被動式節能建筑圍護結構的技術特征探述

文／趙曉萌 天津渤化工程有限公司 天津 300450

引言：

在被動式節能建筑中，建筑工程圍護結構直接關系到建筑的節能效果，因此必須充分了解被動式節能建筑圍護結構的技術特征，并應在此基礎上，對被動式節能建筑工程的圍護結構加以優化，且應與主動式節能建筑的節能降耗效果進行對比分析，以明確被動式節能建筑圍護結構的技術優勢和適用條件，從而進一步提高被動式節能建筑的節能效果，促進我國建筑行業向綠色低碳環保方向發展。

1、被動式節能建筑概述

1.1 被動式節能建筑基本涵義

所謂被動式節能建筑也就是通過被動節能技術的應用來實現節能效果的建筑工程。而被動節能技術則主要是根據建筑工程所在區域的氣候特點，利用對建筑結構布局的優化以及建筑材料和相關技術工藝的合理選擇應用，來達到節能降耗目標的技術。與較為常見的主動式節能技術相比，在被動式節能建筑中，充分利用自然光照和通風條件，并結合間歇式空調運行模式來達到調節建筑室內熱環境的目的，其具有更好的環保效果。

1.2 被動式節能建筑優勢分析

1.2.1 能夠充分利用自然通風采光條件

被動式節能建筑與主動式節能建筑最大的區別就在于其將自然的光照、通風引入了室內環境，而不是單純依賴空調設備的連續運行以及將建筑室內外完全隔絕開來的方式來實現節能降耗目的。這種節能方式能夠在降低能耗的同時為人們提供更加健康、親近自然的生活、工作、學習環境，對于保護用戶身心健康具有積極的作用。

1.2.2 能夠更好地適應人們的生活習慣

在我國的冬冷夏熱地區，人們往往有冬季曬太陽以及夏季開窗通風乘涼等生活習慣，因此被動式節能建筑與人們的日常生活方式更為契合，可以使人們在正常的生產生活過程中達到節能降耗的目的，有利于節能環保理念被社會公眾所接收。

1.2.3 能夠優化空調運行方式

被動式節能建筑在通過建筑布局優化以及合理選擇應用節能型建筑材料的同時，綜合應用了間歇式空調運行模式以提高建筑應對極端氣候條件的能力，這種空調運行方式能夠在較短時間內完成制冷以及制熱，減少了空調運行過程中的能源消耗。

1.3 分析被動式節能建筑在室內熱環境調節方面的技術優勢

為進一步了解被動式節能建筑的室內熱環境情況，對某冬冷夏熱地區的同一室外氣候條件下，未采用節能技術以及采用了被動式節能技術的建筑室內熱舒適度進行了對比分析。對比結果可參見表1、表2所示。

表1 建筑室內冬季熱環境

表2 建筑室內夏季熱環境

通過對比分析可知，在冬冷夏熱地區的建筑工程中應用被動式節能技術能夠獲得較為舒適的室內熱感覺，而建筑室內在夏季雖然有稍熱的感覺，但結合間歇式空調運行模式即可有效改善室內環境的舒適度，能夠明顯減少建筑工程的空調運行能耗，起到較好的節能效果。與之相比，在未采用節能技術的建筑工程中，由于室內熱環境較差，必須連續運行空調設備才能改善室內的舒適度，消耗了大量的電力資源，能源消耗明顯偏高。因此，被動式節能建筑在冬冷夏熱地區具有明顯的技術優勢和應用價值。

2、圍護結構在被動式節能建筑中的技術特征分析

2.1 建筑門窗結構在被動式節能建筑中的技術特征分析

門窗是建筑工程圍護結構的主要組成部分，同時其也是建筑結構內外熱量交換以及熱傳導活動最為頻繁的區域，門窗部分在冬季散失的熱量與建筑墻體相比，是其5-6倍左右；而夏季經由建筑門窗進入建筑室內孔徑的太陽輻射熱量也明顯高于建筑墻體，因此建筑門窗的技術特征將直接影響被動式節能建筑的實際節能效果。如果建筑門窗結構不合理，就會導致建筑采暖能耗以及空調設備的制冷能耗明顯增加。在被動式節能建筑中應合理控制建筑墻窗比，且應結合不同地域的氣候特點，對不同朝向的門窗面積進行科學的調整。例如，在冬季較為寒冷的冬冷夏熱地區，建筑北側門窗面積可以適當減小，而建筑南向門窗則可以相應地加大，以便減少北向門窗的冬季熱量散失，且可以利用建筑南向門窗所獲取的太陽輻射熱量改善室內熱環境，從而達到被動式節能目的。

