鄒立君 張彤

東南大學建筑學院

空間圍合，容納并限定了人的生活，某種程度來說也是為了更好地進行環(huán)境調控1。正是出于這樣的緣由，從原始棚屋的圍欄到現(xiàn)代主義的中性墻體再到當代集成多種性能的復合表皮（圖1），人們不斷深化并延展充當氣候調控界面的圍護結構在地域環(huán)境與資源組成中的性能意涵和空間層級。圍護結構不只是對不利環(huán)境因素的隔絕與屏蔽，更是基于風、光、熱等環(huán)境要素的選擇性過濾與交互，在能量的保蓄、傳遞和釋放過程中扮演著積極主動的角色。而近年來隨著可持續(xù)理念與綠色建筑的推進，建筑圍護結構在面向未來更多元的建成環(huán)境和空間需求時需要呈現(xiàn)其敏感性、適應性與可調節(jié)性，從而創(chuàng)造出一種在氣候、能量與環(huán)境中實現(xiàn)智能交互和動態(tài)平衡，如生命體般敏感而精確的能量結構。被動式氣候調節(jié)腔層是空間調節(jié)2策略中“交互式表皮3”的一項關鍵技術4，是指在特定氣候條件和建筑內部空間的環(huán)境性能需求下，利用圍護結構在一定厚度或深度內的材質、構件與空間組織設計，對建筑內外風、光、熱等環(huán)境要素進行交互式調控的設計技術。

相較于傳統(tǒng)的幕墻和表皮，這一概念拓展了圍護結構的單一構件意義，以“腔層”的形態(tài)形成具有一定空間氣候梯度的包裹結構。這種緩沖空間摒棄了傳統(tǒng)的隔絕范式，既可以在一定程度下防止各種極端氣候對室內的影響，又可以強化各種微觀氣候調節(jié)的效果，在滿足人們舒適需求的同時，避免一味采用動力設備調控環(huán)境，節(jié)約能源消耗。

被動式氣候調節(jié)腔層對室內環(huán)境的影響很大程度體現(xiàn)在“熱舒適”這一指標上，此外還需均衡采光、視線、功能、美觀的需求。通過建立和研究其對環(huán)境因子的作用機制和原理，可以歸納總結出影響環(huán)境物理性能的被動式氣候調節(jié)腔層的腔層因子和變量關系（圖2）。這8個相關變量分別為可開啟面積比（HWR）、進出風口面積比（S）、導風面方向角（θ）、腔層豎向開孔率（Φ）、腔層深度（D）、窗墻面積比（WWR）、綜合遮陽系數(shù)（SW）和熱質（Q）。這些變量對于被動式氣候調節(jié)腔層的性能表現(xiàn)各有權重，并進一步體現(xiàn)在操作溫度、相對濕度、空氣流速、太陽輻射和室內照度這5項環(huán)境物理參數(shù)5上，在設計階段需結合實際空間體驗與環(huán)境性能需求進行取舍、加權和整合。

1 示范工程概況

華師大鹽城實驗學校教師培訓中心位于鹽城市城南新區(qū)南海未來城核心板塊華東師范大學基礎教育園區(qū)的東北角（圖3，4），是“十三五”重點研發(fā)計劃項目“目標和效果導向的綠色建筑設計新方法及工具”的示范工程。建筑占地面積約2 600m2，總建筑面積11 350m2，主要用于在職教師研學交流、課題研究和綜合培訓等相關工作。項目從2018年3月開始進入設計階段，2019年5月完成擴初設計，同年11月完成施工圖設計，目前正處于施工階段。

