被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與應(yīng)用

曹濤

（山東大衛(wèi)國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，濟(jì)南250001）

1 引言

城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的加快帶動(dòng)了我國(guó)建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，在現(xiàn)代建筑施工建設(shè)和使用的過(guò)程中，往往會(huì)消耗大量的能源資源，并不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。對(duì)此，在建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)重視能耗的控制，借助被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，在保障節(jié)能效果的同時(shí)，為人們提供更加舒適、更加健康的生活與工作環(huán)境。

2 被動(dòng)式超低能耗建筑概述

被動(dòng)式超低能耗建筑就是在建筑設(shè)計(jì)、施工和使用的過(guò)程中，盡可能地減少能源消耗，通過(guò)少用甚至不用主動(dòng)暖通空調(diào)系統(tǒng)的方式來(lái)維持室內(nèi)熱環(huán)境，是現(xiàn)代建筑順應(yīng)自然要求的典范，同時(shí)，也是建筑節(jié)能發(fā)展的主要方向。被動(dòng)式超低能耗建筑存在3個(gè)核心特征，分別是順應(yīng)自然、超低能耗和高舒適度。在建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，采用被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略可以借助建筑朝向、遮陽(yáng)裝置、蓄熱材料、自然通風(fēng)等自然因素實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源的直接利用，在推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展方面有極其深遠(yuǎn)的意義。對(duì)比現(xiàn)行國(guó)家建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，被動(dòng)式超低能耗建筑的供暖和供冷需求能夠降低85%～95%，而要達(dá)到這一目標(biāo)，需要滿(mǎn)足6個(gè)主要技術(shù)特征，分別是：高效非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)、高節(jié)能保溫門(mén)窗、高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)、良好的氣密性、無(wú)熱橋設(shè)計(jì)和可再生能源利用[1]。

3 被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

3.1 理論方法

被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)理論綜合了建筑設(shè)計(jì)學(xué)、建筑氣候?qū)W和建筑環(huán)境學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)，以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為支撐，針對(duì)人體熱舒適氣候規(guī)律進(jìn)行研究，形成了多樣化的設(shè)計(jì)模式，是低能耗建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種創(chuàng)新，滿(mǎn)足建筑可持續(xù)發(fā)展的要求。在被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員遵循熱平衡理論，通過(guò)對(duì)自然采光、自然通風(fēng)以及太陽(yáng)能采暖等要素的合理利用，減少了暖通空調(diào)等設(shè)備的使用，降低了建筑能耗。在被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)中，需要對(duì)地域性氣候資源利用、建筑設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用等問(wèn)題進(jìn)行解決，盡量提高對(duì)自然資源的利用率，減少人們對(duì)設(shè)備的需求，取得良好的節(jié)能降耗效果[2]。

3.2 環(huán)境因素

被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中的環(huán)境因素體現(xiàn)在2個(gè)方面。

3.2.1 氣候大環(huán)境

氣候環(huán)境因素是建筑設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)核心問(wèn)題，在我國(guó)，南北地區(qū)的氣候差異極其明顯，南方（如海南等地）夏季氣溫高，對(duì)于供冷有著非常強(qiáng)烈的需求；北方（如東北三?。┒練鉁氐停枰罅康呐瘹夤?yīng)?；诖?，在被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要做到因地制宜，選擇最為合理的技術(shù)，依照氣候大環(huán)境，做好設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化調(diào)整。

