被動式超低能耗建筑設計應用

李 磊 (青島中德生態園管理委員會 山東 青島 266426)

引言

隨著城市的迅速崛起和社會經濟快速發展,人們有更多的精力和經濟去追求更好的居住環境。然而,由于居住人口密度增加,碳排放帶來了一系列空氣質量和能源消耗問題。能源產出與能源消耗之間的矛盾日益突出,建筑能耗伴隨著建筑總量的不斷攀升和人們對居住舒適度要求的提高,呈急劇上升趨勢。在如此嚴峻的時代背景下,被動式超低能耗建筑的相關技術迅速迭代成熟,憑借其超低建筑能耗和提供人們舒適的居住環境,成為了國家支持、開發商熱衷、購房者首選的市場寵兒,甚至被稱為當下居住環境的終極形態,成為了建筑節能行業最熱門的話題之一。被動式超低能耗建筑也稱為被動式房屋、被動屋等,是一種全新的節能建筑概念,是指僅依靠建筑本身的構造設計,就能達到舒適的室內溫度,滿足冬暖夏涼的要求,不需要單獨再安裝供暖設施的建筑,即不需要“主動”提供能量的一種建筑。被動式房屋其內涵包括采用各種節能技術構造最佳的建筑圍護結構,極大限度地提高保溫隔熱性能和氣密性,使熱傳導損失最小化;通過技術手段盡可能實現室內舒適的熱濕環境和采光環境;最大限度降低對主動式采暖和制冷系統的依賴,如充分利用室內生活熱量和可再生能源,實現舒適的居住環境,從而大大降低對一次能源的消耗。

1 被動式超低能耗建筑簡介

被動式超低能耗建筑是近些年發展起來的一種新型建筑。與傳統建筑不同,其在保證建筑使用效果的同時,還能減少能源消耗,因此在近些年受到了人們的廣泛關注。具體而言,被動式超低能耗建筑的優勢主要集中在以下幾個方面:

(1)可以保證建筑使用者的舒適感受。被動式超低能耗建筑在進行設計過程中充分利用了當地的氣候特征和自然條件,可以在不使用溫度調節裝置的情況下滿足人們日常需求。尤其是通過使用一些性能優良的透氣材料和隔熱材料,可以提高建筑整體的舒適性。

(2)使用的建筑材料節能環保性較強。這一情況與普通建筑存在較大差異。在開展被動式超低能耗建筑設計工作過程中,其會依據當地的實際溫度條件等對建筑材料進行調整,一方面減少建筑材料對人體的傷害,尤其是對一些甲醛等有毒有害物質可以進行有效控制。另一方面選擇使用的建筑材料節能環保,可以循環使用,降低了對環境造成的影響。

(3)與傳統建筑之間最大的區別在于其節約能源的效果較好。在炎熱的夏季或者寒冷的冬季,被動式超低能耗建筑設計可以在不使用各種溫度調節裝置的情況下滿足人們的日常生活需求,使得建筑使用者能夠始終保持良好的舒適性。

2 開展被動式超低能耗建筑設計的重要性分析

改革開放以來,我國社會經濟迎來了快速發展的時期,人們對生活質量的要求也在不斷提升。尤其是對生活環境和居住環境的要求也在不斷提高。傳統的建筑雖然可以在很大程度上滿足人們對生活條件的要求,但是需要借助各種設備。例如,為了確保室內溫度,在夏季和冬季需要使用溫度調節裝置。而對于一些居住人口密集的大型建筑而言,溫度調節裝置的使用需要消耗大量的能源。這一情況就與當前我國開展的可持續發展戰略相違背,因此近些年低能耗的建筑設計成為我國建筑行業發展的一個重要方向。

經濟的發展和技術的進步使得當前我國建筑行業迎來了快速發展的時期。建筑行業作為能源密集型產業,其能源消耗一直以來受到了人們的廣泛關注。尤其是隨著近些年我國積極開展可持續發展戰略以來,環境保護問題已經成為建筑行業發展過程中無法忽視的問題。為了解決這一問題,我國建筑行業在近些年的發展過程中積極開展了各種形式的創新,同時積極引進了新型設計理念,在能源節約等方面取得了極大的進步。但是,要保證在節約能源的同時滿足人們對建筑的各項要求,成為建筑行業面臨的一個重要問題。而被動式超低能耗建筑設計則可以有效實現這一問題的解決。與傳統建筑設計理念和模式不同,被動式超低能耗建筑設計在開展建筑設計階段從設計理念到選擇的建筑材料等各個方面入手,充分利用了當地的自然條件和氣候條件,有效解決了傳統建筑理念中存在的一些能耗過高等問題。在不使用一些能源消耗設備的情況下滿足人們對建筑的各項需求,從而實現低能耗、高質量的效果,為我國建筑行業的進一步發展開辟了新的途徑,為國家可持續發展戰略的實施提供了有力的支撐。因此,積極開展被動式超低能耗建筑設計研究工作具有重要意義。

