基于气候适应与舒适性的零能耗建筑被动式设计:以新加坡国立大学零能耗教学楼为例 | 赵秀玲,等 | 时代建筑2019年第4期

原标题:基于气候适应与舒适性的零能耗建筑被动式设计:以新加坡国立大学零能耗教学楼为例 | 赵秀玲,等 | 时代建筑2019年第4期

基于气候适应与舒适性的零能耗建筑被动式设计

以新加坡国立大学零能耗教学楼为例

Passive Design Strategies of Net Zero Energy Building Based on the Climate Adaptability and Thermal Comfort

Taking the NUS SDE4 as an Example

赵秀玲 刘少瑜 王轩轩

ZHAO Xiuling, Stephen Siu-Yu LAU, WANG Xuanxuan

Abstract

零能耗建筑是最具能效策略挑战性的设计。文章从零能耗建筑的定义和概念要素出发,以新加坡国立大学零能耗教学楼设计为例,基于被动式设计,从建筑的气候适应性、舒适度设定与使用者行为等方面进行分析,并通过建筑内开敞空间舒适度实测,对其应用的能源策略和营造的健康环境进行深入解析,为中国实践零能耗建筑设计提供具有积极意义的参考与借鉴。

南侧视角

项目名称:新加坡国立大学零能耗教学楼

项目地点:新加坡

建筑面积:8 514

层数:6层

用地面积:5 044

建筑覆盖率:52.6%

委托人/物主/开发商: Office of Estate Development (OED), NUS

建筑设计公司: Surbana Jurong Consultants Pte. Ltd.

首席建筑师: Owen Wee Lian Choo (QP)

室内设计公司: Serie+Multiply Consultants Pte. Ltd.

首席室内设计师: Christopher Lee (Serie Architects, London)

土木和结构工程: Surbana Jurong Consultants Pte. Ltd.

机械和电力工程: Surbana Jurong Consultants Pte. Ltd.

质量监管: Surbana Jurong Consultants Pte. Ltd.

景观设计: Surbana Jurong Consultants Pte. Ltd.

灯光咨询: LPA

零能耗咨询机构: Transsolar Klima Engineering

主要建造商:Kajima Overseas Asia Pte. Ltd. (KOA)

1 零能耗建筑

1.1 零能耗建筑定义及发展

零能耗建筑一词及相关定义从最早提出,到被各国科研界广泛重视和开展,经历了四十余年的发展过程。随着太阳能供热技术、能源管理系统等技术的不断升级,其定义的内涵和外延也在不断变化,很难给出一个确定通用的定义。根据不同国家的气候、经济及政治条件,目前有多种不同的零能耗建筑定义和框架,主要区别在于对零能耗的计算条件的限定及衡量指标,多个国家均设定了适应本国零能耗建筑推进的能效指标(表1)[1-8]。欧洲主要通过被动式技术来实现“近零能耗建筑”的目标,欧洲各国近年来较多推行的近零能耗建筑反映出较强的可能性与实施前景。美国零能耗建筑定义发展相对完善,其技术路径更为重视对可再生能源的利用,着重于能源系统的效率以及光伏发电和分布式能源等方面,这与其可再生能源丰富,技术水平高度发展密不可分。亚洲国家实施零能耗建筑策略相对较晚,但已经开始快速实施并制定了可行的能效指标。相较于被动式建筑,“零能耗建筑”追求的目标更高,技术路线更为丰富,在加入主动式技术和可再生能源后,建筑所能适应的气候区域更广,对于能耗较高的公共建筑更易于实现。

表1. 不同国家和地区对零能耗建筑的定义及相关内容

东侧远眺

1.2 零能耗建筑适应性实践与挑战

设计零能耗建筑是当前最具挑战性的能效策略,一年内建筑所需的所有能耗均由其自身场地内生成的能源供应。随着能效系统、建造技术和可再生能源系统的不断发展,建造零能耗建筑已成为现实。零能耗建筑仍会与电网相连,在可再生能源不能满足需要时,可由传统能源(天然气、电力等)供给零能耗建筑的能耗需求,相反,当零能耗建筑自身生成的能源多出需求时则会将多余的电能输入电网系统,其目标是全年的能耗与自身产生的能源相当。