3.2.2 室內(nèi)外環(huán)境

被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)人員對(duì)照完善、精確的數(shù)據(jù)，做好室內(nèi)外環(huán)境特征的綜合分析[3]。具體來(lái)講，應(yīng)在充分考慮當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯那闆r下，從近幾年的氣候數(shù)據(jù)中提取典型要素，做好日照、輻射、風(fēng)速、溫度、濕度等方面的全面分析，對(duì)照建筑本身的功能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡可能降低建筑運(yùn)行能耗。以長(zhǎng)野冬奧會(huì)速滑館為例，采用了雙層可調(diào)節(jié)呼吸外墻，并在墻體中設(shè)置了相應(yīng)的空氣夾層，可在冬季和夏季通過(guò)開(kāi)合調(diào)控的方式實(shí)現(xiàn)冬季保溫、夏季隔熱的良好效果。在屋面上設(shè)置了高低側(cè)采光天窗，通過(guò)折射的方式將光照引入室內(nèi)，滿(mǎn)足室內(nèi)采光需求的同時(shí)，也能避免眩光引發(fā)的負(fù)面影響。

4 被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 體型朝向設(shè)計(jì)

在被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)中，建筑的朝向應(yīng)盡量采用南北朝向，這樣能有效實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)和采光。為了避免主要功能用房西曬的情況，可以在建筑西側(cè)外墻設(shè)置相應(yīng)的景觀廊架，搭配垂直綠化來(lái)阻擋夏季西側(cè)強(qiáng)烈的太陽(yáng)照射，提升室內(nèi)環(huán)境的舒適度[4]。在對(duì)建筑體型朝向進(jìn)行確定時(shí)，應(yīng)從其功能方面進(jìn)行考慮，不能為了追求立面的變化而一味采用復(fù)雜化的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致能耗增加。同時(shí)，在對(duì)建筑群體進(jìn)行布置，或者對(duì)建筑單體形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要避免建筑大面積處于風(fēng)場(chǎng)渦流區(qū)的情況，可以通過(guò)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)量的合理調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)建筑自然通風(fēng)。

4.2 自然能源利用

以自然能源代替常規(guī)能源是被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要體現(xiàn)，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿鹊暮侠砝?，能夠有效減少建筑使用環(huán)節(jié)對(duì)傳統(tǒng)能源的消耗，促進(jìn)節(jié)能降耗目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。以太陽(yáng)能技術(shù)為例，太陽(yáng)能是一種綠色、清潔、可再生的能源，具備持續(xù)再生以及零污染的特性，其在被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，一般是通過(guò)在建筑頂部設(shè)置太陽(yáng)能熱水器或者太陽(yáng)能電池板的方式，為建筑提供熱水和電能，滿(mǎn)足建筑的使用需求[5]。

4.3 保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面的問(wèn)題。

4.3.1 保溫材料

從被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的角度，在對(duì)保溫材料進(jìn)行選擇的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮建筑本身的功能需求，保證材料的性能、規(guī)格合理，如果條件允許，應(yīng)優(yōu)先選擇綠色環(huán)保節(jié)能材料。而在對(duì)建筑保溫隔熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)重視新型保溫材料的合理應(yīng)用，如無(wú)機(jī)保溫砂漿、保溫裝飾一體化板、納米隔熱板、EPS泡沫板以及泡沫玻璃等，確保其在發(fā)揮良好保溫隔熱效果的同時(shí)，滿(mǎn)足綠色環(huán)保的要求。

4.3.2 外墻保溫

對(duì)于被動(dòng)式超低能耗建筑，外墻保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式超低能耗建筑節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可采用保溫設(shè)計(jì)和隔熱、散熱設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，同時(shí)，將區(qū)域氣候條件考慮在內(nèi)。在我國(guó)不同地區(qū)，外墻隔熱設(shè)計(jì)采用的技術(shù)存在一定的差異性，例如，在南方地區(qū)，夏季氣候炎熱，冬季相對(duì)溫和，外墻保溫系統(tǒng)一般會(huì)選擇無(wú)機(jī)保溫材料，或者墻面垂直綠化、淋水被動(dòng)蒸發(fā)以及比較獨(dú)特的通風(fēng)墻、干掛通風(fēng)幕墻等；在北方地區(qū)，夏季氣候炎熱，冬季寒冷干燥，建筑外墻保溫設(shè)計(jì)的目的是防止室內(nèi)熱量散失，一般會(huì)利用苯板復(fù)合材料設(shè)置相應(yīng)的墻體保溫夾層，或者在墻體外部設(shè)置保溫隔熱層，相比混凝土材料和磚瓦材料，復(fù)合材料有更好的保溫隔熱效果[6]。

