住宅建筑被動式節能設計

蔡銀蘭

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300070）

1 被動式住宅建筑的具體要求與節能方法

1.1 具體要求

通過有效方式發揮建筑的節約能源成效是被動式住宅建筑的最高要求，單純利用自然條件無法實現節約能源的效果。開展住宅建筑的被動式節能設計的最終目標是達到理想化建設狀態，即在炎熱的夏季，室內溫度應保持在25℃以下，在寒冷的冬季，室內溫度應保持在20℃以上；同時，室內濕度應維持在40%～60%，被動式住宅建筑的室內門窗要求無結露。為使住宅建筑體現節能成效，當前設計應多關注新風、門窗、保溫、氣密性等方面（見圖1）。

圖1 被動式住宅技術原理

1.2 節能方法

被動式住宅建筑起源于20世紀90年代的德國著名金融中心城市法蘭克福。此類住宅使用超厚的絕熱材料和復雜的門窗，主要通過住宅本身的構造做法達到高效的保溫隔熱性能，并利用太陽能和家電設備的散熱為居室提供熱源，減少或不使用主動供應的能源，即便是需要提供其他能源，也盡量采用清潔可再生能源（見圖 2）。

圖2 世界首棟被動式住宅

在被動式住宅建筑建設前期，針對項目周邊的氣候、地形、溫度等條件開展分析工作，擇取相對適宜的建設地點，可有效利用自然條件影響降低對能源的消耗量；在被動式住宅建筑建設過程，應用施工舉措使所消耗材料發揮出環保成效，并對其建造方法、建筑材料、拆除方式等方面實施嚴密監測，確保其符合節能要求。

2 具體特征

2.1 朝向合理

為達到節能目的，被動式住宅建筑設計應盡可能減少外墻面積，同時應盡量采用南北朝向以更好地利用太陽能。在實際設計過程中，東西朝向若設計大面積開窗，須有相應的人工或自然遮陽設施。

2.2 密閉性良好

與普通住宅建筑相比，被動式住宅建筑一般無須配備暖氣設備。若想達到室內保溫效果，應做好密閉性處理。針對住宅建筑開展妥善的保溫設計，并對住宅門窗實施特殊的保溫及熱隔離處理。

2.3 水消耗量低

為降低水消耗量，可通過有效方式收集雨水，并將其用于花園澆灌、沖刷廁所。被動式住宅建筑可利用屋頂的太陽能加熱裝置實現熱水供應，若有更高需求，可額外增設天然氣加熱裝置。從具體消耗量來看，普通住宅建筑每年需使用天然氣1 500～2 000L，被動式住宅建筑每年需要天然氣150～250L。

2.4 通風性良好

被動式住宅建筑有較強的密閉性，故做好通風處理意義重大，可防止霉變發生，但可能會帶來能源損失，故需應用新式設備解決這一問題。同時，利用熱循環交換器降低通風熱損失。

3 節能設計

3.1 布局設計

被動式住宅建筑布局應充分考慮日照條件及風環境。

1）日照條件 建筑布局應充分考慮日照間距，如我國北方地區的住宅建筑應考慮城市的緯度開展合理化布局。一般而言，大城市住宅建筑冬至日應確保每天至少有2h的日照時長，小城市住宅建筑應確保每天至少有3h的日照時長。值得說明的是，相關數值會受到城市氣候區域影響，且日照間距會受到建筑高度以及太陽高度角的影響。由此可見，日照間距確定須參照相關規范針對建筑高度實時調整。若大城市住宅建筑周圍存在較多建筑物，日照高度基本穩定，則僅需計算建筑高度就能作出相關調整，進而提出合理的方案。

2）風環境 從自然風的角度來看，一般需考慮下風向以及上風向的影響。為達到受風均勻目的，建筑可應用自由化布局方案以確保其實現冬季防風、夏季通風，利用此法降低建筑能源過多消耗。

3.2 單體設計

建筑采暖能耗會受到建筑形體影響，合理的建筑體形系數可有效控制建筑采暖能源消耗。如我國寒冷的北方地區開展建筑節能設計時，對住宅建筑體形系數有明確規定：1～3層建筑的體形系數為0.50；4～8層建筑的體形系數為0.30；9～13層建筑的體形系數值為0.28；14層及14層以上建筑的體形系數值為0.28以下。由此看出，將被動式節能設計應用于建筑單體時，需對建筑的體形系數加以嚴格控制。同時，應注重套型設計，單個房間設計需參考具體的環境條件。

3.3 屋面節能設計

倒置式屋面設計方案是于傳統建筑屋面構造內將防水層和保溫層倒置，保溫層材料具有疏水性，故可取得較好的節能效果。倒置式屋面設計方案既能降低房屋造價，又可有效規避防水層變形，延長其使用壽命。

3.4 外墻節能設計

外墻能耗占建筑物總體能耗的40%。外墻節能設計重點在于控制外墻隔熱保溫系數。熱橋效應是降低墻體保溫隔熱性能的關鍵要素，故將保溫層置于外墻結構的最外側，可生成建筑高效保溫層，降低外界環境對建筑物的影響，減少熱橋生成量。同時，其與裝飾面之間形成的空氣層能有效保護保溫層。

3.5 門窗節能設計

建筑物內外熱交換最活躍的位置為玻璃。建筑門窗節能設計應以不干擾建筑功能為前提，盡量降低窗墻比。此外，相較于普通中空玻璃，高性能玻璃的保溫及隔熱性能更佳，能全面減少室內外熱傳導。外墻應用斷橋鋁合金窗框以及中空玻璃，全面強化窗框與窗口連接位置的斷橋節點，可實現較好的保溫隔熱效果。同時，提高安裝精準度及安裝密封條等方式可在原有基礎上有效提高門窗的密封性能，降低室內外空氣的滲透率。

3.6 自然通風設計

1）地道通風組織 地道風的特征為溫度適合、冬暖夏涼。風道造價便宜，可對新風實施預熱以及預冷處理。應用地道通風方式可全面減少冬季采暖和夏季制冷的能量消耗。

2）豎井通風組織 豎井又被稱為拔風煙囪。豎井上方為玻璃天窗，太陽光照射到玻璃天窗后，會令豎井的溫度及熱空氣流動速度提高，此為熱壓效應。建筑門窗為進風口，其與豎井玻璃天窗排風口有一定高度差，此類高度差生成風壓。熱壓與風壓的耦合作用可進一步強化自然通風流動速度。

3）場地自然通風 場地設計應結合冬季及夏季的自然風向。建筑平面設計利用轉折、扭曲等辦法，加大朝向夏季主要方向的外立面，同時應規避與冬季主風向生成90°角，合理利用有利風向，規避不利風向對建筑物的不良影響（見圖3）。

圖3 場地自然通風

4 結語

目前，能源過度消耗已成為阻礙我國建筑行業發展的重要問題，應從污染嚴重、能源消耗高的行業著手，積極貫徹落實綠色環保理念。推廣被動式節能設計、發展綠色住宅建筑是推進我國建筑行業可持續發展的重要方式，可為民眾提供良好的生活環境。