適應重慶氣候的被動房設計策略研究

趙俊剛 王皓月

摘 要：被動房近年來在國內日益受到關注，被動房設計與當地氣候特征條件密切相關，探索與地域氣候條件相適應的設計策略對于推動被動房技術的發展具有重要作用。梳理被動房建筑的概念、定義、原則和指標，對重慶地區的氣候特點進行分析和總結，提出了尋求最佳的規劃布局與建筑朝向，控制建筑體形系數，優化建筑平面布局，進行合理的遮陽設計，采用高性能圍護結構，無熱橋和氣密性設計，積極利用可再生能源，采用高性能空氣調節系統等設計策略，為重慶地區的被動房建筑設計提供一定的參考。

關鍵詞：重慶;被動房;低能耗;氣候條件;設計策略

中圖分類號：TU201.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）09-0101-03

0 引言

“被動房”是一種低能耗高性能的建筑，現已在德國、瑞典、美國等國家獲得了較為廣泛的運用，目前我國也已建成20多個符合國際水平認證（PHI）的被動式建筑示范項目，但大部分示范項目集中在太陽能、風能資源豐富的地區。因為重慶的太陽能資源相對缺乏，年平均風速很小，其設計經驗很難直接在重慶地區使用。因此，如何在重慶的地域氣候條件下進行被動房的設計是非常值得研究的課題。

1 被動房概述

1.1 “被動房”建筑的定義

定義一：“被動房建筑是指不通過傳統的采暖方式和主動的空調形式來實現舒適的冬季和夏季室內環境的建筑”。這是歐盟委員會支持的歐洲被動房建筑促進項目（Promotion of European Passive Houses）中對“被動房”建筑的定義[1]。

定義二：“被動房是指通過采用先進節能設計理念和施工技術使建筑圍護結構達到最優化，極大限度地提高建筑的保溫、隔熱和氣密性能，并通過新風系統的高效熱（冷）回收裝置將室內廢氣中的熱（冷）量回收利用，從而顯著降低建筑的采暖和制冷需求”。這是引自中德合作示范項目手冊中對“被動房”建筑的定義。

1.2 “被動房”的原則與標準

一般來說，被動房的設計應遵循5個原則：無熱橋設計、高性能窗戶、帶熱回收的新風系統、高保溫性能和高氣密性的圍護結構。

2國內外被動房發展和研究簡況

2.1 國外“被動房”發展和研究簡況

1996年，菲斯特博士在德國成立了“被動房”研究所，該研究所現在是“被動房”建筑最權威的研究機構之一。如今，歐洲、美洲等發達地區許多國家都出現了“被動房”建筑研究的相關機構。

如今，成千上萬的“被動房”實踐項目已在歐洲落地開花，“被動房”的概念范圍也得到了合理的延展，從過去的僅限于住宅建筑逐漸滲透到各種各樣的公共建筑中。

2.2 國內“被動房”發展和研究簡況

2009年中國住房和城鄉建設部與德國能源署展開合作，推動被動式低能耗建筑在中國的發展。

中國建筑標準設計研究院2017年編制出版了國家建筑標準設計圖集《被動式低能耗建筑——嚴寒和寒冷地區居住建筑》，對嚴寒地區及寒冷地區的被動式低能耗居住建筑建設起到了指導作用。

截至2020年底，國內已有河北、陜西、湖南、山東、黑龍江等多個省頒布了被動式低能耗建筑節能的設計標準來指導當地的被動式低能耗建筑發展。

3重慶地區氣候特點分析

分析當地的氣候特點，是進行被動式設計的基礎和關鍵。

重慶屬于我國建筑熱工設計分區中的夏熱冬冷地區，下面從溫度、濕度、風環境、日照、降水等幾個方面對重慶地區氣候特點進行分析。

3.1 溫度

重慶年平均氣溫為18℃。其中在1月氣溫最低，月平均氣溫為7℃，有記錄的最低氣溫為零下3.8℃。7、8月氣溫最高，白天平均氣溫34℃～36℃，夜晚平均氣溫25℃～27℃。重慶氣溫呈現非常典型的“夏熱冬冷”的特點。