1 中性墻體與復合表皮的技術圖示

2 影響環(huán)境物理性能的被動式氣候調節(jié)腔層的腔層因子和變量關系

3 華東師范大學基礎教育園區(qū)總平面

4 華東師范大學基礎教育園區(qū)鳥瞰圖

1.1 氣候特征

鹽城位于江蘇沿海中部，在氣候分區(qū)上屬夏熱冬冷地區(qū)，四季分明、光照充足，年平均氣溫13.9～14.5℃，年降雨量980～1 100mm，平均日照時數(shù)2 241～2 390h，全年無霜期209～218天。由于瀕臨黃海，鹽城季風性氣候特征也較為明顯，以夏季的偏南風和冬季的西北風為主要風向。夏季氣候炎熱、潮濕多雨，最高氣溫37.2℃；冬季氣候寒冷、干燥少雨，最低氣溫-9.2℃；而春秋兩季屬季風轉換期，春季氣候溫和、冷暖變幅較大，秋季天高氣爽、晴日較多。特殊的環(huán)境與氣候促使該地區(qū)的建筑既要滿足夏季防熱、通風降溫，也要兼顧冬季防寒保暖的需求。

1.2 氣候理性設計

5 建筑的上下兩個體量透視

氣候理性設計是指針對當?shù)貧夂蛱卣?，在建筑空間組織、形態(tài)塑造、材料選擇等全方位體現(xiàn)對氣候適應的設計方法，其邏輯源于對氣候與環(huán)境的理解。項目在設計階段充分考慮到鹽城的氣候特性，從多個維度展開了對建筑綠色節(jié)能體系的建構。整個方案可分為上、下兩個體量（圖5），其中地下1層，地上6層。上部4層體量為高度集約的規(guī)整造型，用于教師培訓與住宿，面積5 585m2；下部3層體量由不規(guī)則的斜面覆蓋，一、二層為報告廳、閱覽、門廳、咖啡等公共功能，地下一層為設備用房和車庫，面積共5 765m2。在建筑上下體量之間還貫穿有一個高達34.5m的中庭（圖6），其上小下大的空間形態(tài)有利于激發(fā)熱壓機制下的自然通風，進而可將熱壓通風和低壓置換通風結合，形成有效的混合通風策略。整個建筑通過合理的形體設計與空間組織，能量體形系數(shù)6僅為0.269。

建筑上下相異的形體設計也催生了不同的表皮策略。下部體量采用生態(tài)介質表皮技術（圖7），整體覆蓋厚達35cm的植草屋面，為建筑提供了優(yōu)越的熱絕緣性能，減少了內部空間的能量耗散并形成了舒適的微氣候環(huán)境。上部體量采用被動式氣候調節(jié)腔層技術，對不同朝向的界面進行分類別差異化調控。建筑內部還均布有一套如蟻穴般精密的熱虹吸通風系統(tǒng)（圖8），通過熱壓通風的機制，調控各個房間的室內環(huán)境，從而有效縮短冬夏兩季空調耗能的時長，達到節(jié)能目的。除此之外，還設有采熱天窗、光伏發(fā)電、地源熱泵、太陽能風帽等其他節(jié)能措施，配合智能化的信息收集與管理系統(tǒng)以主被動相結合的方式，集成和優(yōu)化建筑的綠色設計策略和設備系統(tǒng)，打造出個性化、智慧化、節(jié)能型的建筑空間。

6 建筑中庭透視

7 生態(tài)介質表皮

8 熱虹吸通風管腔系統(tǒng)

2 被動式氣候調節(jié)腔層的設計與應用

在建筑上部體量（三至六層）的外圍，依照不同朝向界面所需承擔的氣候調節(jié)功能，分設不同空間深度的氣候緩沖空間——被動式氣候調節(jié)腔層（圖9，10）。其中南向主要為遮陽與采光的可調節(jié)動態(tài)平衡，北向為夏季隔熱、冬季蓄熱以及過渡季自然通風的調節(jié)，東、西兩向主要為日曬屏蔽與高頻貫穿通風。四側腔層共同形成了有序的空間氣候梯度，包裹著核心的使用空間，有效地調節(jié)建筑內部的環(huán)境需求。

9 被動式氣候調節(jié)腔層軸測

10 被動式氣候調節(jié)腔層平面示意

2.1 南立面腔層——光熱動態(tài)平衡

建筑南側的腔層設計是傳統(tǒng)建筑中凹陽臺與涼廊的集合，深陷的陽臺有利于建筑遮擋過多的輻射熱，同時也創(chuàng)造出適宜的室內光環(huán)境。整個南側腔層長64 800mm，高14 500mm，深度為2 300mm。在豎向上根據(jù)各層層高由樓板劃分成4層水平的空間，這些樓板充當了各層空間的“挑檐”角色，而挑檐下方即是類似涼廊的空間（圖11）。每層的腔層在形態(tài)與構造設計上可由外而內分成三個層級：外界面、空氣間層和內界面。

