小議建筑被動式節能設計

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摘要：21世紀，隨著我國的資源消耗問題日益嚴峻，節能減排是現代社會發展的必然要求，也是現代化發展的重要組成部分，我國現階段對于被動式節能建筑尚無相關標準或規范，更缺乏可操作執行的適應我國各地域氣候特征的判定方法和指標。本文主要針對被動建筑在我國現階段的應用狀況，通過對建筑耗能的來源、種類及特征的研究，對比分析了被動節能技術與主動節能技術的應用方式與作用，說明主動節能技術對于輔助協調被動節能技術實現建筑總體的一次能源消耗量指標和建筑室內環境舒適度參數指標的必要性和可行性。簡要介紹了被動建筑中采用的部分主要主動節能技術。

關鍵詞：設計；被動式節能；技術；建筑自身能量；可再生能源

1、動式節能設計概念

一般而言，被動式節能建筑的兩個重要判定指標：一個是建筑總體的一次能源消耗量指標，另一個是建筑室內環境的舒適度參數指標。而建筑節能就是指采用特定的技術在建筑周期范圍內達到節能目的，在這個過程中涉及到建筑構造、材料的獲取和使用、施工現場的操作以及建筑的運行維護。而被動式節能，是指采用非機械電氣設備干預手段，對建筑節能技術進行干預。具體表現在對建筑的朝向問題和建筑結構的保溫隔熱技能方面上的節能設計。建筑的采暖通風和空調的節能降耗都與建筑的朝向相關，所以在進行建筑設計的時候要著重注意這些問題。被動式節能設計方法涵蓋到建筑的方方面面，包括建筑朝向、建筑保溫、建筑體形、自然通風等設計。被動式設計方法對建筑師要求很高，除了專業能力到位之外，還要建筑師對于建筑環境有充分的了解，要求設計師努力將學科間的限制突破掉，用全新思維來進行建筑的節能設計。隨著建筑規模巨大化，要學會運用被動式節能設計，以此獲得良好的建筑環境。

2、建筑自身能量的利用

2.1被動建筑自身的熱損失非常小，對外部能源的依賴也極低

除了在建造施工過程中及設備安裝完畢啟動調試過程中所需要的外部能源，被動建筑在建造完成之后便可以不再主動向外需求能源，而是轉為可再生能源提供。冬季，主要依靠建筑自身得熱滿足室內供暖需求，極寒天氣熱負荷不足部分和夏季供冷負荷需求盡量從可再生能源中獲取。建筑自身得熱主要來自于室內人體散熱、照明、電器、食物、烹飪爐火、太陽輻射以及新風熱回收等。這些熱量在冬季對實現室內環境參數是有益的，可以減少甚至取消室內熱負荷，但在夏季這些室內得熱卻全部轉變成為冷負荷，需要通過自然通風或其他主動技術手段消除。通常，室內熱（冷）負荷需求可以通過對熱回收后的新風輔助加熱（冷卻）或通過埋在樓板、墻面內的管道系統進行輻射供暖（供冷）等主動技術來滿足。作為對建筑物被動節能技術節能效果的補充和完善，主動節能技術的應用使得建筑室內環境參數可控可調，不僅可以根據房屋使用者的自身習慣和感受進行靈活精確的調節，更增加了室內環境的穩定性，減小了室內外干擾因素的影響，滿足以人為本的個性化需求，是現代被動節能建筑區別于僅僅采用原始被動技術建筑的重要特征。

2.2 主動及被動節能技術合理應用

通過主動及被動節能技術合理應用，利用可再生能源的替代，被動建筑減少了自身對外部能源的依賴，冬季依靠其自身熱量有效降低了供暖熱負荷需求，甚至可以取消傳統的供暖系統，節省了鍋爐房建設費、市政熱力管線接入費、園區熱力管網埋設費、熱計量裝置安裝或改造費、供暖系統施工安裝及日常維護費、供暖季的系統運行費、燃料費、水電治污費、管理人員費等等；并減輕由此產生的各類環境問題，如大量溫室氣體的排放、有毒有害污染物的排放以及由此產生的霧霾天氣等；極大緩解城市夏季空調用電負荷高峰，降低北方供暖季煤炭、天然氣等的能源壓力。

