零能耗建筑：新型太陽能設(shè)計(jì)

引言

第一章：培養(yǎng)生態(tài)理念促進(jìn)生態(tài)愿景

第一所LivingHome預(yù)制房屋模型/美國，加利福尼亞，圣莫尼卡

/雷·卡皮建筑師事務(wù)所與LivingHomes公司

金斯潘住宅/英國，哈福德郡，沃特福德，英國建筑

研究院有限公司（BRE）創(chuàng)新園

/謝潑德·羅布森建筑設(shè)計(jì)公司，艾倫·希格勒和馬丁·羅斯

第二章：被動(dòng)式設(shè)計(jì)優(yōu)先

施里堡太陽能小區(qū)/德國，弗萊堡

/羅爾夫·迪希建筑師事務(wù)所

奧爾多·利奧波德遺產(chǎn)中心/美國，威斯康辛州，巴拉布市

/庫巴拉·沃沙特卡建筑師事務(wù)所

第三章：定義一種“足夠的”行為準(zhǔn)則

蒂姆和卡倫·?？松ㄕ畭{谷）游客中心

/美國，得克薩斯州，赫洛茨/Lake︱Flato建筑師事務(wù)所

SOLTAG節(jié)能示范住宅/丹麥，豪斯荷姆（為北歐設(shè)計(jì)的住宅原型）/尼爾森和

盧堡及其合伙人、Cenergia能源咨詢公司、KubenByfornyelse丹麥有限公司

及威盧克斯丹麥公司

第四章：應(yīng)用反應(yīng)度靈敏的表皮

洛扎克房屋/澳大利亞，北部地區(qū)，班奈特湖

/特魯坡建筑師事務(wù)所，艾德里安·沃克

2015年住宅原型——德國制造/德國，達(dá)姆施塔特

/德國，達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)，太陽能十項(xiàng)全能團(tuán)隊(duì)

第五章：生態(tài)審美表達(dá)

施泰因胡德海上娛樂設(shè)施/德國，施泰因胡德

/RSA建筑師事務(wù)所和阿基米德有限責(zé)任公司

中意環(huán)境節(jié)能樓/中國，北京，清華大學(xué)/MCA建筑師事務(wù)所

鳴謝

季復(fù)一季，年復(fù)一年，千百年過去，人類在不斷地適應(yīng)著晝夜更替、日出日落所帶來的光明與黑暗的循環(huán)。我們想方設(shè)法駕馭太陽和風(fēng)的力量，這些力量塑造了我們的居住環(huán)境。人類的祖先用簡單而巧妙的策略創(chuàng)造出住宅、社區(qū)、公共場所、村莊甚至更為復(fù)雜的太陽能城市。太陽能與風(fēng)能影響了建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，囊括了從建筑形式到平面、剖面、材料和細(xì)部的設(shè)計(jì)。我們一直依賴太陽能和風(fēng)能來應(yīng)對(duì)季節(jié)性的對(duì)于照明、取暖和制冷的需求，在世界的不同地區(qū)、不同氣候條件下生存著。

直至20 世紀(jì)中葉，隨著公路的大量建設(shè)、化石燃料的廣泛應(yīng)用以及機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，資源消耗呈指數(shù)增長，污染物和廢棄物大量產(chǎn)生，我們的生活越來越遠(yuǎn)離了自然世界。為應(yīng)對(duì)這一嚴(yán)峻形勢，來自世界各地的建筑師和設(shè)計(jì)師們加入到了一場運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，這是一場以緩解全球氣候變暖以及氣候變化為目的的建筑創(chuàng)作運(yùn)動(dòng)。零能耗建筑同碳中和建筑的出現(xiàn)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，盡管低能耗設(shè)計(jì)和低碳設(shè)計(jì)往往更容易實(shí)現(xiàn)。

真正以太陽能和風(fēng)能為能源的建筑物，不僅僅是被動(dòng)式太陽能設(shè)計(jì)、技術(shù)系統(tǒng)和生態(tài)工程技術(shù)的總和，這種利用太陽能和風(fēng)能的建筑物還通過揭示可再生能源對(duì)我們的生活方式的改變，提升了社會(huì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。同樣重要的是，它們還通過建立場所同區(qū)域的關(guān)系來提高審美價(jià)值，這些關(guān)系都基于這些力量賦形與詩意的屬性。新型太陽能建筑的剖面很薄，這樣它能夠盡可能有效地利用光照和氣流；建筑運(yùn)用一種因地制宜的生態(tài)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這樣還能減少直至最終消除人類對(duì)化石燃料的依賴，從而消耗無碳基能源或者不消耗能源而僅依靠可再生能源來使我們的生活運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