為了提高建筑門窗的被動節能效果，應采用具有較好氣密性以及熱工作性能的門窗材料。目前在被動式節能建筑圍護結構中多采用鋁木復合型材、斷橋鋁以及聚氯乙烯塑料等型材，而窗戶玻璃則廣泛應用了真空玻璃、普通中空玻璃以及Low-E低輻射型氣度膜玻璃等節能材料。在玻璃材料的應用中應注意，中空型Low-E型玻璃對冬季的日照采暖會產生不利的影響，應根據建筑工程所在地區的氣候條件等因素合理選擇。在建筑門窗的氣密性技術特征方面，推拉式門窗的氣密性不如平開式門窗，因此，條件具備時，應盡量采用平開式門窗結構。

同時，建筑門窗的采光效果也將對建筑工程的被動節能性能產生較大的影響。建筑室內照明系統所產生的能耗是建筑工程能源消耗的重要部分，而充分利用自然光照條件則是被動式節能建筑實現節能降耗目標的關鍵性技術路徑。在被動式節能建筑的門窗結構中，可以綜合采用多種采光方式，以提高自然光照資源的利用率。在被動式節能建筑的門窗結構中，應結合建筑工程所在區域的氣候環境特點、建筑的功能定位以及使用者的習慣等因素，來合理確定門窗的自然采光方式。我國建筑住宅大多采用的是南向采光方式，不過隨著住宅建筑單元面積以及進深的不斷增加，部分建筑不具備完全依賴自然采光的條件，因此，需要對建筑門窗位置進行必要的調整，可以在建筑室內布設窗戶，或者利用高窗來實現為房間深處引入自然光的目的，且應將對建筑側窗角度進行必要的調節，可以采用向下傾斜方式引入更多的自然光。而在建筑的北向窗戶則可以采用分段式結構，并在建筑頂部設置傾斜小天窗等結構，以提高對天空漫反射光的吸收率，使建筑室內的照度以及亮度得到改善。同時，在選擇建筑窗戶材料時，應采用表面鍍層玻璃或者具有反射功能的玻璃，且應結合地面漫反射，使建筑室內環境有更多的自然光被引入。對于不具備自然采光條件的室內空間則可以采用設置反光板等方式引入光線，且窗戶玻璃應采用具有較高透射比的材料。通過優化建筑門窗結構，可以有效提高建筑工程的被動式節能效果，減少建筑照明系統所產生的能耗，且可以利用陽光中的紫外線對室內環境進行殺菌消毒，對于改善室內環境質量、保護人體健康也具有積極的作用。

2.2 建筑外墻結構在被動式節能建筑中的技術特征分析

由于被動式節能建筑主要適用于存在明顯冬冷夏熱特點的地區，因此，其建筑外墻等圍護結構在技術特征方面與北方寒冷地區的保溫外墻結構相比，需要兼顧冬季保溫以及夏季隔熱這兩面的需要。建筑外墻結構的保溫隔熱性能是關鍵性的技術特征。在被動式節能建筑中，根據我國建筑工程的朝向特點以及氣候特征，一般冬季主導風向多以建筑北側墻體為迎風面，建筑外墻表面往往存在較大流速的冷空氣，這會導致建筑北側外墻墻體的單位面積散熱量比其他方向上的建筑墻體明顯偏高。因此在被動式節能建筑的外墻圍護結構中應重點提高北側建筑外墻的傳熱阻值，以增強其保溫能力。同時，建筑工程的東西兩側建筑外墻在夏季會受到較為強烈的太陽輻射，經現場測試，其建筑墻體的外表面溫度甚至會超過60℃，因此，在被動式節能建筑的東、西兩側墻體結構中，應采用具有較強蓄熱能力且傳熱系數相對較小的建筑材料，以確保其能夠兼顧隔熱以及保溫技術要求。

