夏熱冬冷地區近零能耗居住建筑技術探析

王飛帆 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

隨著社會經濟的高速發展，能源消耗過快所帶來的問題日益突出，全球變暖、南北極冰層融化、生物危機、極端氣候等無時無刻不在影響著全球的生態環境，因此各國對能源的高效利用、建筑節能的研究越來越深入。而我國地域遼闊，各地之間氣候差異大，總體來說北方建筑能耗主要體現在冬季采暖，而南方、長江以南地區則由于夏熱冬冷的氣候，生活中既需要考慮到夏季的消暑降溫，冬季又需要取暖，更增加了能源消耗，因此在這些夏熱冬冷地區的建筑節能更顯得尤為重要。

1 近零能耗建筑簡介及標準

近零能耗建筑是指在考慮經濟合理的情況下，以被動式節能技術為主要方法，通過對建筑結構的創新，在能源結構上降低對常規能源的消耗，將可再生能源作為日常能源的補充的建筑。被動房的概念內容是德國教授于1989年提出的，其路線為建筑圍護結構熱工性能的提升；供暖需求低于 15KW·h/(m2·a)；采用新風熱回收系統。1992年德國提出了無源建筑概念，無源建筑是指不需要連接到外部能源基礎設施，將采集到的太陽能量的光能轉化為電能再進一步轉化為熱能的系統，并結合能量的存儲技術保證能源供應的建筑類型，實際上這種建筑就是零能耗建筑。2015年的第21次聯合國氣候大會則首次將建筑節能作為單獨議題列出。

2012年我國通過引進德國建筑節能技術，在河北等地建成了被動式低能耗建筑示范項目。2017年又提出積極開展超低能耗建筑、近零能耗建筑的建設示范。2019年國家住房和城鄉建設部發布的《近零能耗建筑技術標準》指出，在適應地區氣候特征、場地條件下，建筑采用被動式設計，降低建筑的供暖、空調和照明需求，充分利用可再生能源的同時用主動式技術提高能源設備的效率和系統運行的效率，實現在生活中消耗最少量能源的同時提供最舒適的居住環境，標準指出其建筑的能耗水平比國家標準及行業標準低60%～75%以上[1]。

近零能耗建筑的居住能耗指標參考表1。

2 建筑能耗影響因素分析

2.1 體形系數

建筑物體形系數即建筑物和室外大氣所接觸的外表面積與建筑物體積的比值，就是指建筑物的單位建筑體積上所分攤到的與大氣接觸的外表面積。建筑物的體形系數越小越節能。有研究資料表明，建筑物體形系數每提高1%，會導致耗熱量指標增長2.5%左右。因此減小建筑物的體形系數，能有效地減小建筑物與室外大氣的接觸面積，從而減少與外界的熱交換。在夏天能減少外界熱量輸入建筑物中，保證室內涼爽，而在冬天能盡量保持熱量保留在建筑物內，從而實現保溫。

2.2 圍護結構

建筑物的圍護結構主要可以分為透明、不透明兩部分，主要有墻、屋頂、樓板、窗戶、天窗、陽臺門等。根據圍護結構在建筑物中位置的不同，又可分為外圍護結構及內圍護結構，外圍護結構中主要有外墻、屋頂等，可以抵御風雨的侵襲、外界溫度的變化和抵御太陽輻射等，主要有保溫、隔熱、防水、防潮、耐火等功能。圍護結構的材質、各部件組成、節能設計等方面都會對建筑的能耗、舒適性、空氣等室內環境質量指標有很大的影響。只增加幾個百分點的外圍護結構投入，就能帶來幾倍甚至十幾倍的節能效果，可見建筑物圍護結構的節能設計對降低建筑物的能耗有顯著的效果。

2.3 建筑物門窗

建筑物門窗主要作用為通風、遮陽，同時也是室外冷熱空氣入侵、陽光入射的主要入室通道，所以門窗是室內熱量升高、降低的主要途徑，是近零能耗建筑設計的薄弱部位，所以門窗位置、材料使用的作用地位尤為突出。

夏熱冬冷地區近零能耗居住建筑能效指標 表1

2.4 建筑物屋頂

建筑物屋頂受陽光直射，表面溫度要高于其他建筑結構。尤其是頂層房間，在夏熱冬冷地區受影響更大，頂層房間的夏熱冬冷現象十分明顯。

3 夏熱冬冷地區近零能耗建筑技術措施

3.1 控制建筑物體形系數

在上述分析中可知，建筑物的體形系數的優化，對建筑物節能的影響十分明顯，即建筑物體形系數每增加1%，建筑物熱量消耗指標增加2.5%左右，所以應進行合理的建筑物結構設計，在建筑設計上使建筑物平面外形盡量規整，減少外墻凹凸面的變化，即盡量減少外墻和空氣的接觸面積。比如同樣高度的建筑物，其平面形式為圓形、正方形、長方形時，對應的建筑物體形系數依次增大。對于普通民用建筑，建筑物體形系數隨著建筑物長度、寬度、高度的增加，而不斷減小，但是減小幅度逐漸下降。建筑物的長寬比、朝向、偏角在很大程度上影響體形系數，當偏角為90°時，南北朝向，長寬比越大，建筑物得熱越少，建筑物體形系數越好。立體布置方面可采用“前低后高”等高低錯落的建筑方式，既可打破單調的建筑樣式，又利于優化建筑物節能設計。

