜调节、实时调节等。

  近年来,随着数字化技术的进步,关于可变建筑表皮的环境分析以及动力学等问题逐渐得到解决,具有气候适应性的可变建筑表皮设计逐渐成为当下的研究热点之一,在建筑立面的应用案例也逐渐增多,例如法国阿拉伯世界研究中心、阿布扎比Al Bahar大厦、德国基弗工艺展厅等等。多年来的研究实践,国内外在从动态学出发的可变表皮设计以及从物理环境出发的适应性表皮设计研究形成了丰富的理论体系,其中Loonen从风、光、热、电4个方面对其进行归纳,Megahed、苗展堂等人则从运动、旋转、缩放以及智能材料等方面进行了总结,均为可变建筑表皮设计策略提供丰富的理论参考。但即使可变建筑表皮在业内逐渐得到专家的认可,市场上却仍以传统表皮设计模式为主导,其主要原因是缺少可靠的数据分析及有效的设计方法。因此Su-JiChoi、Jie Xiong等人通过设置两幢实验房对照分析得动态智能调节的遮阳表皮能够有效降低近48%的建筑能耗并提高室内视觉舒适度;国内李保峰也采用同样实测方法,分析我国夏热冬暖地区建筑表皮在不同状态下的节能效果,推断可出可变建筑表皮具有更佳的气候适应性,但其实验中未实现表皮的自主动态变化。建筑实测能够有力的证明表皮性能,但成本较高,且实验条件受地域、实际天气限制,因此关于可变建筑表皮的性能模拟方法研究也十分重要。对此,Loonen对比分析了EnergyPlus、ESP-r、IDA ICE、IES VE、TRANSYS 5种常用建筑能耗模拟软件在可变建筑表皮上运用的潜能,其指出Energyplus以及附属EMS高级脚本编程工具具有实用性更广、更灵活的优点。此后Julian Wang则阐述此软件模拟运用方法,并基于休斯顿、旧金山、巴尔的摩以及马里兰州等4个城市气候对可变表皮运用在小型办公室上的节能效果进行评价,结果显示其平均可降低约18.2%能耗。除此之外,以EnergyPlus为核心的Grasshopper性能模拟软件Honeybee、Ladybug也被许多研究人员采用,探究可变表皮外在形态变化对建筑室内光环境、热环境的影响。DesignBuilder同样是以EnergyPus为核心开发建筑性能模拟软件,其良好的交互界面及快速的能耗分析能力使其快速普及,且自V5版本引入脚本工具以后,得以实现可变建筑表皮在软件中的应用。

  基于以上,本文将以“自然之间”为对象,从通风、采光、热环境调控策略入手设计可变建筑表皮,并利用Designbuilder以及EMS脚本工具实现表皮对外界环境动态反馈过程,分析其对建筑能耗以及室内物理环境的影响,为可变建筑表皮在我国具体气候中的应用提供参考。


2“自然之间”可变建筑表皮设计理念


  “自然之间”是厦门大学、法国Team Solar Bretagne和山东大学组成的Team JIA+联队参加2018国际太阳能十项全能竞赛的参赛作品,最终获得综合奖第三名(图 1),建筑主体总面积138m2,一层设计有客厅、餐厅、厨房、卫生间以及两间卧室,二层阁楼为儿童房(图 2、3),建筑选址于厦门沙坡尾,设计以闽南的气候环境和区域文化为背景,结合传统民居中被动式绿色节能智慧和现代新型技术手段,实现传统闽南大厝向零能耗住宅的转译。

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图1 “自然之间”鸟瞰图

图2 “自然之间”首层及二层平面图

图3 “自然之间”剖面图

  “自然之间”体形系数为0.25,各朝向窗墙比:南向0.29,北向0.44,东向0.03,西向为0,屋顶0.03,建筑立面及开窗形式如图4所示。为实现降低建筑能耗和改善室内热环境的目的,“自然之间”从遮阳、采光和通风三方面入手,在建筑的不同部位应用了不同形式的可变建筑表皮。“自然之间”各部位的可变表皮设计如表 1所示。


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表1 “自然之间”中的可变表皮设计

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  在建筑主体南侧和西侧外部利用电动折叠百叶、普通电动百叶和竹表皮3种可变表皮形式,围合形成室外围廊,营造人与自然接触的过渡空间,同时降低建筑能耗(图5)。电动折叠百叶位于室内庭院檐口上方,普通电动百叶设于客厅和南侧卧室檐口上方,二者均可根据室外温度、太阳辐射及室内照度改变百叶开启角度(0°~90°),且前者能完全收缩折叠,实现0%~100%的透光率变化,后者透光率变化范围为0%~70%。夏季打开百叶,可减少太阳辐射对室内影响;冬季关闭百叶,可增加室内得热量。

  在围廊立面上部设置了固定竹框,透光率约为50%,在立面下部则采用了可折叠的活动竹门,两者均具有一定遮阳、采光和通风效果,且活动竹门可根据需求进行季节性变化。竹子作为可降解的绿色材料,相对于电动铝制百叶,能减少建筑全生命周期的碳排放量.

  门窗也作为可变建筑表皮调节的内容之一。在内庭院上方设置了电动天窗及外遮阳帘,可根据室外温度、太阳辐射和雨水情况,对庭院遮阳、采光、通风进行智能控制。当室外温度及太阳辐射过高时,关闭天窗、卷帘,减少室内得热;晚上温度较低时开启天窗,利用夜间通风向室外散热。冬季白天利用内庭院的温室效应改善室内环境并储存热量,夜间打开室内门窗,将储存的热量传递给其他各房间(图6)。二层北向电动天窗与客厅、中庭门窗可形成良好的通风路径,利用穿堂风带走室内热量。同时,北向天窗能避免太阳直接辐射的引入自然光线,改善室内照明均匀度。建筑门窗内部均装有电动蜂巢帘,透光度为0.4,可根据温度、辐射、室内照度、眩光等进行智能调控,蜂巢帘中的蜂窝空气层,具有良好隔热、降噪作用。


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图6 “自然之间”可变表皮调控策略示意图

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小A 3 years ago
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