按照冬冷夏熱區域的節能建筑技術工規范要求，對于體形系數在0.4以下的節能建筑，應將建筑外墻結構的傳熱系數控制在1.5W/m·K以內，且熱惰性指標應達到2.5以上。如傳熱系數控制在1W/m·K以下時，其熱惰性指標則應可以在2.5以下。根據不同地區的氣候環境特點，可以對被動式節能建筑的外墻結構的傳熱系數進行適當的調整。例如在江蘇地區，一般應適當控制建筑工程南側建筑外墻的傳熱系數標準，但應更嚴格地控制其北側建筑外墻的傳熱系數值。現階段在我國的冬冷夏熱地區的新建被動式節能建筑中多采用的是建筑外墻外保溫系統，且外保溫系統一般選用聚氨酯硬泡材料現場澆筑噴涂技術或者塑料泡沫保溫板現場粘貼技術等，同時結合具有保溫功能的外墻飾板材料的綜合應用，雖然此類材料的保溫隔熱性能能夠基本滿足節能要求，不過目前這些材料在抗開裂、防滲漏、防火性能以及耐久性等方面還存在明顯的不足之處，需要進一步加強技術研發，并積極引進新型高性能材料。

結合冬冷夏熱地區氣候特征，被動式節能建筑的墻體結構也可以采用自保溫墻體技術。根據對冬冷夏熱區域被動式節能建筑圍護結構節能降耗效果的總結、分析發現，建筑墻體結構通常能夠起到一定的熱阻效果，且應在延遲時間以及提高衰減值等方面達到技術標準。但與其他圍護結構相比，其節能貢獻較為有限，因此采用自保溫墻體結構即可滿足節能標準。但在應用自保溫墻體結構形式時，應積極選擇新型的高性能的節能環保材料，可以因地制宜地采用輕質蒸壓加氣混凝土隔墻板或者砌塊、具有較好自保溫性的混凝土砌塊、節能型江河淤泥燒結磚以及頁巖模數多孔磚等材料，且可以結合其他保溫材料、隔熱涂料以及內保溫材料綜合應用，以形成具有較好保溫隔熱效果的節能保溫建筑墻體結構系統。與外保溫結構相比，自保溫建筑墻體結構在耐久性以及防火性能方面的技術優勢較為突出，能夠同時滿足被動式節能建筑在冬季保溫以及夏季隔熱這兩方面的需要，可以實現較高的熱惰性指標以及較大的熱阻值這兩項技術指標，且施工操作更為簡便，經濟性較高，因此在被動式節能建筑中具有較高的應用價值。

建筑外墻飾面也是被動式節能建筑圍護結構的組成部分之一，飾面材料的表面光滑度、材質特點以及色彩等也會對建筑工程的節能效果以及室內熱環境產生一定的影響。建筑外墻飾面材料顏色分子結構特征與吸收太陽輻射能力以及反射系數密切相關。當飾面材料具有較高的太陽輻射反射率時，其吸收太陽輻射率會相應地下降；而當墻體飾面具有較高的紅外輻射率時，則會產生較好的隔熱效果。此外，較淺顏色的飾面以及較為細膩光滑的飾面材料所吸收的太陽輻射相對較小，具有更好的保溫隔熱性能。所以在被動式節能建筑中應根據工程所在區域的實際氣候特點選擇建筑外墻飾面材料，以實現被動節能目的。例如在冬季較為寒冷地區的被動式節能建筑的圍護結構中應采用表面較為粗糙且顏色較深的材料作為外墻飾面，以加大吸收的太陽輻射熱量，提高室內熱環境中的熱量；而在夏季溫度較高地區的被動式節能建筑則應采用淺色系的外墻飾面材料。

在被動式節能建筑的外墻結構中，如果具備條件，還可以積極借鑒傳統建筑中的室內熱環境控制理念，選擇落葉型攀爬植物對建筑外墻加以覆蓋，通過植物在不同季節的生長特點來實現對室內熱量的被動調節，從而達到被動節能的目的。