3 被動式超低能耗建筑設計研究

3.1 應用環境氣候分析,降低建筑使用能耗

較高的能源消耗是當前我國建筑行業發展過程中需要解決的一個重要問題。通過采取各種有效的方式降低建筑在使用過程中產生的能源消耗,才能符合當前我國可持續發展戰略的各項要求。被動式超低能耗建筑設計作為當前低能耗建筑設計種類的一個重要設計方向,要實現這一目標就必須做好環境分析工作。在實際開展設計工作過程中,必須能夠將氣候環境對建筑物產生的影響作為一項重要工作進行研究。通過這種方式可以有效降低氣候環境對建筑舒適度產生的影響,從而降低能源的消耗。因此,在開展被動式超低能耗建筑設計過程中,設計人員必須充分認識到氣候與室外氣候條件之間的聯系,針對當地的氣候特點開展設計工作,從而獲得良好的設計效果。但是,從實際情況而言,當前對于環境氣候對建筑產生的影響尚未有合適的量化工具和測量手段,因此在開展設計工作過程中并不能充分了解氣候條件對建筑產生的影響。

經過多年的發展,我國現階段針對環境氣候對建筑產生的影響,其測量方法主要有兩種。一種為圖像影響分析,另一種是表格分析。這兩種分析方法主要是從氣候環境對人體舒適度造成的影響等方面出發進行的研究。但是,在實際使用過程中可能受到地域環境等因素的影響較為嚴重。尤其是由于我國地域廣大,不同地區在氣候條件等方面存在的差異較為明顯,因此在實際開展被動式超低能耗建筑設計過程中要依據當地的實際情況構建合適的分析體系,才能真正實現對氣候環境的有效應用。但是,當前在開展設計工作過程中,對環境氣候分析的難點主要集中在室內氣候受室外環境氣候影響等方面。受到技術條件等因素的影響,當前被動式超低能耗建筑設計在這一方面的研究依然存在較多的問題,因此尚需進一步的發展。

3.2 室外典型氣候的精細化表征方法研究

被動式超低能耗建筑設計是一門綜合性較強的設計理念,其要將室內外氣候分析技術和人體舒適度相結合,從而在充分利用室外氣候條件的情況下滿足人們對建筑的實際需求。因此,在開展被動式超低能耗建筑設計過程中,需要通過各種方式對室外氣候的各個參數進行量化,通過這種方式確保能夠在建筑設計過程中加以利用,真正實現降低能耗的效果。但是,從實際情況而言,我國由于被動式超低能耗建筑設計起步較晚,因此在理論分析和模型構建等方面依然存在一些不足,尤其是各種節能技術的存在較多的問題有待解決,與一些西方發達國家相比,在各項技術應用方面依然存在較大差距。雖然我國建筑行業在近些年的發展過程中已經有意識在室外氣候精細化表征技術等方面加以側重,但進展較為緩慢。造成這一情況存在的主要原因是由于當前在室外氣候數據采集等方面存在一些問題,尤其是在數據庫完善性和更新及時性等方面存在問題較多。這就使得我國建筑行業在建筑使用能源消耗等方面缺乏足夠的精細化數據。這些情況的存在都在很大程度上限制著我國被動式超低能耗建筑設計工作的研究進展。但是,隨著近些年我國開展可持續發展戰略,對各個行業能源消耗問題的關注程度較高。同時隨著技術的不斷進步和人們環保意識的加強,建筑能源消耗精細化核算工作的進展較快,這就為后續開展建筑室外氣候精細化表征工作奠定了堅實的基礎。此外,隨著近些年我國各地建筑行業積極開展被動式超低能耗建筑設計工作,其實踐應用經驗也在不斷豐富,因此在后續的發展過程中,被動式超低能耗建筑設計的效果在不斷提升。

3.3 建筑氣候分析技術研究

建筑本身的溫度、濕度等受到室外氣候的影響較為明顯。因此,在實際開展建筑設計工作過程中,設計人員要充分考慮到氣候對建筑產生的各項影響,從而對其加以利用,實現節約能耗的效果。基于這一原因,在實際開展建筑設計工作過程中,建筑設計人員要充分考慮到室外氣候條件對室外氣候產生的影響,由此延伸到對人體感官產生的影響,從而在實際開展設計工作過程中通過各種措施強化設計,提高建筑使用者的舒適度,從而在保證建筑使用效果的情況下滿足低能耗的要求。