4.3.3 屋面保溫

屋面保溫與外墻保溫類(lèi)似，大多采用絕熱擠塑聚苯板、泡沫玻璃等保溫材料，設(shè)置通風(fēng)隔熱屋面，也可以設(shè)置附帶通風(fēng)空氣層的金屬夾層隔熱屋面，相比外墻保溫，屋面空間的可利用性大，屋面保溫的形式更加多樣化，還可以設(shè)置蓄水屋面、種植屋面等。以種植屋面為例，可以在屋面設(shè)置一定厚度的土層用于種植綠色植被，不需要另外設(shè)置保溫層，就可以起到良好的保溫隔熱效果，還可發(fā)揮降塵、減噪、提高空氣質(zhì)量的效果，也能夠營(yíng)造出更加豐富的城市空中景觀。不僅如此，種植屋面能夠在一定程度上對(duì)雨水進(jìn)行截流，有效緩解城市排水系統(tǒng)的壓力。地板保溫設(shè)計(jì)是北方房屋保溫系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，一般采用保溫板和保溫砂漿，通過(guò)在保溫材料上設(shè)置配筋細(xì)石混凝土保護(hù)層的方式提高其保溫效果[7]。

4.4 門(mén)窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對(duì)建筑門(mén)窗進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)將建筑所處區(qū)域的氣候、主導(dǎo)風(fēng)向、溫度、濕度等因素全部考慮在內(nèi)，例如，在南方地區(qū)，應(yīng)在南北朝向設(shè)置大窗，為通風(fēng)和采光提供便利，東西朝向則應(yīng)適當(dāng)縮小窗體面積，同時(shí)，對(duì)窗體的位置和數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，確保室內(nèi)空氣能夠形成對(duì)流。還應(yīng)確定進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的尺寸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)氣流速度和氣流流場(chǎng)的有效控制，也可以通過(guò)設(shè)置挑檐、遮陽(yáng)等具備一定導(dǎo)風(fēng)功能的構(gòu)件，對(duì)窗口的正負(fù)壓進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)一步增強(qiáng)空氣流動(dòng)性。在東西側(cè)外窗需要設(shè)置相應(yīng)的遮陽(yáng)措施，在考慮天然采光效果的情況下，可以采用2種不同的遮陽(yáng)方式：固定式遮陽(yáng)和可調(diào)式遮陽(yáng)。在保證采光的同時(shí)，避免眩光的影響。相比較而言，推拉窗比平開(kāi)窗有更好的氣密性。另外，應(yīng)控制好門(mén)窗和建筑整體的比例，因?yàn)槠鋾?huì)直接影響建筑整體的保溫隔熱效果。對(duì)于東向和北向建筑，門(mén)窗比應(yīng)在20%以下；對(duì)于西向建筑，門(mén)窗比應(yīng)在30%以下；對(duì)于南向建筑，門(mén)窗比不能超過(guò)35%，這樣才能切實(shí)保證門(mén)窗系統(tǒng)的節(jié)能降耗效果[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比主動(dòng)式節(jié)能建筑，被動(dòng)式超低能耗建筑不僅節(jié)能效果更好，而且還具備綠色環(huán)保的特點(diǎn)，在建筑工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在新的發(fā)展環(huán)境下，有關(guān)部門(mén)應(yīng)加大對(duì)被動(dòng)式超低能耗建筑的研究，明確其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和應(yīng)用策略，確保被動(dòng)式超低能耗建筑能更好地符合我國(guó)環(huán)境特征，實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能降耗效果，以此來(lái)推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)穩(wěn)定健康發(fā)展。