11 南立面腔層

南側腔層的外界面由豎向遮陽隔板、水平向動態(tài)遮陽構件和圍護欄桿組成。豎向隔板的間距為1 800mm，是不同房間和走道開間的最大公約尺寸，以此并列布置形成有序的立面節(jié)奏。而在一些較為開敞的公共空間，部分隔板的間距又會擴大至3 600mm或5 400mm，以滿足視線和采光的需求。豎向隔板采用纖維增強混凝土板，寬900mm、厚200mm，作為屏蔽過多太陽輻射的主要構件。在五、六兩層相鄰的住宿單元外，遮陽隔板的寬度被加長至2 300mm，起到空間分隔的作用。水平的動態(tài)遮陽構件是在豎向隔板遮陽的同時，根據(jù)一天中太陽高度角的變化智能地上下移動來屏蔽熱輻射，其白色光滑的上表面反射的光線也可對室內采光進行補充。水平動態(tài)遮陽構件寬900mm、厚150mm，選擇性地安裝在一些豎向隔板之間，可以對部分研討室、教室、宿舍和報告廳進行個性化調控。水平向動態(tài)構件和豎向固定構件的組合一同構成了南側腔層的第一道交互式界面，對光熱進行平衡調控（圖12），對通風進行引導。

12 南立面腔層光熱平衡遮陽

中部的空氣間層是內外圍護界面之間的緩沖空間，也是建筑與外部環(huán)境間的過渡區(qū)域，同時承擔了公共空間和交通空間的作用。在設計中，結合功能的需求，不同區(qū)段空氣間層的深度也存在差異。培訓和住宿功能的房間對應的空氣間層深度為2 100mm，在兼顧使用空間最大化的同時具有相對較“深”的間層環(huán)境；在核心筒和中庭外對應的區(qū)域，空氣間層的深度擴大到4 500mm和5 600mm，設計有錯層的庭院和微地形景觀，并在外墻上布置立體綠化以增大其熱絕緣性能。這些景觀要素既能吸收過多的輻射熱量，也能形成良好的微氣候環(huán)境，在樓層之間促進熱壓機制下的通風作用，豐富內部空間的體驗。

腔層的內界面直接與內部使用空間相接觸，是對外界面和空氣間層調節(jié)作用的進一步補充，能夠讓腔層整體對室內的調控更為準確和全面。內界面主要由中空Low-E玻璃外窗、立體綠化、木制門扇和外墻加UHPC（高強性能混凝土預制構件）幕墻體系構成（圖13）。中空Low-E玻璃外窗是內界面光與風的通道，其大面積的通透效果最大限度地滿足了室內的采光需求。整個南向腔層在夏季可以很好地遮蔽過多的輻射，達到光熱的平衡，經(jīng)多次反射，進入室內的光線也會變得柔和，避免眩光；在冬季，腔層的緩沖會使建筑內部的供暖空間耗散更少的熱量，從而節(jié)約能耗。