2.3 建筑屋面結構在被動式節能建筑中的技術特征分析

屋面是建筑工程圍護結構中的重要組成部分之一，其對建筑工程的節能效果也會產生較大的影響。由于被動式節能建筑主要是應用于我國存在明顯冬冷夏熱氣候特征的區域，因此在建筑工程圍護結構所產生的熱量損失中，建筑屋面的冬季散熱占有較大的比重。同時，當夏季太陽輻射較淺時，建筑屋頂過熱會導致降低建筑室內環境溫度而延長空調運行時間或者增加空調運行功率，導致空調能耗明顯增加。夏熱冬冷地區的季節溫度變化較為明顯，被動式節能建筑圍護結構應根據工程區域所在區域的具體氣候特點選擇相應的屋面結構形式，以達到節能降耗的目的。以夏季溫度較高而冬季低溫季節相對較短的地區為例，此類地區建筑圍護結構的節能重點在于夏季防熱，所以對屋面結構的隔熱技術提出了較高的要求。在被動式節能建筑的屋面結構中可以根據實際情況采用倒置式屋面結構形式或者架空式屋面結構形式等，且應嚴格按照當地的熱惰性指標以及導熱系數標準等相關技術標準選擇保溫材料。此外還可以通過設置閣樓屋頂或者通風屋頂等方式提高通風散熱效果，以減少空調設備的使用。隨著屋面結構技術的發展，目前淺色坡屋面、綠化屋面以及蓄水屋面等新型屋面結構形式在被動式節能建筑圍護結構中得到了越來越廣泛的應用，進一步提高了被動式節能建筑圍護結構的節能降耗效果。

2.4 建筑外遮陽結構在被動式節能建筑中的技術特征分析

在冬冷夏熱地區一些建筑工程的圍護結構中設置了外遮陽結構。為提高建筑工程的被動節能效果，在應用外遮陽結構時應充分考慮其在削弱眩光以及減少太陽輻射等方面的技術特征，以改善視覺舒適度以及室內環境的熱舒適性，并減少建筑室內空調系統運行時所產生的能耗。經過對被動式節能建筑的外遮陽結構的太陽輻射遮擋效果的統計分析發現，太陽輻射中的700%到85%均能夠被外遮陽結構有效遮擋，明顯高于內遮陽結構的20%-30%水平，其節能降耗效果較為突出，可以有效降低空調設備的運行負荷，減少空調能耗。目前在被動式節能建筑的外遮陽結構中可以利用陽臺結構、挑檐結構、外廊結構、遮陽板結構以及深凹窗結構等多種形式起到遮陽效果。與此同時，也可以積極借鑒我國傳統建筑圍護結構中利用藤蔓類植物達到遮陽效果的方式來促使建筑工程的外遮陽結構與環境有機融合。在被動式節能建筑圍護結構的實際應用中應積極采用計算機模擬等先進技術，通過對外挑檐廊、屋檐以及其他固定遮陽構件的綜合應用來滿足建筑室內冬季日照采暖和夏季遮陽隔熱這兩方面的需要。也可以采用活動式百葉作為遮陽設施，以適應不同季節的通風、采光以及保溫遮陽要求。通過設置活動百葉可以根據不同季節的氣候特點以及太陽輻射強度，對遮陽設施進行相應的調整。在冬季氣候較低或者自然光照條件相對較低時可以將活動百葉收起，以獲得更加充足的太陽輻射熱量和光照，以滿足自然采光要求，并降低室內采暖負荷，降低能源消耗。而在夏季溫度較高或者太陽輻射強度較強時，利用活動百葉則可以在保證自然通風的情況下減少進入室內的熱量和太陽輻射。

結語：

被動式節能建筑是存在冬冷夏熱氣候特點區域建筑的有效節能方式，其不僅能夠優化空調以及采暖等設備的運行方式，明顯減少其運行時所消耗的能源，而且有利于促進建筑工程與其所在區域環境的有機融合，為人們提供更加舒適健康的室內熱環境。因此，在建筑工程的設計施工中應高度重視被動式節能建筑技術，準確把握被動式節能建筑圍護結構技術特征，并要結合工程區域的氣候環境特點合理選擇建筑圍護結構形式，科學確定各項技術參數，以促進建筑節能效果的全面提升，從而推動我國建筑行業的綠色發展。