SU+Sefaira净零能耗住宅设计技巧

2017 年，我们撰写了关于爱荷华州乡村净零能耗独户住宅的文章《The Iowa Nest》。

该项目由 Sterner Design 的 Carl Sterner设计，现在与Sol Design + Consulting 合作，该项目将优化的形式与被动和主动设计策略相结合，以实现净零能源状态并且每年仅需支出24美元(约153人民币)的水电费！

大多数设计师还在凭空想象，而Sterner和他的客户则已经可以严格地将实际竣工项目的能耗性能与原设计目标进行对比。我们将回顾这些高水平设计，并分享他在入住后的评估中学到的五点经验。

 项目数据：

• 项目类型：净零能耗目标，独栋别墅
• 地点：美国爱荷华州
• 建筑类型：独栋别墅
• 建筑面积/占用：两层楼，2400平方英尺（约223平方米）的居住面积（加上无空调的储藏室和车库）
• 项目阶段及竣工日期：2019年竣工
• 性能基准：IECC* 2012 （2012国际节能规范）

     *IECC：International Energy Conservation Code

• 性能目标：净零能耗，良好的采光

房屋建成后照片。图片由斯特纳设计公司提供。

设计过程

该公司测试了一些不同的设计迭代方法，以实现其净零能耗和采光目标。首先，在 SketchUp 中对六种方案进行建模并在Sefaira 中进行分析比较，目标是在主要居住区域一年中60%的时间里保证至少200 lux的日照。

在 SketchUp 中建模并在 Sefaira Daylight Analysis 插件中分析的构建表单迭代研究。图片由斯特纳设计公司提供。

最终的设计包括一个金属板、紧凑的形体、更高的窗户和一个内部“采光井”。一旦找到合适的概念方案，就解决了在寒冷冬季和炎热潮湿的夏季不同气候条件下保持室内温度稳定的挑战。我们使用 Sefaira 分析了11种设计策略，最终决定在朝南的窗户上安装隔热混凝土板（ICF）以及结合小型固定悬挑和可操作遮阳板的组合。

使用 SketchUp 和 Sefaira 进行日照分析。图片由斯特纳设计公司提供。

上述所有设计决策，加上被动策略（自然通风、优化的建筑结构、遮阳设备）和高效的机械系统，预计能耗比规范标准减少79%。安装在屋顶的朝南的太阳能板可以满足家庭的日常能源供给，使得项目能够达到净零状态。 

这里显示了传统的房屋设计与The Iowa Nest设计的能耗对比。设计策略的结合比《国际节能规范 2012 标准》降低了 79%。图片由斯特纳设计公司提供。

为了测试设计策略是否随着时间推移一直发挥作用，居住者在房间内的三个位置随时记录室内温度和相对湿度，并根据每条电路计量耗电情况。这使得业主可以准确地将能源使用情况反映到特定空间。以下是从数字和设计过程中总结出来的五条经验教训。 

1] 形体是可变的。

设计师非常理解迭代设计的理念，这个项目强调了在确定方案之前需要测试和分析多种建筑形体的价值。

原始的方案结果是预算的两倍。通过简化结构并略微缩小建筑面积，Sterner Design 能够将建筑成本降低一半，这可使设计不超预算，还仍能实现降低30% 的供暖和制冷负荷。 

比较不同设计的热负荷和冷负荷。设计备选方案 B 使 EUI 减少了 30%。图片由斯特纳设计公司提供。

总结建筑形体的形成过程，Sterner 建议“.. 进行形体研究，比较紧凑与细长形式，可以更有效地确定理想的建筑形态。”

在 SketchUp 和 Sefaira 中快速建模和分析这些简单的体块模型，可以根据形式对建筑物进行有效比较。图片由斯特纳设计公司提供。

经验：快速建模和分析比较多种形式方案，以找到节省能源和成本的机会。

2] 在可能的情况下，尽量简化和细化。

改变形式和由此产生的复杂性导致能源使用减少 10%。

优秀建筑的标志之一是创造力和功能相融合，创造出一种精致的、几乎无可置疑的建筑形式。“简化”使您的设计具体化的好处不仅仅是提供出色的结构体系和降低施工难度；它还可以降低能源使用量。在满足客户的空间要求基础上，通过减少原始方案中的交汇点、拐角和连接的数量，Sterner Design 将能源使用量减少了10%。根据斯特纳的说法，“这一经验让我体会到了设计和性能是多么紧密地交织在一起。通过重新考虑一些基本设计举措，我们提供了一个更节能的设计，与原始设计相比，投入成本降低了50%。净零或被动房设计并不是很容易在最后添加到设计中的内容——它需要成为设计内核的组成部分。” 尽早分析设计选项，通常会为更有意义的客户对话创造机会：硬数据让客户有信心通过更改初始方案为他们节省资本投入和运营成本。 