首先，一座真正意義上以太陽能和風(fēng)能為能源的建筑是美觀的建筑，是能夠促進(jìn)健康生活的建筑，并且同當(dāng)?shù)氐赜颦h(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)相聯(lián)系。正如建筑師西蒙·范·迪·瑞恩(Sim Van der Ryn)在他的《為生活而設(shè)計(jì)》中所言：“建筑就是一個(gè)‘重新的記憶組合’—把人們集體的夢境重新放回到一起……建筑應(yīng)該是講述一個(gè)當(dāng)?shù)厝撕蛨鏊墓适拢且环N理解我們身處自然界的途徑?！边@種新一代的建筑利用太陽能和風(fēng)能不僅解決了能源和資源的消耗問題，而且喚醒或“重新組合”我們同大自然之間的生態(tài)關(guān)系，并體現(xiàn)出建筑的生態(tài)審美感。

對(duì)于零能耗和零碳建筑的關(guān)注持續(xù)增長，正促使一場演變的發(fā)生，這場演變是指在設(shè)計(jì)過程、策略和方案中產(chǎn)生的。這一變化的證據(jù)在最近的立法中可見，如修訂綠色環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則、新型的評(píng)定手段，而且設(shè)計(jì)公司正在努力了解更多有關(guān)這些方面的問題。大量的相關(guān)項(xiàng)目現(xiàn)在正處在開發(fā)階段，使我們看到了零能耗建筑發(fā)展的希望。在未來幾年里將有更多的范例出現(xiàn)，幫助設(shè)計(jì)師了解建筑面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，即如何減少或者消除化石燃料的消耗和溫室氣體的排放。

書中介紹了十個(gè)由幾家公司設(shè)計(jì)完成的建筑工程項(xiàng)目，這些項(xiàng)目引領(lǐng)了一條通往嶄新的、可持續(xù)發(fā)展的未來之路。這些項(xiàng)目的規(guī)模、位置和范圍各不相同，可以被用作試點(diǎn)來研究零能耗建筑。在某種程度上說，這只是通過實(shí)驗(yàn)性的努力來探索在減少或消除我們依賴化石燃料這一問題上太陽能和風(fēng)能所起到的作用。對(duì)案例的研究表明，實(shí)現(xiàn)低能耗和零能耗建筑沒有唯一的方法。就如同形式、審美和表現(xiàn)力的不同，每一個(gè)建筑師和設(shè)計(jì)公司所制定的策略也不同。然而，所有項(xiàng)目的共同點(diǎn)是，這些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都做出承諾要以最大的可能來獲取陽光、風(fēng)和其他可再生能源，來滿足建筑物供熱、照明和制冷的需求。在這些建筑表達(dá)方式的范圍中，我們找到了太陽能設(shè)計(jì)的方式，這個(gè)方式集合了以前的被動(dòng)式設(shè)計(jì)和技術(shù)最先進(jìn)水平的適應(yīng)氣候式的設(shè)計(jì)，并且在高性能、敏感度強(qiáng)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上采取了創(chuàng)新的方法。在研究太陽能和氣候參數(shù)的同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了似乎無限的形式、風(fēng)格以及富于表現(xiàn)力的設(shè)計(jì)機(jī)遇。

這些開創(chuàng)性的研究工作主要集中在五大方面。首先，這些項(xiàng)目開啟了變革，項(xiàng)目努力超越日漸完善的能源法規(guī)，用深層次的生態(tài)解決方式代替對(duì)設(shè)計(jì)難題的簡單響應(yīng)。其次，這些項(xiàng)目建立在對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和氣候充分了解的基礎(chǔ)上。實(shí)施修建工作除了要充分了解當(dāng)?shù)丨h(huán)境力量外，還要了解周邊的景觀環(huán)境。作為降低能源消耗的重要手段，被動(dòng)式策略同可再生能源利用技術(shù)雙管齊下，這樣一來可以對(duì)不同地區(qū)太陽和風(fēng)作用的晝夜性和季節(jié)性的變化加以利用。第三，這些項(xiàng)目的規(guī)模和范圍都趨向于適度。建筑師排除過度的部分，尋找多層次的途徑追求高效的生態(tài)效益。這些項(xiàng)目都希望找到少廢多用的方法而無需在設(shè)計(jì)的完整性上妥協(xié)。