西北视角

零能耗建筑的实践受到多种要素的影响,气候条件、建筑围护、朝向、设备效率、使用者适应性和行为方式等都会对能耗产生不同程度的影响,因此,零能耗建筑的实践必须综合考虑各种因素及相互关系,充分利用环境条件、最大程度降低建筑耗能,并将用户的协同管理有效地融入建筑使用过程中,才能高效地实现零能耗设计的运行目标。

遮阳大屋顶

景观生态绿地俯视

2 零能耗建筑的被动式设计

零能耗建筑始于被动式设计。零能耗基于以下两个方面实现,一是建筑能耗需求,二是利用可再生能源产生能够满足需求的能源。因此,降低能耗需求和提高产能是零能耗建筑的设计关键。被动式设计是零能耗建筑设计的基础,将直接影响建筑机械和电力系统的用能荷载,同时间接影响可再生能源的产能潜力。零能耗建筑的设计方法可由设计层级图表示,即第一层级应使用被动式设计降低建筑能耗需求,(内圈);第二层级是当需要使用人工照明和采暖制冷需要时,采用更高效的能效系统(中圈);第三层级为利用可再生能源产能以抵消照明、采暖和制冷的能耗[9]。通过适宜的被动式可持续设计可以有效地降低建筑采光、通风和采暖的需求。

NZEB设计层级图

2.1 气候适应性

能源科学词典中对被动式设计的定义为:“利用当地环境条件和适宜材料,以助于维持舒适温度的建筑设计方法,如通过使用蓄热体、遮阳、朝向、自然通风、隔热等实现非机械设备致凉,利用太阳能、保温、蓄热体等实现自然采暖。”[10]由此可见,利用气候和环境条件是被动式设计的基础,气候适应性是被动式设计的关键。被动式设计中针对太阳能的设计主要是基于利用的目的(如采暖、致凉、采光等)和相关的策略(如收集、遮挡、控制等),主要取决于建筑所处的地理位置和气候特征。气流的组织与利用也是被动式设计的重要部分,针对不同的气候特点及建筑需求,巧妙地利用风的作用可以有效改善舒适性并降低建筑能耗需求。

2.2 舒适度设定与行为方式

被动式设计中结合使用者的舒适度范围和适应性行为等因素,同样可以显著降低建筑所需能耗。

热舒适水平和设定值对能源使用强度具有一定影响。舒适条件由环境和个体两个方面因素综合体现,其中环境因素包括温度、相对湿度、风速和热辐射温度,个体因素包括行为、衣着、新陈代谢率等。人的因素中未将个体期望值、适应性和忍受力包含其中,是因为这几项因素因国家、区域、文化的不同而差异很大。适当扩展舒适度范围则可依据所在地的人群习惯和文化,设定适宜的舒适度数值。欧美国家的人群对室内舒适性的可接受范围较小,往往不愿意牺牲舒适性而节能,因此节能策略主要为提高设备系统效率。相比而言,在亚洲国家,如中国、印度等,人们对室内舒适度有较宽泛的接受度。在一项针对印度干热气候条件的研究显示,舒适温度可以在26℃~32.45℃之间,这个范围已经超出印度规范中的室内舒适范围[11]。中国学者在研究国内人群舒适度范围时,将美国的舒适度范围20℃~24℃扩展为16℃~29℃[12],可大大降低建筑中的能耗需求。

不同国家的能源消耗行为也存在很大差别。控制运行时段可大大降低能耗,措施包括制定合理的设备运行时段,如周末和假日期间关闭设备,或每日晚间关闭不必要的设备,以及随时关闭不需要的照明或电器等。日本学者研究人的行为以确定舒适度范围,显示饮用更多的水可以帮助人们适应更高的夏季气温[13]。在湿热气候条件下,人为控制风扇也可以扩展舒适度范围,使可接受的舒适温度高达30℃[14]