3、太陽能及其他可再生能源的利用

現階段建筑對太陽能的應用主要包括自然采光、光熱轉換和光電轉換。

3.1自然采光可分為直接采光和間接采光

直接采光可以簡單理解為太陽光直接透過外窗投射進室內的光線，間接采光則是太陽光經過物體反射后照射進室內的光線。我們這里所說的自然采光是指直接采光的情況。建筑室內采光效果的好壞直接影響人體對室內環境舒適度的感受；建筑良好的自然采光條件，不僅可以使人心情舒暢，而且可以大幅降低日間燈光照明的主動耗能。在白天自然采光條件不足需要補充人工照明時，宜選擇接近自然光色溫的高色溫光源。

3.2建筑物對太陽能光熱轉換的利用可簡單分為直接得熱和間接得熱

（1）直接得熱屬于被動式的太陽能利用，是一種建筑物直接利用日照的形式。通過對建筑形式及構造的優化設計，合理利用太陽輻射熱量來改善建筑物室內熱工環境。在北方地區，設計中常將對室內環境要求相對較低的廚房、衛生間、走道、儲物間等設置在建筑北側，而臥室、起居室等對室內環境要求較高的房間則布置在日照較為充足的南側，并設置封閉陽臺作為陽光室，在冬季充分利用陽光輻射得熱，并可作為室外環境與室內環境之間的緩沖過渡空間，降低傳熱能耗并提高居室內環境的舒適度。

（2）間接得熱作為一種主動節能技術，在被動節能建筑中的應用主要指太陽能集熱系統，其通常是由太陽能集熱器、蓄熱設備、循環管路等主要設備部件組成。太陽能集熱器常用的有聚焦型集熱器（槽式、碟式、塔式）、平板型集熱器、真空管集熱器以及陶瓷集熱器。集熱器應根據當地的太陽能資源狀況及氣候條件等選擇適合的形式，保證系統的全年安全穩定運行，選擇性價比最優的產品。循環水管路可分為自然循環和機械循環兩種。自然循環型，其特點是蓄熱水箱置于集熱器上方，依靠重力流推動系統循環。機械循環型，蓄熱水箱置于集熱器下方，利用循環水泵以機械動力使系統內熱水強制循環。條件允許的情況下建議使用自然循環型，不僅系統簡單、維護方便，而且更加節能可靠。太陽能集熱系統可采用自動控制變流量設計，通過設置光伏電池板等太陽輻照感應傳感器，實時監測太陽輻照強度并以此控制變頻循環水泵改變系統流量；太陽能集熱自動控制系統除了需要實現系統正常運行時的調節控制，還要在需要輔熱設備時及時切換熱源，液體工質還要特別注意防凍和防過熱保護措施，保證系統的安全并節能優化運行。

太陽能集熱系統主要應用于生活熱水系統、供暖系統、空調熱水系統等。通過與熱泵系統結合使用，利用太陽能熱水裝置產生的熱能推動熱泵工作，從而利用更多可再生能源進行加熱或制冷，不僅可以為供暖系統或冬季空調系統提供熱源，也可以在夏季為空調系統提供冷源。

3.3太陽能光電轉換主要是指太陽能光伏發電

利用太陽能電池將太陽能轉化為電能，整套系統由太陽能電池組、太陽能控制器以及蓄電池組等設備部件組成。太陽能光伏電池板可以作為建筑外墻表面材料與建筑設計結合，敷設在外墻面、屋面，或是作為外遮陽、天窗。當太陽能電池板的鋪設面積足夠大，太陽能發電裝置可以為被動建筑提供其正常運轉所需全部電能。