第四，項(xiàng)目關(guān)注于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。作為創(chuàng)造一種敏感建筑表皮的手段，建筑表皮要能增強(qiáng)建筑的性能、生態(tài)響應(yīng)，并同當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境有機(jī)結(jié)合。最后一點(diǎn)也是最重要的一點(diǎn)，這些項(xiàng)目都是美觀的。這表明，建筑的優(yōu)秀性同樣反映在其生態(tài)性能上。這五個(gè)大的方面通過具有思想性的簡明方法引導(dǎo)我們，而建筑師們也在這些方面探索新式的太陽能建筑，并在設(shè)計(jì)中將生態(tài)效應(yīng)與外形美觀的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。

每個(gè)案例研究包括設(shè)計(jì)意圖的總體概述、氣候和場地的應(yīng)用、采光和熱設(shè)計(jì)、能源系統(tǒng)、關(guān)于下一代可持續(xù)設(shè)計(jì)的思考及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、對(duì)設(shè)計(jì)策略的總結(jié)和簡述等內(nèi)容。太陽能技術(shù)的基本分析以每一個(gè)案例的研究數(shù)據(jù)為支撐，利用Ecotect 太陽能工具軟件，將所在地域范圍內(nèi)太陽能晝夜性和季節(jié)性的變化狀態(tài)制作成圖表。太陽能研究還涵蓋了二至點(diǎn)以及二分點(diǎn)（12 月21 日、3 月/9 月21 日以及6 月21 日）在上午9 點(diǎn)、正午和下午3點(diǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)。此外，每個(gè)案例研究都包括了氣候數(shù)據(jù)的總結(jié)，這些數(shù)據(jù)是利用Ecotect 天氣工具軟件獲得的（使用來自美國能源部的Energy-Plus天氣數(shù)據(jù)）。該軟件提供季節(jié)平均值的總體介紹，包括溫度、相對(duì)濕度、太陽輻射、風(fēng)速以及主導(dǎo)風(fēng)向。列舉太陽能研究案例和氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的目的，是想向讀者提供當(dāng)?shù)乇尘凹吧鷳B(tài)氣候條件的綜合情況，這些因素都影響著建筑設(shè)計(jì)，使其不只是為了設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)或者為了工程目的而設(shè)計(jì)。

下面的案例研究可能會(huì)在更廣泛理解太陽能和風(fēng)能影響下一代可持續(xù)建筑的潛力方面起到一定的啟發(fā)作用。在案例中提到的先驅(qū)建筑師和他們的項(xiàng)目揭示了我們當(dāng)下面臨的需要用新型太陽能建筑來應(yīng)對(duì)生態(tài)挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)趨勢。同時(shí)我們也意識(shí)到，建筑在愉悅我們感官的同時(shí)，也同樣能夠啟發(fā)我們，減少對(duì)我們所居住的美麗地球的破壞。2100433B

零能耗建筑：新型太陽能設(shè)計(jì)內(nèi)容簡介

如今，為應(yīng)對(duì)全球變暖和氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，建筑師必須再次考慮太陽的作用，而且要比以往更加嚴(yán)肅、認(rèn)真地對(duì)待太陽的作用?！读隳芎慕ㄖ滦吞柲茉O(shè)計(jì)》是設(shè)計(jì)行業(yè)迫切需要的一種呼聲，它重新定義了“什么是建筑”，有助緩解人類面對(duì)的生態(tài)問題。這本書探討了新型太陽能建筑設(shè)計(jì)的理論、實(shí)踐和原則，有助促成杰出的設(shè)計(jì)和低能耗建筑。太陽能建筑不僅僅是被動(dòng)式策略、科技系統(tǒng)和生態(tài)工程的總和。由太陽塑造的建筑能對(duì)氣候、場地做出反應(yīng)，而且受環(huán)境因素影響的建筑形式也具有審美效果。為了證明這一觀點(diǎn)，作者分析了全球范圍內(nèi)十個(gè)獲獎(jiǎng)建筑，重點(diǎn)講解了設(shè)計(jì)策略的細(xì)節(jié)、當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懸约瓣柟夂惋L(fēng)力的季節(jié)性變化的重要性。她還進(jìn)一步表明新科技可以使建筑師實(shí)現(xiàn)更高的性能標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也能與周圍環(huán)境景觀協(xié)調(diào)一致。這一建筑策略不僅對(duì)建筑行業(yè)非常重要，在我們?nèi)粘Ｉ钪幸矠槲覀兲峁┝艘环N整合持續(xù)化的關(guān)鍵方法。

