被動式節能策略在公共建筑設計中的實踐探究

莊 園

1 公共建筑能耗及被動式節能技術

（1）公共建筑能耗。公共建筑包括辦公建筑、商場建筑、旅游服務類建筑、文化教育類建筑以及體育建筑等，目前各個省份和直轄市已經建立了大規模的公共建筑能耗監測系統。圖1 是國內某直轄市2020 年各類公共建筑年用電占比情況，其中辦公建筑、商場建筑以及綜合建筑的用電份額均超過20%，尤其是辦公建筑，其占比接近30%。另外，該城市的統計數據反映出夏季制冷消耗的能源約為冬季制暖的1.5 倍，制冷時的平均能耗達到了40.2 kW·h/m2，冬季制暖時的平均能耗達到了26.5 kW·h/m2。由于公共建筑在城市管理、商業經營等各個方面都發揮著非常重要的作用，并且此類建筑物體量巨大，整體能耗占比突出，因此成為節能管理重點。

圖1 國內某直轄市2020 年各類公共建筑年用電占比情況

（2）被動式節能技術。被動式節能技術不依賴建筑物中的各種機械和電氣設備，其主要理念是充分利用自然環境中的風、光、熱等能源，科學合理地設計建筑物主體，達到降低能耗的目的。被動式節能設計包括3 個方面：一是建筑物場地選址和設計，該項為設計重點；二是建筑物空間和體型設計；三是建筑物圍護結構設計[1]。

2 被動式節能策略在公共建筑規劃設計階段的實踐應用

2.1 公共建筑朝向設計

（1）朝向影響風環境。風力作用對建筑物夏季降溫和冬季保暖具有非常顯著的影響，如果能合理設計建筑物朝向，那么將有助于減少空調的使用，依靠自然通風獲得舒適的體感。我國冬季多以西北風向和東北風向為主，而夏季則以東南風向和西南風向為主，在設計建筑物朝向時應充分考慮季節性因素，夏季要盡可能利用自然風達到降溫換氣的效果，而進入冬季后則要通過保溫來降低能耗，避免主導風穿過建筑物。因此，公共建筑朝向設計時可根據每個地區的季風特點，將外立面設計為與冬季主導風向垂直并減少通風面積，同時要有助于夏季主導風向通過，減少阻擋面積[2]。風向與建筑朝向的關系如圖2 所示。

圖2 風向與建筑朝向的關系

（2）朝向影響建筑物采光。朝向直接影響建筑物的采光效果，合理設計建筑物朝向需做到采光和建筑室內溫度控制的平衡。采光的最佳方向是朝南，但正對南側會導致夏季室內熱輻射過強，因而需采用南偏西或者南偏東的朝向，角度調整范圍均控制在東西兩側15°，同時建筑物南側不應設置遮擋物，以免影響整體的采光效果。另外，正東、正西的采光設計均不可取，如果受到場地限制等因素影響不得不在正東、正西的方向設計窗戶，那么就要控制采光面積并通過綠植遮擋陽光，避免直射。

2.2 景觀綠化設計

景觀園林綠化是公共建筑設計中重要的組成部分，園林綠化植被系統具有遮光、改變風向、阻擋寒風以及吸收環境熱量等作用。

在炎熱的夏季可借助景觀園林遮蔽直射的陽光，尤其在建筑物的東、西兩個方向；在冬季，建筑物外圍的植被系統可阻擋強風，減少建筑物的熱量散失。此外，在設計園林綠化植被時要將其布署在冬季主導風向上，夏季主導風向的空間也要預留出來，以便夏季穿堂風的形成[3]。

2.3 地面處理措施

傳統建筑工程中，公共建筑周邊及內部地坪多為混凝土硬化地面，這種結構在夏季陽光輻射作用下會吸收大量熱量，不僅地表溫度很高，其散熱速度也非常緩慢，形成了城市熱島效應，因此被動節能設計中應改變地面鋪裝形式。例如，在旅游類建筑的內部，可以設計大量透水鋪裝材料和濕地系統，這種地面對熱量吸收率較低，會直接反射太陽輻射的熱量。

另外，根據實踐經驗，淺色鋪裝材料不易吸收熱量，而深色鋪裝材料的吸熱能力比較顯著，因此地面鋪裝和各種建筑物表面鋪裝都盡量采用淺色材料。

3 被動式節能策略在公共建筑及圖紙設計階段的實踐應用

3.1 建筑體型和空間設計

3.1.1 基本原則

（1）夏熱冬冷地區的設計原則。北方地區的夏季炎熱且持續時間較長，冬季氣溫較低；南方地區則是夏季濕熱，冬季陰冷。對于夏熱冬冷地區，公共建筑體型與空間設計的基本原則是采用舒朗開敞的空間布局，形成有利于夏季導風的結構形式，同時兼顧冬季防風，并利用自然通風系統，在東、西兩面少量開窗且設計隔熱措施[4]。