3 热带气候适应性零能耗教学建筑——SDE4

新加坡地处热带,常年高温多雨,建筑的空调制冷能耗很高,这些条件对实践零能耗建筑带来了一定的挑战。2019年初,新加坡第一座零能耗建筑投入使用,该建筑充分运用被动式设计手段,在校园内营造了一处与自然和谐共融的空间,并为使用者提供了舒适的室内外环境。

3.1 概述

新加坡国立大学设计与环境学院(School of Design and Environment,NUS)零能耗楼(下文简称“SDE4”)是首个在可持续环境中以人为本地整合健康建筑和绿色建筑的设计。SDE4位于肯特岗校区,是在原有三幢教学楼用地附近扩建的示范性教学空间,自2016年11月开始建设,2019年2月投入使用,为建筑学、室内设计、景观和工业设计等专业设有实验室、设计教室和工作室。该建筑不仅可以在未来20年间实现能源自给自足,还将在未来10年内为市政电网补充电能。建筑设计除了应对零能耗挑战外,着重为创新、协同性的学习和研究过程营建适宜的空间,同时,向学生展示设计中的可持续思想。该建筑获得新加坡绿建标识最高的白金认证,同时正在申请“国际WELL建筑协会”WELL建筑标准认证。

3.2 体型设计

SDE4是基于气候响应设计的零能耗建筑,其建筑形态体现了对热带气候的深入分析与适应。建筑巨大的出挑屋顶和东西两侧的双层立面,用于遮挡各方向的太阳辐射,南向的大型出挑屋顶阻挡了可能使内部空间升温的太阳辐射,东西立面外表皮的穿孔铝板保护玻璃外围护免受直接的太阳辐射。建筑设计中使用“漂浮盒子”的概念,减小空间进深,增强布局的通透性,实现了最大化的自然通风,空调仅在需要时使用,在天气适宜时,大部分房间都可开启落地窗进行自然通风。各层不同尺度的通透空间穿插于建筑体块之间,这些半室外空间如同传统热带建筑中的凉廊,起到热缓冲区和社交空间的作用。遮阳大屋顶和通透的空间设计,实现了利用太阳能、混合致凉措施、有效自然通风、优化自然采光,以及能量使用等多项目标。各个教学空间可以实现不同程度的开敞以提供不同的采光和通风要求,从而适应变化的环境和活动,同时为身处其中的教职工、学生提供了与自然共融的空间体验。

体型设计示意图

3.3 能源策略

SDE4的能源策略是基于整年中建筑的用电消耗和发电量趋于平衡,从而实现零能耗。相对于传统建筑,SDE4使用了组合策略减少能源需求,主要包括四个能源策略,具体内容参见表2。被动式策略主要通过前述的体型整合设计,优化遮阳和通风,降低建筑能耗需求。创新的混合致凉系统在减少年度总能源需求方面起到了重要作用。建筑物的形式允许充足的自然光进入空间,结合使用节能照明和其他电气装置,可以显著减少照明耗能和相关能源负荷。

表2. SDE4零能耗设计策略

遮阳屋顶和生态绿地

南侧立面开启的落地窗

二层平面

三层平面

在新加坡这样的热带城市,空调系统能耗通常占到建筑总能耗的60% 。SDE4的零能耗整体概念基于当地人群的热感觉和热舒适接受范围,重新考量空调系统,采用了混合致凉系统,将室内空调启动的设定温度提高到27℃,并结合风扇与空调构成混合式致凉系统,可以使室内空间不至于过度制冷。当室内空气温度和湿度高于设定值时,空调系统将供应冷却空气,同时风扇速度加快空气流动。该系统结合适应热带气候的被动式建筑设计策略,在节能的同时提供了舒适的空间环境。SDE4建筑还具有多项智慧能源管理系统,室内窗户装有感应器,当窗户开启时,传感器就会自动关闭空调系统。SDE4设计中出挑的大屋顶在遮阳的同时,为1 225块太阳能光电板提供了安装面积,每年可为建筑提供500 MWh电能,与建筑年耗能相当。当日间天气情况不能有效供能时,建筑则使用电网供电;天气良好时,光电板的多余电量会补充电网。