零能耗建筑：新型太陽能設(shè)計(jì)作者簡介

瑪麗·古佐夫斯基是明尼蘇達(dá)大學(xué)建筑學(xué)院的副教授。她從事采光、太陽能建筑和生態(tài)設(shè)計(jì)方面的教學(xué)與研究工作，已出版的著作包括《可持續(xù)設(shè)計(jì)的采光》。她近期的研究集中在太陽能建筑以及碳中和設(shè)計(jì)在審美和生態(tài)方面的創(chuàng)新。

譯者序

Chinese Edition Preface

中文版序

原書序

原書前言

原書致謝

主編和原書編輯簡介

作者名單

第1章 概論1

1.1零能耗建筑的發(fā)展1

1.1.1零能耗建筑的概念2

1.1.2智能零能耗建筑的設(shè)計(jì)和建模問題3

1.2本書的內(nèi)容4

參考文獻(xiàn)6

第2章 作為集成能源系統(tǒng)的零能耗建筑的建模與設(shè)計(jì)7

2.1簡介7

2.1.1被動(dòng)式設(shè)計(jì)、能源效率、熱動(dòng)態(tài)性和舒適性8

2.1.2詳細(xì)的頻域墻體模型及傳遞函數(shù)13

2.1.3 z傳遞函數(shù)法16

2.1.4詳細(xì)的區(qū)域模型和建筑物傳遞函數(shù)20

2.1.5建筑物暫態(tài)響應(yīng)分析26

2.2集成在零能耗建筑中的可再生能源產(chǎn)生系統(tǒng)/技術(shù)27

2.2.1作為零能耗建筑使能技術(shù)的BIPV 28

2.2.2太陽能熱系統(tǒng)36

2.2.3主動(dòng)式DITES和板/輻射供暖/供冷系統(tǒng)44

2.2.4熱泵系統(tǒng)——零能耗建筑中有前途的技術(shù)50

2.2.5零能耗建筑的CHP 52

參考文獻(xiàn)53

第3章 零能耗建筑中的舒適性考慮：理論與設(shè)計(jì)60

3.1簡介60

3.2熱舒適性61

3.2.1零能耗建筑中明確的熱舒適目標(biāo)61

3.2.2熱舒適性原理62

3.2.3建筑熱不舒適的長期評(píng)價(jià)70

3.3采光和視覺舒適73

3.3.1簡介73

3.3.2適應(yīng)亮度75

3.3.3基于照度的性能指標(biāo)75

3.3.4基于亮度的性能指標(biāo)76

3.3.5自然采光和用戶行為77

3.4聲學(xué)舒適78

3.5室內(nèi)空氣品質(zhì)79

3.6小結(jié)80

參考文獻(xiàn)80

第4章 零能耗建筑的設(shè)計(jì)過程與工具86

4.1簡介86

4.2在零能耗建筑設(shè)計(jì)過程中集成建模工具87

4.2.1簡介87

4.2.2實(shí)現(xiàn)零能耗建筑階段的概述87

4.2.3工具89

4.2.4概念設(shè)計(jì)90

4.2.5深化設(shè)計(jì)96

4.2.6技術(shù)設(shè)計(jì)100

4.2.7集成設(shè)計(jì)過程和項(xiàng)目實(shí)施方法104

4.2.8本節(jié)小結(jié)106

4.3零能耗建筑設(shè)計(jì)工具、建模精確性和設(shè)計(jì)方法106

4.3.1簡介106

4.3.2模型的精度107

4.3.3對(duì)于特定的建筑物系統(tǒng)和建筑物特性的模型精度113

4.3.4設(shè)計(jì)中使用的工具127

4.3.5未來的需求和結(jié)論133

4.4小結(jié)134

參考文獻(xiàn)135

第5章 零能耗建筑的建筑性能優(yōu)化143

5.1簡介143

5.1.1什么是BPO 144

5.1.2零能耗建筑設(shè)計(jì)中BPO的重要性144

5.2優(yōu)化基礎(chǔ)146

5.2.1 BPO目標(biāo)（單目標(biāo)和多目標(biāo)函數(shù)）146

5.2.2優(yōu)化問題的定義147

5.2.3適用于BPS的優(yōu)化算法回顧148

5.2.4 BPS中優(yōu)化算法的集成150

5.2.5 BPO專家采訪151

5.3優(yōu)化的應(yīng)用：成本最優(yōu)和近零能耗建筑153

5.3.1簡介153

5.3.2案例研究：芬蘭的單戶住宅154