3.2 合理調整建筑物平面布局

合理地設置建筑物布局，比如合理地設置電梯、機房等位置，利用非居住的空間來阻擋日照或者利用結構上設計的優勢，利用空間自然通風來降低溫度。通過空間結構設計，利用門窗、建筑物形成合適的風路，誘導形成自然通風，既能調節溫度，又能改善建筑內空氣質量。

3.3 建筑物圍護結構材料優化

通過改善優化建筑物圍護結構的保溫、隔熱性能，在夏季能有效阻擋外界熱量侵入室內，在冬季可以保持室內熱量不致流失。在材料選擇上可利用多孔洞粘土空心磚、新型節能磚、混凝土空心砌塊等，在保證建筑承重要求的基礎上兼顧建筑物的保溫隔熱性能。多孔粘土空心磚其生產過程中既能減少毀壞耕地，又能節省能耗，其自重輕，使用在建筑物中可減輕地基負載，所以更利于地基的處理和建筑物抗震。由于其空心結構，因此更利于建筑物的保溫。

對于外墻體，采用外墻保溫隔熱技術，對建筑物進行保溫隔熱設計。外墻保溫、隔熱技術的應用，可以有效解決外墻熱橋的問題。在使用中比較成熟的外墻保溫技術方案主要有外貼聚苯板保溫、膠粉聚苯顆粒保溫漿料、夾心聚苯板外墻保溫等[2]。

3.4 建筑物門窗及屋頂的設計優化

建筑物門窗節能設計主要體現在合理控制窗墻比、提高門窗氣密性、改善門窗的保溫、隔熱性能等。合理減少在房屋的四面不同方向的墻體上開窗比例，適當增加北側窗的面積能夠降低夏季太陽熱輻射的影響。提高外窗的氣密性，可以有效減少冬季、夏季室外冷熱空氣向室內的滲透。具體措施如通過設置泡沫密封條，使用新型的窗體粘接材料，使用密封性能更好的門窗。另外可以使用鋼塑復合材料的窗體結構，避免金屬窗體產生的冷（熱）橋，通過設置雙層玻璃、三層玻璃、中空玻璃等進行保溫隔熱，并通過采用窗體玻璃鍍膜的方式減少夏季陽光直射帶來的熱量[3]。

在建筑物屋頂可以通過屋頂綠植、設置屋頂的蓄水池、設置屋頂定時噴水降溫系統以及設置屋頂的通風隔熱層等方式來降低屋頂的溫度。

夏熱冬冷地區的居住建筑能耗參數可參考表2。

3.5 可再生能源的利用

可再生能源對于居住建筑中能源的補充，在近零能耗建筑中起著儲備能源的作用。如夏季在居住建筑樓頂可以布設太陽能板，如此不僅能改善頂層居民的居住環境的熱舒適性，還能充分利用太陽光進行太陽能發電保證居住建筑內的能源供應。在居住建筑中還可利用地熱泵為室內制冷、制熱，地熱泵具有一機多用、維護簡單等特點。與其他加熱或者制冷方式相比，地熱泵在能耗方面表現極為突出，能有效地節約常規能源，充分利用地下水或地表水等低溫熱源，與居住建筑內的居住環境熱交換，實現生活中的制冷或制熱需求[4]。

夏熱冬冷地區近零能耗建筑的建筑參數 表2

4 近零能耗建筑的意義及未來展望

世界上能源消耗主要分布的三大領域為工業、交通、建筑，所以控制建筑物能源消耗對于能源匱乏的國家來說極為重要。我國在近零能耗建筑方面積極地進行探索嘗試和建設，尤其是對于夏熱冬冷地區，其近零能耗建筑的設計對于我國整體近零能耗建筑建設有重大的意義作用。在建設過程中應積極借鑒國外成功的經驗，對技術路線和技術內容進行符合國情和地區情況的轉化。在目前法律、標準的基礎上，進行近零能耗建筑的認證、推廣等工作。借助目前產業轉型升級的機遇，積極推動近零能耗建筑相關的產業升級?？茖W制定建筑指導方案，引導市場完善相關產業配套，制定長期的發展計劃，逐漸降低成本，推動近零能耗建筑的市場化。

5 結語

綜上所述，近零能耗建筑不僅能有效降低能源消耗，保障國家能源安全，還能在建筑物的基本功能外通過結構設計、優化，在降低能耗的同時改善室內居住環境。在近零能耗建筑的設計中應該在掌握建筑使用者舒適性要求的基礎上充分考慮到以下幾點因素：建筑物體形系數、窗墻比、建筑物朝向偏角、圍護結構的優化、門窗材料的選擇、可再生能源的利用等，以達到建筑近零能耗的目標。