超低能耗被動式建筑設計方法探討

韓 凱

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

改革開放以來，我國經歷高速發展，綜合國力尤其是經濟國力明顯提升，人民生活水平明顯提高。大規模經濟發展對資源消耗還是很大的，每年都在提高，因此，建立資源節約型社會已經迫在眉睫了。為提高建筑物的舒適度和安全，減少建筑施工過程與運用中的能耗，有效節約土地資源，在德國率先提出了超低能耗生活綠色建筑的概念之后，和傳統建筑物一樣，被動型低能耗生活建筑最關鍵的就是把高效節能的建筑物圍護結構技術，太陽輻射和熱增益效應等被動型節能相結合。總之，它是一個完全不需要“主動”能源供應的建筑物。

1 超低能耗被動式建筑設計的現狀

1.1 被動式超低能耗建筑概述

低能耗的被動式建筑物，是指一個高效、節約、舒適、安全的新型建筑物。它是目前建筑節能發展的主要趨勢。不但能在當前科技條件下給人類提供更舒適、更安全的生活環境，同時也可以明顯減少建筑能耗，在國內受到了更多的重視。能耗很低的被動式建筑物的主要就是通過應用最新科學技術，比如采用隔熱性能良好的建筑物材料，或使用更有效的清潔空氣熱處理技術等，以減少建筑物的供熱和冷卻需要，而節能也是建筑物的主要特點之一。若在全年均滿足住戶的生活需要，年均能耗可以達到85%。由于建筑材料具有穩定的隔熱、隔音和耐久性，密封性能非常好，但不影響空氣流通。特別是在不同的室內外溫度和濕度條件下，人們有著良好的生活體驗。由于該建筑配備了高質量的空氣循環和過濾系統，不僅可以保證室內外空氣循環，還可以保證室內空氣質量。

1.2 被動式超低能建筑的發展概況

能耗極低的被動式建筑由自然通風、自然光、熱源和冷源組成，維護結構具有高效節能的特點。在20世紀80 年代首次提出了能耗極低的被動建筑概念，自1991 年德國第一座低能耗建筑竣工以來，已經過去了近30 年。事實上，德國是第一個使用低溫建筑的國家，在建筑和使用方面積累了很多經驗。針對我國的具體形勢和國情，建立我國特色的能源消耗建設。另外，為適應經濟大開發、不同氣候環境以及地區發展不均勻的現狀，還需要建設適應不同形勢的建筑環境分析方法，以精確捕捉我國的氣候特點。所以，大力發展超低能耗建設可望改變我國資源過量消耗的局面。

1.3 被動式超低能耗建筑設計原則

低能耗的被動型建筑物是指為了符合氣候特征與自然要求，采用高保溫、高密閉的方法并利用潔凈空氣熱處理技術，有效利用可再生能源的建筑物以創造最適宜的室內環境。被動式設計策略，主要用來設計合適的定位、蓄熱材料、安全保護設備、自然通風系統等的應用。通常這些策略都被廣泛認可，盡可能被動地利用可再生能源建筑，超低能耗的設計，給人類社會創造了一個健康、高效、節約土地資源的經濟發展模式。

1.4 超低能耗被動式建筑在設計上的關鍵點

在超低能耗被動式建筑的設計上，應當最大限度地使用太陽能。對性能極低的被動型建筑物，設計時應當保證結構的最大房間面積，并使隔熱、空氣密度和隔熱層的設計。密封和絕緣層的結構，雖然密封和隔熱可以分開或重疊，但在項目開展之前，被動建筑規劃必須由內部密封和隔熱層包圍。一般來說，客廳、臥室、書房、餐廳、浴室、廚房和走廊都安裝在保溫層上。從經濟角度來看，走廊和樓梯不能在密封層框架內考慮。鑒于生活空間之間的差異，為了降低設備和管道要求的復雜性，有必要相應地安排安裝空間的布局和平面布置。低能耗建筑的被動通風性能通常是通過一個綜合通風裝置來實現的，該裝置可以保證建筑所有部分的通風要求。為了減少熱損失，設備必須安裝在衛生間、廚房等特殊屋頂的外殼上。在房間布置上，設備間集中布置較好，因為在輸電線路、能量分配和能耗過程中，管道長度最小，通風裝置的熱損失和冷損失也較少。