5.3.3本節(jié)小結(jié)155

5.3.4案例研究的最后思考158

5.4優(yōu)化的應(yīng)用：一個(gè)舒適的零能耗住宅159

5.4.1建筑模型的描述159

5.4.2優(yōu)化問題所采用的方法和陳述160

5.4.3結(jié)果討論162

5.4.4最后考慮165

5.5小結(jié)165

參考文獻(xiàn)166

第6章 負(fù)荷匹配、電網(wǎng)交互和先進(jìn)控制170

6.1簡介170

6.1.1在每年能源平衡之外的考慮因素170

6.1.2有關(guān)LMGI的問題170

6.2 LMGI表示器175

6.2.1簡介175

6.2.2指示器分類177

6.3預(yù)測控制和負(fù)荷管理的策略180

6.3.1能源存儲(chǔ)設(shè)備180

6.3.2建筑物預(yù)測控制181

6.4控制用模型的開發(fā)186

6.4.1建筑物部件：熱傳導(dǎo)186

6.4.2整體建筑的熱模型187

6.4.3線性模型187

6.5小結(jié)193

參考文獻(xiàn)194

第7章 零能耗建筑案例研究199

7.1簡介199

7.2 coTerra200

7.2.1 coTerra的描述201

7.2.2設(shè)計(jì)過程208

7.2.3測試性能212

7.2.4再設(shè)計(jì)研究215

7.2.5結(jié)論和收獲220

7.3 Leaf House 222

7.3.1 Leaf House的主要特征222

7.3.2設(shè)計(jì)過程描述225

7.3.3建筑物設(shè)計(jì)的目的225

7.3.4熱力站描述226

7.3.5監(jiān)視數(shù)據(jù)229

7.3.6所使用模型的特點(diǎn)與局限231

7.3.7模型校驗(yàn)232

7.3.8再設(shè)計(jì)236

7.3.9結(jié)論和收獲238

7.4 NREL RSF239

7.4.1 RSF介紹240

7.4.2關(guān)鍵的項(xiàng)目設(shè)計(jì)特征241

7.4.3設(shè)計(jì)原型概述253

7.4.4供選擇的設(shè)計(jì)和操作263

7.4.5結(jié)論264

7.5 ENERPOS 265

7.5.1自然通風(fēng)和吊扇267

7.5.2遮陽與采光267

7.5.3小氣候措施267

7.5.4材料267

7.5.5人機(jī)工程學(xué)與室內(nèi)設(shè)計(jì)268

7.5.6能源效率268

7.5.7可再生能源技術(shù)的整合269

7.5.8設(shè)計(jì)過程描述270

7.5.9監(jiān)測系統(tǒng)273

7.5.10監(jiān)測數(shù)據(jù)273

7.5.11 ENERPOS測量模型預(yù)測的比較273

7.5.12熱舒適性實(shí)驗(yàn)研究278

7.5.13學(xué)到的在熱帶氣候下零能耗建筑將來設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)280

7.6小結(jié)281

致謝282

參考文獻(xiàn)283

第8章 結(jié)論、研究需求和未來工作288

8.1零能耗建筑建模、設(shè)計(jì)和仿真288

8.2未來方向與研究需求 289

附錄 縮略語2912100433B

《零能耗建筑建模、設(shè)計(jì)與優(yōu)化》詳細(xì)介紹了歐美國家在零（低）能耗建筑建模、設(shè)計(jì)和實(shí)施優(yōu)化上取得的新研究成果?！读隳芎慕ㄖ?、設(shè)計(jì)與優(yōu)化》匯集了在低能耗建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)施領(lǐng)域的眾多國際學(xué)者對(duì)低能耗建筑建模方法、仿真技術(shù)、設(shè)備設(shè)施優(yōu)化控制、建筑物與可再生能源和電網(wǎng)結(jié)合等眾多角度進(jìn)行了深入的研究和探討，同時(shí)也給出了大量的詳細(xì)案例研究，以便為零（低）能耗建筑的設(shè)計(jì)者們提供好的幫助。