13 南立面腔層內界面

14 夏至日14 時有無南側腔層室內照度對比

15 有無南側腔層全年制熱、制冷與照明能耗對比

16 夏至日10、12、14 時有無南側腔層室內操作溫度對比

17 冬至日10、12、14 時有無南側腔層室內操作溫度對比

從性能模擬結果來看，南側腔層的置入對建筑室內空間的光熱需求進行平衡，有效減少了全年室內的總體能耗。實驗選取兩個對照組，對比分析了有無腔層狀態(tài)下夏至日14時室內的照度分布（圖14），全年制冷、制熱與照明的總體能耗（圖15）和夏至日、冬至日10、12、14時室內的操作溫度（圖16，17）。在對光環(huán)境的影響上，夏至日14時南側腔層組相較于無腔層組室內照度大于300Lux標準的范圍減少了22.4%，這部分在全年需要額外補充的照明能耗為330kW·h；同時南側腔層的遮陽構件又在夏季屏蔽了過多的太陽輻射，使得室內的操作溫度低于無腔層狀態(tài)，這部分所減少的全年制冷能耗為636kW·h，從而平衡并優(yōu)化室內的光熱能耗。在冬至日，腔層開敞的半室外環(huán)境會使得室內操作溫度略低于無腔層組，此時則需要將水平遮陽構件調節(jié)到更高的位置來獲取更多的光熱，從而減少室內的照明與采暖能耗。

2.2 北立面腔層——冬夏季節(jié)平衡

18 北立面腔層

建筑在園區(qū)內的整體布局偏東南方向，因而北立面的朝向并非正北，而是北偏西24°。這也使北立面的腔層面臨著更為復雜的氣候問題，其設計也是四個立面中最為綜合的部分，集中體現(xiàn)了針對夏熱冬冷地區(qū)氣候環(huán)境的調控方式。它既需要在寒冷的冬季減少室內的熱損失，也需要在炎熱的夏季屏蔽西向熱輻射，循環(huán)帶走室內的熱量與濕氣。根據(jù)建筑平面的布置，腔層分三段包裹在住宿、教室等核心空間的外圍。考慮到核心筒體量占據(jù)，部分北向空間則被作為輔助空間，直接由實墻圍合并開有橫向的長窗。兩種形式的界面結合創(chuàng)造出虛實相映的立面節(jié)奏（圖18）。

三段腔層至西向東分別長7 200mm、28 800mm和7 200mm，深1 900mm，高14 400mm，在頂部均設計有可開啟的玻璃天窗用于加熱腔層內部的空氣和豎向通風。不同于南側腔層的開敞，北側腔層是完全封閉的，還在空氣間層的每層樓板上設計有上下交錯布置的寬700mm的矩形洞口，這些洞口在五、六兩層的住宿區(qū)域則更為密集（圖19）。間隔的開洞使得封閉的腔層在樓層之間有了貫通，因而熱量可以逐步傳遞至每一樓層，腔層豎向的通風效應也更為顯著。

19 北立面腔層內界面

北側腔層的外界面由遮陽隔板、橫向遮陽板、玻璃窗和圍護欄桿組成。遮陽隔板寬850mm、厚150mm，采用同南向腔層隔板相同的材質和間隔布置。考慮到對西曬精準且充分的屏蔽，隔板又旋轉了24°來正對西向。相應地，玻璃窗垂直于遮陽隔板布置，在立面上形成了鋸齒形態(tài)。橫向遮陽板厚100mm，以三角形的形態(tài)嵌入在遮陽隔板與外窗之間，并根據(jù)內部對應位置的樓板是否開洞，設置了兩種高度：1 100mm或距離上層樓板底部600mm。圍護欄桿的布置和玻璃窗的布置有兩種類型，也直接與此規(guī)則相關（圖20）。腔層的內界面設計及其組成同南側腔層，幕墻體系實體材料均采用UHPC。

20 北立面腔層外界面的兩種幕墻類型

北立面腔層可在冬季關閉內外界面的窗戶，利用頂部玻璃天窗所接收的太陽輻射對整個腔層的空氣進行升溫，大幅降低室內外溫差，從而減少溫差傳熱的熱損失，節(jié)省采暖能耗，相當于北方的“溫室”。在夏季，開啟頂部天窗，利用煙囪效應使熱空氣自下而上運動并從天窗排出，循環(huán)帶走熱量；而內外界面窗戶同時開啟可利用南北向的風壓進行通風，帶走室內濕熱的空氣，緩和熱能積聚，降低制冷能耗（圖21）。在過渡季節(jié)，腔層可配合建筑內部的熱虹吸自然通風管腔協(xié)同作用，合理地調節(jié)內外環(huán)境。