教训：保持事情（相对）简单当然是值得的。将您的设计具体化，以提供出色的架构、提高可建造性并降低能源消耗。

3] 选择正确的主动 HVAC 系统。

建筑设计师会同意，指定正确的 HVAC 系统可以提升或减少被动影响，它可以节省空间并改善内部环境，但 HVAC 如果选择不当也可能会为您的客户增加投入和运行成本。 

尽早并经常利用 Sefaira 的 HVAC 分析来测试适用于您的项目的系统组合，这可能为您的客户支出节省数千美元。 

The Iowa Nest 最终采用了比常规暖通空调系统更便宜的设备，但它却提供了更好的舒适度和室内空气质量，并有助于实现净零。如何做到？首先，取消空调，这在爱荷华州的混合气候中并非易事。

 设计的 HVAC 系统成本比较。中间的选项是最初的提案，第三个选项反映了最终的设计。图片由斯特纳设计公司提供。

该项目由于采用了被动设计策略，如护土、遮阳、自然通风和最小化内部负载。这可冷却负载降低到设计者可以完全避免使用空调的程度。同样，高绝缘性、良好的气密性和被动太阳能设计减少了加热负荷，以至于他可以选择一个小型、廉价的电辐射加热系统。 

虽然电辐射热的低效率通常不适合净零家庭，但在这种情况下，负载非常小，能量损失很小，可以很容易地通过一些额外的光伏面板来弥补。

课程：结合使用 HVAC 和包络工况设计。

4]绘制详图。

房屋窗户隔热材料的详细规格说明。使用在 LayOut 中创建的综合绘图集在 SketchUp 中建模。图片由 Sterner Design 提供。

Sterner 利用 SketchUp 和 LayOut 绘制并制作了一套经典完整的大样详图，以实现气密性和稳定的室内环境。他详细表现了典型的墙体细节、定制的墙体连接处、窗户和门需要如何进行空气密封和绝缘。 

突出显示房屋的气密层（左）。突出显示房屋的隔热层（右）。图片由斯特纳设计公司提供。

尽管当地记录的年温度温差将近70华氏度，但这种严谨程度导致内部密封，没有气流，内部温度波动很小甚至没有。

显示室内温度（蓝色、粉色和红色线条）的温度比较数据。在 2021 年 2 月的极涡期间没有主动加热的室外温度（黑线）。尽管外部波动，该设计仍可提供稳定、舒适的室内温度。图片由 iowanest.com 提供。

教训：深入到细节和规格，以确保良好的结构和人员舒适性。

5] 超越 EUI：被动策略和指标。

尽管 EUI 对于基准测试和了解设计的总体质量非常有用，但它并不是一个很好的设计指标。它可能隐藏潜在的问题，特别是在热舒适性和高负荷方面。在设计过程中，一名工程师观察到，最初的方案是预算的两倍，并也可能导致冬季卧室很冷，夏季的办公室闷热。这种热量分布不均或许需要更复杂、更昂贵或更大的 HVAC 系统来缓解。 

通过使用操作温度指标执行热舒适度分析，设计团队可以消除房屋对空调的依赖，指定更小、更便宜的 HVAC 系统，并避免家中出现不舒适的房间。

一旦建立了合理的 EUI 标准，就需要评估其它指标，例如峰值负载、运行温度、热自主性（空间被动保持舒适的时间百分比），从而在设计过程中提供更细致、更有意义的参考。

被动设计策略的力量——考虑到最终项目的成本，包括以标准人工费率评估业主的自建时间，建造成本仍比传统住宅低 9%。  

有关该项目的更多信息，包括热舒适性和能源数据，请访问该住宅的网站 www.iowanest.com。

关于Carl Sterner

Carl 是 Sol Design + Consulting 的设计和可持续发展总监。他负责监督高度可持续项目的设计和交付，包括被动式住宅、LEED 白金和 Living Building Challenge 认证设计。他相信设计的力量有助于创造一个更加人性化、公平和欢乐的世界。

 Aruofor Sumele

Sumele为SketchUp博客提供以建筑设计和绿色节能为核心的文章内容。当她没有写作时，可以发现她在唱歌、做饭或沉浸在书中。

附注：

什么是绿色建筑设计的被动设计策略

来源：百度知道https://zhidao.baidu.com/question/1304443523239106499.html

绿色建筑设计的被动设计策略是指基于气候特征和周边地形地貌条件下，通过建筑空间概念分析和计算机模拟技术对小区风环境、热环境、光环境等进行优化，营造适宜的小气候环境，提高人们室外活动的舒适度，并有利于单体建筑减少能耗。还有利用太阳能和建筑一体化及雨水回收等措施。

也是相对主动设计策略而言的，所谓主动式系统简单的说就是指利用机械设备或者是使用无法再生的资源来进行调节环节，所以现代建筑能源消耗非常大。