3.2 濕度

重慶年大部分地區平均相對濕度在78%～83%之間，且冬季較小，夏季最大，為國內高濕地區。

3.3 風環境

重慶地處東亞季風區，受東北、西南向平行嶺谷地形影響，冬季多偏北風，夏季南風較強，年平均風速1.12 m/s，靜止風頻率較多。

3.4 日照

重慶年均日照量相較于全國其他城市較少，年平均日照時數為1 200～1 300 h。7月至8月，月平均日照時數為230 h，其他月份則不足150 h。

3.5 降水

重慶年降雨量在1 000～1 100 ml之間，汛期一般出現在6至8月，夏季三個月的降雨量約為463～506 ml之間。從寒露到立春多霧，年均霧日約60 d。

總的來說重慶的氣候特點可以概括為：夏熱冬冷，四季分明;空氣濕潤，降水豐沛;無霜期較長，太陽輻射弱，日照時間短;多云霧，少霜雪;光溫水同季，立體氣候顯著。

4重慶地區被動房設計策略

通過分析現有被動式技術與成功經驗，在重慶氣候條件下，推廣被動房建筑應主要考慮降低建筑能耗需求，改善能源系統和設備效率、充分利用可再生清潔能源等因素[2]，具體來說主要有以下設計策略。

4.1 尋求最佳的規劃布局與建筑朝向

建筑的整體規劃布局會對建筑能效有較大影響。被動房建筑技術應從規劃階段開始，考慮如何利用自然能源在冬季獲得更多的熱量，減少熱量損失，在夏季減少熱量，加強通風。具體而言，夏季應加強自然通風，設置綠化和景觀以減少熱島效應，減少夏季新風負荷，提高空調設備效率;在冬季，應控制建筑的遮擋，加強日照吸熱，通過對建筑空間布局的分析，營造適宜的風環境，減少冬季寒風的穿透力。各種方案的對比分析需要計算機軟件精確模擬，以獲得最佳的布置方案。

建筑物的朝向直接影響其內部的熱環境，是節能設計的關鍵點之一。重慶地區建筑最佳朝向范圍為南偏東15°至南偏西5°，并應該盡量避免西曬。在設計中，應將建筑的主要朝向控制在最佳朝向范圍內，使建筑在全年獲得最合理的日照條件，從而達到以較低成本，充分利用太陽能的被動式建筑設計目的。

4.2 控制建筑體形系數

體形系數是影響建筑能耗最重要的因素之一，控制建筑的體型系數可以減少建筑表面與外界的熱交換，降低夏季的制冷和冬季的采暖能耗。在設計中采用較規整的建筑造型，增加建筑進深及高度是減小體形系數、降低空調能耗的有效途徑。確定建筑物體形系數時應綜合考慮建筑造型、功能布局和采光通風等要求，選擇最佳的建筑形態[3]。

4.3 優化建筑平面布局

被動房建筑房間通風好壞與熱環境的舒適程度受建筑平面形態影響較大，良好的平面造型設計可以減緩被動房的冷熱損失，加快內部污染的擴散，改善室內空氣質量，提高人體舒適度，通過優化建筑空間和平面布局，獲得良好的自然通風并盡量形成穿堂風，消除室內余熱;充分引入自然采光，減少對人工照明的依賴;重慶夏季氣溫高，日照強烈，應盡量減少西向窗口或幕墻面積，避免西曬引起室內過熱[4]。

4.4 合理的遮陽設計

重慶地區夏季炎熱，太陽輻射較強，且靜風時間較長，建筑遮陽作為一種降低室內溫度的有效措施對于該地區具有較大的實用價值。

固定遮陽的設計應綜合考慮建筑物的朝向及緯度等因素，并參考當地的太陽高度角與方位角進行日照分析。重慶屬于夏熱冬冷地區且緯度較低，太陽高度角較大，對南面朝向的窗戶來說較小的水平遮陽就可以達到很好的效果。東向和西向應根據具體情況設置垂直遮陽、綜合遮陽、擋板遮陽或者活動外遮陽來起到夏季遮陽的作用。

另外，利用落葉植物夏季枝葉茂盛，冬季沒有樹葉的特性，可充分利用落葉植物對低層及多層建筑、高層建筑的低層部分形成自然遮陽。

4.5 高性能圍護結構策略

被動房維護結構一般采用保溫材料將外墻、屋面和其他裸露部位全包覆，形成連續完整的保溫體系，使得建筑主體圍護結構受到全面保護。

從節能保溫角度考慮，外圍護結構采用外保溫系統效果更好，且保溫層應連續完整，避免出現熱橋;外圍護結構的墻體材料宜采用熱惰性大的復合墻體結構;宜采用淺色飾面或具有反射隔熱功能的涂料飾面;優先選用高性能保溫材料，減小保溫層厚度;屋面保溫材料應具備較低的吸水率、較好的抗壓性能、較好的抗溫度變形性能。

外門窗型材應采用斷橋鋁合金、PVC塑料、木材和鋁木復合等保溫性能好的材料，外窗及陽臺門的玻璃應盡量采用三玻雙中空玻璃，并采取設置Low-E層、真空層或填充惰性氣體層、邊部密封構造等加強玻璃保溫隔熱性能的措施。