同樣設置對照組對夏至日與冬至日的10、12、14時室內的操作溫度與全年制冷、制熱能耗進行分析（圖22～24）。結果顯示，在冬季北側腔層內積蓄的熱量可有效減少室內的熱損失，對北向空間保溫并使得室內操作溫度高于無腔層組。在有腔層的狀態(tài)下全年制熱總能耗為13 323kW·h，相較于無腔層狀態(tài)全年制熱總消耗13 545kW·h減少了222kW·h（約1.6%）。在夏季，腔層中面向正西的遮陽隔板可在午后遮擋太陽輻射，使得室內操作溫度大幅低于無腔層組，而此時若打開腔層頂部的天窗與內外界面的窗扇進行熱壓與風壓的通風則可進一步降低室內溫度（圖25，26）。模擬得出有腔層組全年制冷總能耗為7 693kW·h，相比于無腔層組全年制冷能耗8 297kW·h減少604kW·h（約7.3%）。北側腔層的設計可在全年共減少826kW·h的制冷與制熱能耗，從而起到節(jié)能作用。

21 北立面腔層夏季通風與冬季蓄熱

22 有無北側腔層全年制熱與制冷能耗對比

23 夏至日10、12、14 時有無北側腔層室內操作溫度對比

24 冬至日10、12、14 時有無北側腔層室內操作溫度對比

25 南、北側腔層風壓通風下速度場分布

26 南、北側腔層風壓通風下速度場分布

2.3 東、西立面腔層——通風隔熱

建筑的東、西立面需要屏蔽西曬和日出時低角度的太陽輻射熱，同時在夏季引導自然通風帶走圍護結構吸收的熱量，在冬季盡量減少圍護結構的熱損失。在設計中，通過兩側新增的進深為1 800mm的腔體空間，形成中空的雙層實墻來實現(xiàn)對室內的調控（圖27）。

27 東、西立面腔層

腔層的內界面為大面積實墻，僅在每層走廊盡頭依據(jù)層高開有寬1 000mm、高2 400mm或1 350mm的豎向平開窗，用于采光與東西向的通風；外側墻體為固定在結構鋼梁上的UHPC幕墻，在中部和頂部各開有一道細長的洞口，形成“T”形的采光與導風通道。中部的豎向洞口對應室內走廊，寬1 800mm、高13 000mm；頂部的橫向洞口長17 800mm、高600mm，促進腔層內上升的熱空氣從頂部排出?？紤]到當?shù)夭煌竟?jié)的風向，東、西立面的腔層還在南端留有寬400mm、高14 400mm的豎向洞口，引導夏季的偏南風進入腔層帶走熱量；而在北側為防止冬季的偏北風進入腔層造成不必要的能量耗散，豎向洞口被巧妙地隱藏在東、西立面腔層與北立面腔層交接的界面上，寬450mm、高14 400mm，以此在夏季形成“室外—東、西立面腔層—北立面腔層—室外”的通風路徑（圖28）。反之在冬季，腔層內較為穩(wěn)定的氣流則為建筑室內的采暖環(huán)境提供了一層保溫屏障。

28 東、西立面腔層輻射屏蔽與夏季通風

設置對照組對夏至日與冬至日10、12、14時進行模擬，分析腔層西曬屏蔽與保溫的作用，得出全年制冷與制熱能耗（圖29）。結果顯示，在夏季，有腔層組室內的操作溫度要明顯低于無腔層組，且距離腔層越近的房間受到的增益越多（圖30）；腔層中南北向高頻次的通風也可進一步帶走熱量，降低室內溫度（圖31）。此狀態(tài)下全年制冷總能耗為7 950kW·h，相較于無腔層組全年制冷能耗8 297kW·h減少347kW·h（約4.2%）。而在冬季，腔層內穩(wěn)定的氣流環(huán)境對鄰近房間有很好的保溫作用，室內操作溫度要高于無腔層組（圖32），其全年制熱總能耗為12 261kW·h，相比于無腔層組全年制熱能耗13 545kW·h減少了1 284kW·h（約9.5%）。