3.4 被動式氣候分區技術

由于不同地區的氣候條件差異較大,在實際開展被動式超低能耗建筑設計過程中,要確定是否符合技術條件,或者確定需要使用的技術種類,就必須充分掌握室外氣候條件。而要實現這一目標,就必須依據不同地區的氣候特點,從氣候的差異性和共性等多個方面進行研究,對其進行被動式技術的各項指標進行確認。例如,在我國南方一些地區,夏季濕熱多雨,為了降低室內溫度,就需要通過對建筑的朝向等進行設計,從而降低溫度。而對于我國北方地區,冬季氣溫較低,此時就需要強化建筑的保溫性能,降低建筑整體的熱量散失,從而確保室內溫度能夠滿足實際需求。其中,太陽能的利用就是被動式超低能耗建筑設計的一個典型代表。為了能夠充分利用太陽能滿足建筑運行的各項需求,我國建筑行業積極開展了各項研究。以太陽能供暖為例,為了確保太陽能能夠得到充分利用,必須通過良好的設計不斷提高太陽能設備接受光照的時間。通過這種方式滿足超低能耗建筑的各項要求。但是,受到地區氣候差異等因素的影響,一些地區并不適用太陽能供暖。例如在一些日照時間短的地區,就需要采取一些新的方式和方法對其進行設計,從而在滿足建筑需求的同時實現節能的效果。從這一方面而言,被動式氣候分區技術的研究對被動式超低能耗建筑設計工作具有重要意義。

4 被動式超低能耗建筑設計應用研究

4.1 被動式保溫隔熱系統設計研究

受到地域差異的影響,我國不同地區建筑設計對保溫隔熱的需求存在較大的不同。以我國北方大部分地區為例,北方地區四季分明,夏季炎熱多雨,而冬季寒冷干燥。因此,在進行建筑設計的過程中,既要保證房屋具有良好的隔熱性能,減少夏季外界溫度升高造成的影響,又要強化做好保溫工作,降低冬季由于熱量散失造成室內溫度下降。因此,在開展被動式超低能耗建筑設計過程中,要強化對保溫隔熱的設計工作,降低由于室內溫度調節而產生的能耗,從而實現節能的效果。當前,在對建筑保溫隔熱性能進行設計過程中一般采用B1級的EPS材料。但是,在材料使用過程中要依據不同地區的實際需求進行調整。例如在東北地區,雖然冬季氣溫較低,但是建筑墻體較厚,這就使得其本身就具有較好的保溫性能。我國西北地區,日照時間較長,因此在添加保溫隔熱材料的基礎上還要覆蓋紫外線吸收材料,降低墻體受到的熱輻射。同時對地板要采用雙層結構,從而提高其保溫防水性能。

4.2 強化可再生資源的應用

積極開展可再生資源的應用,是實現被動式超低能耗建筑設計效果的重要基礎。因此,在實際應用過程中,各種可再生能源的應用已經成為開展被動式超低能耗建筑設計的一個重要途徑。以太陽能為例,當前我國很多地區都積極強化了對太陽能的利用。例如,通過在屋頂加裝太陽能系統,可以將其轉化為電能或者直接利用其熱能供建筑使用。

5 被動式超低能耗建筑發展展望

被動式超低能耗建筑作為當前我國建筑行業發展過程中的一個重要方向,其符合綠色建筑發展的思路,與我國現行的可持續發展展露而相契合,因此對我國建筑行業而言具有重要意義。為了滿足現階段我國建筑行業的發展需求,被動式超低能耗建筑在后續的發展過程中其研究方向主要集中在以下兩個方面:首先,以往的實踐經驗證明,要充分發揮被動式超低能耗建筑設計的效果,就必須在了解不同地區氣候特征的實際情況基礎上開展工作。同時,鑒于現階段在開展實際應用過程中存在的各種不足,在后續開展工作過程中必須積極強化技術研究工作,針對當前室內外溫度精細化表征和聯系之間的問題開展技術攻關,從而為后續開展被動式低能耗建筑設計工作奠定理論基礎。其次,要緊跟發展前沿開展被動式低能耗建筑的研究工作。例如,在一些發達國家已經開展了零能耗建筑設計的研究工作。因此,在后續開展工作過程中要進一步降低建筑能耗的應用,從而不斷提高建筑的節能水平,實現建筑行業的整體進步。

總結

被動式超低能耗建筑設計作為當前我國建筑行業發展的一個重要方向,在后續開展工作過程中必須強化技術研究,依據不同地區的實際情況加以應用,從而實現建筑能耗的降低,促進我國建筑行業高質量、可持續發展。