综合设计策略

3.4 健康环境营造

健康环境营造包括建筑内环境和建筑周边环境的品质。

SDE4将成为新加坡国立大学第一座获得WELL认证的建筑。WELL建筑标准将设计和施工的最佳实践、健康和保健的循证干预措施相结合,它利用建造环境,为人类健康、保健和舒适性提供支持,从而打造能够改善使用者营养、健康、情绪、睡眠、舒适性和绩效的建造环境。这在一定程度上要通过实施各项策略、计划与技术实现,这些策略、计划与技术旨在鼓励健康、积极的生活方式,并减少使用者与有害化学物质和污染物的接触。SDE4的动态设计中具有鼓励运动的开放空间,能够促进使用者进行运动并减少久坐行为。如整个建筑以位于中心的大楼梯和延伸的公共空间为核心,货运电梯和消防电梯分别位于建筑两端,以鼓励使用者使用楼梯而非电梯解决日常垂直交通,在倡导健康运动方式的同时有效降低能耗。

场地周边环境的品质通过优化组织和设计,将绿化、水和社区交流无缝融合,创造以水为核心的活动、教学和研究空间。雨水收集结合生态景观设计形成自然生物净化系统,营造健康的周边环境。该设计是由新加坡国家水务局(PUB)开发的“活跃、美丽、洁净”(Active,Beautiful,Clean Waters,下文简称“ABC”水计划),作为ABC水计划设计特色的一部分,设计使用自然净化工艺改善水质,同时增强景观的美学和生物多样性。雨水通过大屋顶收集,屋顶雨水径流的1/3输送到室外生物滞留水池,既可减缓雨水冲刷,也有修饰景观的作用,这种低维护的自然系统通过生物过滤和生物吸收提供有效的雨水径流处理。雨水径流的2/3储存在位于建筑六层的雨水收集池中,用于冲洗和灌溉,能满足建筑四天的非饮用水需求。雨水收集和生物滞留水池的整合设计不仅降低了流速和峰值流量排放,还改善了雨水质量,促进了生物多样性并为周围景观环境增添了活力。SDE4场地内保留的乔木为建筑物提供了多层次遮阳,缓解了城市热岛效应,有利于降低噪音,提高空气质量。

雨水收集与生态绿地系统

3.5 空间舒适性测度

对零能耗建筑的后评估研究显示,零能耗建筑可以在显著降低能耗、减小对周围环境影响的基础上保持良好的舒适度水平。有学者研究结果表明,即使在热带地区,教学、科研建筑同样可以通过被动式设计(自然通风、自然采光等)而非使用空调为使用者提供舒适的空间环境条件[15]。SDE4在综合运用了多种能源策略的基础上,力求为使用者营造全方位健康、舒适的使用环境。其室内空间温度设定为27℃~28℃,当被动式手段无法满足致凉要求时,会启动空调系统降低室内温度。而建筑中的开放公共空间的舒适性则主要依赖于被动式建筑设计策略,以实现热舒适。

雨水收集滞留水池

东侧遮阳缓冲空间

大楼梯

为了检验SDE4建筑内开放空间的实际舒适性状况,笔者选取典型日(2019年2月12日)进行了实测,并对收集到的数据进行分析、比较。实测中设置了四个测点位置,分别位于室外草坪、西侧遮阳廊、三层通透平台、六层绿化平台,实测相关数据参见表3。分析结果以生理等效温度(PET)作为舒适度指标,结果显示,与较近的气象站数据相比,建筑内三处测点位置的舒适性均有显著提高,特别是三层通透平台测点的舒适度最好。根据曼特若克斯(Matzarakis)等研究者制定的(亚)热带地区热感觉分类表[16],气象站数据的热舒适状况处于“暖(34℃~38℃)”时,三层通透平台实测计算出的生理等效温度为30.3℃,非常接近热中和温度范围(26℃~30℃),其他两处开敞空间也都处于较为舒适的“稍暖(30℃~34℃)”感觉,而位于室外草坪的测点,由于一直处于太阳直射下,实测时段内舒适度较差,热感觉为“非常热(大于42℃)”。