3.4 除太陽能以外的其他可再生能源

除太陽能以外的其他可再生能源，包括空氣熱能、風能、地表淺層土壤熱能、地下水熱能、地表水熱能、河水動能、潮汐能等等。被動節能建筑可以根據所在地域的具體氣候特征及水文地質條件等因地制宜的選用適合的可再生能源為自身提供所需能量，減少對外界能源的依賴。熱泵系統是現在利用各種熱能資源的主要技術手段。在被動建筑中，熱泵系統為整個建筑的制冷和供暖供給能量。常用的形式有空氣源熱泵、地下水地源熱泵、地表水地源熱泵、地埋管地源熱泵。空氣源熱泵適合于夏熱冬冷地區的中小型建筑，有同時供冷、供熱需求的情況建議采用熱回收式熱泵機組。地下水地源熱泵、地表水地源熱泵、地埋管地源熱泵的設置均要特別注意嚴禁對地下水資源的污染性、破壞性利用，要進行系統的全年動態負荷計算，熱泵系統總釋熱量與總吸熱量應平衡，否則應采取相應輔助措施。

4、可控通風的理念

被動建筑通常采用兩種通風方式，一種是自然通風，一種是新風熱回收系統。

4.1 自然通風的技術古已有之

我國傳統民居中可以隨意找出許多結合當地氣候特點、生活習慣的自然通風設計建造技術。我們最常見到的也是最簡單的室內自然通風設計就是通過開關外窗調節，但被動建筑由于其對室內舒適度參數的穩定性要求，決定了過于依賴室外氣候條件、無法進行人為精確調控的自然通風方式難以滿足被動建筑的要求。所以我們對于被動建筑中所設計采用的自然通風是一種可控通風，是一種在主動節能技術輔助下的被動節能技術。這種可控主要表現在對于流量、流向、風速、過濾、溫度、濕度、噪聲等方面。

自然通風有三種基本方式：風壓通風、熱壓通風、機械輔助自然通風。首先采用被動技術，充分利用風壓、熱壓作用，巧妙設計建筑通風節能構造，并協調遮陽形式對自然通風效果的影響，協調窗墻比與太陽輻射熱能利用、自然采光、自然通風之間的影響。然后輔助通風控制系統，設置感應器，采集室外溫度、濕度、風向、風速、空氣污染程度等信息，采集室內溫度、濕度、二氧化碳濃度等信息，結合各項室內環境設定參數，通過控制系統對各處控制機構進行通風調節。

4.2 被動建筑新風的提供

在室外氣候條件舒適的情況下，應首先考慮并采用自然通風的方式，以排除室內余熱及室內污染物，為室內人員提供新鮮空氣，調節室內溫濕度，當僅采用自然通風無法滿足室內新風要求時，諸如污染天氣、無風天氣、風沙天氣、高溫高濕或寒冷天氣或柳絮花粉等過敏源較多的季節，都不適宜單獨采用自然通風。應采用同時設置自然通風及機械新風系統的復合方式，以此降低室內空調負荷并減少機械新風系統運行費用。被動建筑中對新風系統高效熱回收裝置的應用也是其顯著特點之一。系統的顯熱回收效率要求不低于75%，這就是說經過熱回收裝置的新風負荷以及排風熱損失都同時得到了大幅降低，在冬季大部分時間里被動建筑僅僅依靠自身得熱便實現了室內環境溫度的穩定。此外，被動建筑采用熱泵機組為新風系統提供冷熱源，夏季由熱泵機組提供新風降溫除濕冷源，冬季可以利用熱泵加熱新風，提高經由熱回收裝置預熱后的新風溫度，滿足室內熱負荷要求，保證室內溫度穩定。新風熱回收系統常設功能及流程：過濾、預熱（預冷、顯熱回收、加熱（冷卻）、加濕（除濕）、消聲。這樣的新風熱回收系統為建筑內所有房間提供經過加熱加濕或冷卻除濕的新風，可根據使用者要求自由調控室內環境溫濕度、潔凈度及空氣新鮮度，降低新風及排風能耗。新風熱回收系統設計使用時應確保室內總送排風量的平衡；應定期清洗或更換濾芯，保證送入室內的新風清潔度及換熱效率；設備及管道安裝采用減震支吊架、消聲器等消聲降噪措施，避免產生噪聲污染。