（2）濕熱地區的設計原則。加強各個方向的遮陽設計，并且利用挑檐、挑臺以及回廊等結構增加戶外陰影空間，同樣以舒朗開敞的布局為主，盡可能利用自然通風。

3.1.2 窗墻面積比

窗墻面積比對建筑物采光、通風、散熱以及保溫的影響較大，通常窗墻面積比越高，采光和通風效果越好，但如果窗戶占比過大，那么對于建筑物的冬季保溫又會產生負面影響。因此，設計時需通過科學模擬和計算確定合理的窗墻面積比。同時，地區的氣候特點對窗墻比設計也具有重要影響，北方寒冷地區要適當降低窗墻面積比，減少散熱面積。《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2015）中對公共建筑的窗墻面積比設計有著明確規定：嚴寒地區的甲類公共建筑單一立面窗墻面積比不得超過0.6，非嚴寒地區（包括寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區）均不得超過0.7；為了滿足采光需求，公共建筑窗墻面積比不得低于0.4，若因結構限制無法達到0.4 的最低窗墻面積比，則透光材料的可見光透射比不得小于0.6[5]。從表1 可以看出，公共建筑南側和北側墻面的窗墻面積比明顯高于東、西兩側。

表1 公共建筑窗墻面積比示例

3.1.3 自然采光

（1）公共建筑整體采光要求。公共建筑周邊通常相對比較開闊且建筑高度也低于住宅建筑，這種布局形式有利于自然采光，不同類型的公共建筑對采光的要求存在很大差異。例如，圖書館、綜合性服務建筑以及文化館等對自然采光的要求比較高，而劇院、影院、健身館和體育館等公共建筑對采光的整體要求較低。因此，在設計時可將采光要求較高的公共建筑布置在南側，而要求較低的公共建筑應布置在北側。另外，大型公共建筑中大多設計有中庭結構，而中庭剖面的高寬比顯著影響了室內照明效果，高度小、寬度大的中庭剖面結構有利于陽光灑滿室內，陽光經過多次漫反射將明顯提高室內的整體照明效果[6]。

（2）采光模擬。采光設計方案的科學性與合理性可通過軟件系統進行模擬。例如，可以借助和使用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）中的Ecotect Analysis 軟件實施采光模擬，具體實施方法是建立完整的公共建筑模型，導入氣象數據并設計建筑物網格，合理控制網格密度，設置完基礎參數后由計算機自動完成計算。

3.1.4 自然通風設計

（1）風壓通風。公共建筑室內的空氣壓力相對比較穩定，而室外空氣壓力主要決定于大氣壓和局部風力作用，大氣壓維持不變，但局部風力作用會導致風壓增加。當室外大風、強風等吹向建筑物時，外部風壓會高于室內風壓，此時便產生了風壓通風，在風力作用下室內空氣流動并帶走熱量，給人以舒適感。要想利用建筑物的自然風壓，應使夏季主導方向的窗墻面積比較大，并且建筑物的整體結構布局要有利于空氣流通。因此，建筑物的窗戶既要滿足采光要求，又要滿足通風需求，同時還要減少熱量散失，滿足被動式節能要求。

（2）熱壓通風。公共建筑內部空間較大，靠近頂棚的部分設計有中庭，其頂部和側面的采光較充足，而中下部的采光效果相對較差，形成上下溫差，此時上部空氣氣壓大于下部，打開氣窗可實現上下空氣對流，形成熱壓通風效應。煙囪、氣窗等結構在熱壓通風中均發揮著重要作用。

3.2 建筑圍護結構設計

圍護結構主要指公共建筑上的玻璃材料、外墻保溫隔熱材料以及表面涂層材料等，被動式節能建筑設計要求提高建筑能量利用率。由于屋面、墻體等結構直接與外部空間相連，因此成為室內外空間實現能量交互的主要媒介。圍護結構的設計重點如下。

（1）外墻圍護結構。墻體作為主要的承載結構，多為鋼筋混凝土結構或鋼結構。外墻隔熱保溫材料是墻體上最重要的節能型材料，其主要作用是避免室內熱量流失，同時減少外部熱量向室內傳遞，目前常用材料為聚氨酯板、巖棉板、玄武巖憎水棉板以及擠塑板等。玻璃幕墻是現代城市建筑中常用的設計形式，這種材料的透光率、折射率與反射率等均可預先設定，能較好地防止熱輻射[7]。

（2）花園屋頂。公共建筑的屋頂結構大多為平面或者帶有一定坡度的屋面，其中花園屋頂、種植屋頂可起到冬季保溫、夏季隔熱的作用，從而提高建筑物的整體節能效果。屋頂花園設計時可采用喬木、灌木以及草本植物，喬木不宜太高，防止其在大風天氣出現折斷的情況。由于屋頂往往存在高溫暴曬和低溫凍害方面的風險，因此對植被系統的環境適應能力提出很高的要求，設計時應優先選用抗旱、耐寒的植物。

（3）節能型屋面結構。屋面結構的設計影響著公共建筑屋頂的防水性能、隔熱性能以及保溫性能，在被動式節能設計中要進一步提升屋面結構的節能性。屋面結構中的防水層主要為卷材防水或者涂料防水，保溫隔熱層可使用擠塑板、聚氨酯板等，在節能建筑設計中還可在隔熱層和防水層之間增設輕質架空隔熱板。另外，公共建筑屋頂還可大面積設計太陽能集熱系統，通過設計光伏板吸收大量太陽輻射，避免屋面結構直接吸收熱量，同時還能起到良好的遮陽作用。

4 結語

公共建筑被動式節能設計主要圍繞3個層面進行分析，其中建筑場地設計主要關注朝向、采光、通風以及周圍的景觀綠化設施等。

建筑體型和空間設計的重點是科學控制窗墻面積比，以獲得合理的采光方式和通風路徑，并在通風管理中盡可能實現風壓通風和熱壓通風。而圍護結構設計主要包括公共建筑墻體、屋面以及屋面植被系統，重點在于強化保溫、隔熱效果。