4.6 無熱橋設計

被動房建筑中的熱橋影響會遠遠超過普通節能建筑，減少熱橋是實現超低能耗目標的關鍵因素之一。熱橋現象常出現在外墻板、外門窗的安裝節點，進出建筑物的管道口及傳統混凝土結構的梁柱等處，需要在這些部位進行重點處理;外圍結構的保溫層如果能保持連續完整，就可以最大程度地避免出現結構熱橋。

外門窗的安裝方式應根據墻體的保溫形式進行單獨設計。當墻體采用外保溫系統時，外門窗應整體外掛式安裝。門窗框內表面應與基礎墻外表面齊平，門窗應位于外墻外保溫層內。外門窗與基礎墻的連接處應采取封堵措施以便減少熱橋的影響。

4.7 高氣密性設計

建筑物氣密性是影響建筑空調能耗和供暖能耗的重要因素，對實現超低能耗目標來說，由于其維護結構較好的保溫隔熱，由單純圍護結構傳熱導致的能耗較小，相反氣密性如果不好，能耗的比例將大幅提升，因此建筑氣密性能對被動房來說比一般建筑更加重要。良好的氣密性可以減少冬季室外冷空氣和夏季室外熱空氣的滲透，同時可以避免因濕氣侵入而引起的霉變、結露和建筑物損壞，減少外部噪聲及空氣污染對室內環境的影響，提高建筑物的舒適性。

對于被動房來說，在正常設計施工條件下，外門窗的氣密性對建筑整體氣密性影響較大。設計時，應選用氣密性等級高的外門窗，并在外門窗與門窗洞口的連接間隙處進行氣密性處理;對各類洞口、水電管線貫穿點、不同圍護結構的連接點等可能影響氣密性的部位，如排風設備、圍護結構的邊界點等，應進行有效封堵，并同時確保封堵材料的耐久性。

4.8 可再生能源利用

目前，許多發達國家都重視開發、利用和推廣各類可再生能源。我國家用太陽能系統產品發展迅速，太陽能熱水系統是投資回收期最短、節能效益最好的系統，技術成熟，有生活熱水需求的居住建筑推薦安裝太陽能熱水系統。但重慶各地區的日照條件不盡相同，應根據建筑物的位置、氣候條件和建筑形式等因素綜合考慮，選擇合適的類型和位置安裝使用，并應與建筑物造型及環境相協調。當太陽能熱水系統需要輔助加熱時，宜采用空氣源熱泵等。對于重慶的多數地區，夏季日照豐富而冬季日照不足，不太適合采用太陽能熱水系統。但是可以采用太陽能發電系統，夏季發電較多，可有效降低夏季用電高峰的峰值。

重慶水源較為豐富，很多地方有條件采用地源熱泵系統。采用地源熱泵系統集中供冷、供暖時，如果地埋管換熱器的出水溫度、地下水或地表水的溫度滿足末端進水溫度需求時，可直接利用。項目實施過程中應注意選用高能效水源熱泵機組，提高能效。

4.9 通風和空氣調節策略

被動式建筑由于圍護結構保溫、隔熱、密封性能優異，通過圍護結構產生的空調冷、熱負荷在總負荷中占比很少，新風負荷是主要負荷?？刹捎脦峄厥展δ艿男嘛L空調一體機，即可滿足室內供冷、供暖、除濕需求，通過加強對新風和回風的熱、濕和過濾處理，實現對室內空氣的溫濕度及潔凈度等的有效控制。該空調方式目前已較為成熟，可在被動式建筑中大量推廣。

5結語

通過分析被動房的基本概念，梳理國內外“被動房”發展和研究狀況，分析重慶地區的氣候特征，運用建筑性能模擬軟件Ecotect Analysis對重慶地區與被動式設計策略進行研究，提出了尋求最佳的規劃布局與建筑朝向，控制建筑體形系數，優化建筑平面布局，進行合理的遮陽設計，采用高性能圍護結構，無熱橋和氣密性設計，可再生能源利用，采用高性能空氣調節系統等策略，希望能給對重慶地區被動房設計提供一定的參考，對促進被動房在重慶及氣候條件接近西南地區的發展貢獻綿薄之力。

參考文獻

[1] 周正楠.對歐洲“被動房”建筑的介紹與思考[J].建筑學報， 2009（5）：10-13.

[2] 張麗娜，季亮，方舟.長三角夏熱冬冷氣候下的被動式綠色設計策略及其量化效果分析[J].建筑技藝，2020（7）：102-105.

[3] 任志剛，張強，涂警鐘，等.基于氣候適應性分析德國被動房概念在中國的實現[J].建筑科學，2017（4）：150-157.

[4] 宋曄皓，王嘉亮，朱寧.中國本土綠色建筑被動式設計策略思考[J].建筑學報，2013（7）：94-99.