29 有無東、西側腔層全年制熱與制冷能耗對比

30 夏至日10、12、14 時有無東、西側腔層室內操作溫度對比

31 東、西側腔層夏季風壓通風下溫度場分布

32 冬至日10、12、14 時有無東、西側腔層室內操作溫度對比

3 結語

作為綠色建筑“空間調節(jié)”設計方法的應用和實證示范，華師大鹽城實驗學校教師培訓中心適應當?shù)貧夂蛱卣髋c場地環(huán)境，將建筑的綠色設計思維從降低能耗轉向氣候適應，通過建筑師的形體操作和空間設計，使建筑的環(huán)境調控重新回歸了建筑學的自主性。從建筑的圍護結構層面來看，“被動式氣候調節(jié)腔層”這一概念的引入和技術應用，分別根據(jù)不同的環(huán)境需求與空間差異，在建筑上部體量的四象界面設計了具有相應空間深度的氣候調節(jié)腔層，以被動的方式結合智能化的可調節(jié)構件，在冬冷夏熱的季節(jié)性熱流周期內對光熱進行平衡調控，對氣流進行引導，對能量進行調節(jié)。腔層的存在既有效減少了內部核心空間的能量耗散，在降低全年能耗的情況下營造出舒適的室內環(huán)境，也創(chuàng)造出節(jié)奏鮮明、虛實相映的立面形式特征與美感，為建筑氣候界面的營造開拓了新的思路，也為夏熱冬冷氣候區(qū)低能耗綠色建筑的實踐提供了新的示范。

注釋

1 建筑環(huán)境調控是指建筑通過多種設計手段的整合與優(yōu)化，逐步縮小環(huán)境與人體熱舒適之間的差異，當建筑所處的外部環(huán)境出現(xiàn)較大波動時，仍能通過建筑的調節(jié)使室內環(huán)境處于舒適的熱平衡之中。建筑的環(huán)境調控包含對風、光、熱、濕多種物理環(huán)境的綜合調節(jié)，最終反映到熱環(huán)境與人體舒適上。

2 空間調節(jié)是指建筑師在本專業(yè)范疇內，通過有效的空間組織、合理的體形與構造設計，以空間本身的單體形態(tài)和群體組織來實現(xiàn)對室內外環(huán)境的性能化調節(jié)，從而提高建筑使用舒適度和健康度，減少能耗，是基于可持續(xù)性環(huán)境目標的性能導向設計手段。

3 交互式表皮是指針對特定地區(qū)的氣候特征與環(huán)境條件，在建筑設計中通過對圍護結構的材料、構造、形態(tài)與組織方式的設計，從而調控室內外的物理環(huán)境、提高舒適度、減少能源消耗的設計策略與技術。建筑圍護結構的性能肌理與交互式表皮設計策略是綠色建筑“空間調節(jié)”理論的重要組成部分。

4 交互式表皮設計直接指向四項關鍵技術:被動式氣候調節(jié)腔層、熱質動態(tài)調蓄、生態(tài)介質表皮和光熱平衡遮陽。

5 環(huán)境物理參數(shù)是參考維克多·奧戈雅（Victor Olgyay）提出的“人體與氣候因子關系圖”和“生物氣候圖”，歸納出對人體舒適度產(chǎn)生影響的環(huán)境物理參數(shù)，總結為操作溫度、相對濕度、空氣流速、太陽輻射和室內照度五項。

6 能量體形系數(shù)不同于傳統(tǒng)的建筑形體系數(shù)（建筑物的外表面積和外表面積所包的體積之比），是指建筑熱交換界面面積與耗能空間體積的比值，是影響建筑物耗熱量指標的重要因素之一，是建筑節(jié)能設計的重要指標。能量體形系數(shù)越大，單位建筑面積對應的外表面積越大，外圍護結構的傳熱損失越大，能耗就越多。

圖片來源

圖1 來源于文獻[1，2]；圖2 根據(jù)文獻[12]整理繪制；圖3，7～13，18～21，27，28 為作者根據(jù)資料繪制；圖4～6 為東南大學建筑學院張彤教授工作室資料；圖14～17，22～24，29，30，32 由作者模擬得出（軟件選用Ladybug、Honeybee、EnergyPlus、Radiance）；圖25，26，31 由仲文洲提供。