表3. SDE4开敞空间测点和气象站数据

注:1、实测数据为2019年2月12日10:42~17:02间数据,每10分钟记录一次;

2、气象站数据来源:https://www.weather.org/weather-history/

笔者将实测有效时段的数据逐一标记在焓湿图中,图中显示了四处测点和气象站数据的舒适性分布,黄色框范围为无风条件下温、湿度限定的舒适范围,红色框范围为通过自然通风可以达到的舒适范围。数据显示,当气象站和室外草坪测点数据大部分处于利用自然通风可达到的舒适范围外时,建筑体块内的开敞空间均可以基本处于利用自然通风可达到的舒适范围附近,特别是三层通透大平台全天实测数据均处于舒适范围内,六层平台因窗户遮挡通风效果受限,一部分时段处于舒适范围以外,但也明显优于气象站和室外太阳直射区域。

焓湿图舒适范围和实测数据分布图

实测数据分析结果说明,通过被动式设计策略,建筑内的开放公共空间舒适度能够达到良好的预期效果。

纵剖面

4 结语

面临全球气候变暖和能源危机,推行和制定零能耗建筑实施步骤和战略已在全世界范围内展开。中国也从最初推行的被动式低能耗建筑,到2017年住房和城乡建设部《建筑节能与绿色建筑十三五规划》,提出积极开展超低能耗建筑、近零能耗建筑建设示范,提炼规划、设计、施工、运行维护等环节共性关键技术,引领标准提升进程,在具备条件的园区、街区推动超低能耗建筑集中连片建设,鼓励开展零能耗建筑建设试点。2019年1月,国家标准《近零能耗建筑技术标准》颁布,自2019年9月起实施,明确了建筑节能计算基数以 2016 年建筑节能标准为新的基点,面向 2050 年,提出超低能耗、近零能耗、零能耗建筑的定义和相互关系,引领未来发展。

中国幅员辽阔,跨越多个气候区域,新加坡零能耗建筑的实践与经验,为中国(亚)热带气候区域提供了极具意义的借鉴与参考。

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[16] Lin TP, Matzarakis A. Tourism Climate and Thermal Comfort in Sun Moon Lake, TaiWan. Int [J]. Biometeorol, 2008, 52:281-290.

完整深度阅读请参见《时代建筑》2019年第4期 新引擎:引领城市群发展的国家级新区与新城,赵秀玲、刘少瑜、王轩轩《基于气候适应与舒适性的零能耗建筑被动式设计:以新加坡国立大学零能耗教学楼为例》,未经允许,不得转载。

作者单位:苏州大学建筑系、新加坡国立大学设计与环境学院

作者简介:赵秀玲,女,苏州大学建筑系 讲师,博士,国家一级注册建筑师,新加坡国立大学设计与环境学院访问学者;刘少瑜,男,新加坡国立大学设计与环境学院 教授,香港注册建筑师,中国一级注册建筑师;王轩轩,女,苏州大学建筑系 本科生

完整深度阅读请参见《时代建筑》2019年第4期 新引擎:引领城市群发展的国家级新区与新城,赵秀玲、刘少瑜、王轩轩《基于气候适应与舒适性的零能耗建筑被动式设计:以新加坡国立大学零能耗教学楼为例》,未经允许,不得转载。

作者单位:苏州大学建筑系、新加坡国立大学设计与环境学院

作者简介:赵秀玲,女,苏州大学建筑系 讲师,博士,国家一级注册建筑师,新加坡国立大学设计与环境学院访问学者;刘少瑜,男,新加坡国立大学设计与环境学院 教授,香港注册建筑师,中国一级注册建筑师;王轩轩,女,苏州大学建筑系 本科生返回搜狐,查看更多

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