4.3 新風熱回收系統

為保證室內空氣新鮮度，設置二氧化碳濃度探測器，室內設定值應小于1000ppm，這一數值略高于室外自然空氣二氧化碳濃度，當室內實測二氧化碳濃度值高于設定數值一定程度后，自動控制開啟送、排風機。而對于電動可開啟外窗、自然通風器等自然通風手段，則還需要同時結合室外環境溫濕度、污染、風向風速狀況等參數控制啟閉。對于溫濕度獨立控制系統，還要設置外窗啟閉狀態探測器，室內濕度監測報警器等。

5、圍繞著一次能源消耗量評價指標的自動控制系統

5.1 被動節能建筑的判定

我國現行節能規范對于節能建筑性能的判定方法是通過在設計過程中對不同氣候區的不同性質的建筑物規定其應符合要求的體形系數、窗墻比、遮陽系數、維護結構傳熱系數、氣密性等；當上述系數無法滿足限定值時則通過權衡判斷來判定其圍護結構的總體熱工性能是否符合節能標準。在施工階段則通過對建筑材料、建筑構件的物理性能檢測指標來判定其是否為節能建筑。在德國，對于被動節能建筑的判定方法是采用能耗模擬計算軟件，將建筑物的各項相關參數輸入，計算出建筑物的一次能源消耗量，并將此數值用于校核建筑實際運行中的一次能源消耗量，最終判定其是否為節能建筑。被動建筑采用一次能源消耗量指標而非我國傳統節能規范中50%、65%的相對節能指標或建筑物耗熱量指標。通過對建筑物的總體能耗的限制，平衡各種節能指標之間此消彼長的問題。

5.2太陽輻照感應傳感器

優良的外窗保溫性能及較大的窗墻比為建筑物冬季室內充分利用太陽能輻射熱提供了條件，降低了冬季熱負荷，然而，封閉且保溫的房間內熱量難以自然消散，導致夏季空調冷負荷的增加。因此，增加可調節活動建筑外遮陽措施來協調這一矛盾，但我們會發現，夏季制冷能耗降低的同時室內照明能耗卻相應增加了。建筑電動外遮陽百葉的調節：被動建筑采用保溫與透光性能好的節能窗，夏季，在滿足了室內采光要求的前提下，需要采用電動外遮陽百葉將多余的日照隔絕在室外，降低室內空調冷負荷。而冬季則調節百葉，盡量多的將陽光引入室內，降低室內供暖熱負荷。太陽輻照感應傳感器，可根據實時室外環境參數隨時調整，也可根據預設模式自動操作。自動調節百葉位置角度，保證室內得到適度的太陽輻射量。

5.3合理利用主動節能技術作為被動節能技術的補充和完善

由于被動建筑冬夏季冷熱負荷極低，有時我們需要通過熱泵系統來滿足室內少量的冷熱負荷。需要注意的是，在我們討論應用何種可再生能源之前，應仔細核算我們采用被動節能手段可以在多大程度上滿足需求？熱泵系統在全生命周期中的總能耗是否已經大于了其所節省的能耗？避免為了使用可再生能源而使用，認證評估被動節能手段與主動節能手段的切換時機，減少無謂的一次能源消耗。為了避免被動建筑設計與使用過程中應用過多效能較低的節能技術，合理有針對性的采用主動節能技術作為被動節能技術的補充和完善，采用智能建筑物整體一次能源消耗評價系統主動實時采集數據、計算分析，通過系統末端自動控制裝置及設備對各被動節能措施根據室內外環境變化要求及時準確的進行監控和調節。

6、結束語

綜上所述，現階段我們在被動建筑的規劃方案及施工圖設計階段，國內尚無可參照的標準或規范，而國外的技術指標又不能簡單的直接套用，逐步總結出適合我國國情的相關規范標準是當務之急。這種情況之下，應避免主動和被動節能技術的不加以選擇的堆砌，避免不因地制宜、不加以分析驗算的套用節能指標，避免對可再生資源低效甚至無必要的浪費式應用。同時，注意選用節能電器、節能燈具；注意設備安裝空間及管線布置空間的合理性，隔聲降噪；注意明裝設備與建筑風格的融合。提高建筑材料、設備的研發及加工水平，提高建筑施工及管理水平，促進建筑產業的整體升級。

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