新空氣系統的通風系統須安裝國際通用熱處理系統。在建筑設計中，如果熱橋系數不大于0.01/（MK），熱橋的設計和計算不稱為熱橋設計。在房屋結構中，一些預埋件的保溫性能，如外墻上的鋼筋混凝土環遠遠低于主體的保溫性能。由于傳熱大，內部溫度也低于主體溫度。在設計熱橋節點時，需要確定熱橋的各個部分，并借助有限元軟件分別計算熱橋系數。如果熱橋的設計不符合被動式住宅的標準，就必須不斷重新設計，以滿足被動式住宅的需求。

2 優化超低能耗被動式建筑設計方法

2.1 優化被動式超低能耗控制策略

室內環境管理是極小能耗被動建筑技術的基礎，為了提供更安全的室內環境。隔熱結構的設計是建筑控制的第一個要點。尤其應采用被動式技術方法，使建筑物不受外界高溫環境的影響，室內外溫度一直保持在合適的自然環境中。在過去，除開啟門窗調整溫度之外，還可能設置供暖或中央空調系統，以達到對自然通風未解決的要求。熱量和電力的有效利用，提高了房屋的能耗。換句話說，必須以最低的熱消耗來實現人類對室內環境舒適度的要求。考慮到我國各個地方的氣候條件和自然環境不同，能源很少的被動式建筑的設計都是嚴格按照國家標準指標限制每年的冷卻能力和供熱性能。因此，每一次供熱、照明和空調系統的年能耗都按標準≤限制在四十五千瓦時/（m2.A）/5.6 （m2.A），氣密性為≤0.6。另外，該設計還具備了節水功能，可以有效提高人類的生活環境。特別是通過采用更有效的控制，能夠減少建筑物的能耗，從而可以在不同的氣候環境中應用。被動式技術還可以降低加熱器的能耗，確保寒冷地區室內環境的舒適性。在炎熱地區，它適用于低能耗的被動式建筑設計，還可以改善生活的舒適性。通過應用被動式技術，該技術的應用充分結合了太陽能、自然風、植物植被等自然條件，實現了圍護結構、低空氣密度、高性能條件下的新鮮空氣熱回收和可調遮陽。在建筑設計過程中，因為建筑設計內容的復雜化，設計者可以提高建筑方法的科學合理性以及新科學技術的運用，從而實現對超低能耗控制的要求。

2.2 被動式超低能耗建筑設計

健康適宜的室內被動式節能建筑，四季的室溫可維持在人體最適宜的18～24 ℃之間。當室內外氣溫過高，可通過調節外墻外窗或遮陽系統使溫度控制在20～26 ℃。夏季室內外氣溫小于28 ℃，相對濕度小于70%。移動冷卻系統室內環境溫度為≤26 ℃，相對濕度≤60%。在室內供暖區域，不宜采用被動制冷系統，而在天氣較好的情況下也不宜采用主動制冷系統。如沒有加熱，則過熱時間為≤10%。建筑熱橋的設計和計算基于非熱橋的設計，即熱橋的熱連接數量必須小于0.01W/（MK）。利用有限元軟件對熱橋進行數值模擬，確定熱橋系數。在殼體中，許多預埋件嵌入到外墻中，其隔熱性能低于鋼筋混凝土環梁。這些部件的傳熱遠大于主要部件的傳熱，因此內部表面溫度低于主要部件的溫度。考慮到控制室內的濕度，既要保證人員的舒適性，又要節約能源，需采用一般的熱回收方法。由于性能極低的被動建筑具有良好的氣密性，通過外殼逸出的空氣量相對較小，在通風過程中可以忽略，供氣和回風率應為1 ∶1。

新工藝的設計要求如下：該系統為新風熱回收系統，供氣量為100%M.K。當室內空氣通過新風系統加熱時，加熱器用于安裝新風系統，送風溫度設計在28～52 ℃。如果廚房配備沖壓式黑色排氣裝置，則必須有獨立的供氣系統，或排油裝置必須配備自己的成品油排氣裝置。在利用率低、熔斷絲用量少的廚房，熔絲和新風機可與風道組合，出風口可由新風單元排出。這種設備適用于小型和中型廚房設計，油煙凈化效率不低于98%。補充空氣必須直接從外部引入，并進行密封和絕緣。在補風管路進口處設置一個密閉保溫閥，電動閥與爐蓋連接。如果屏蔽系統未打開，必須關閉良好，不得有任何空氣逸出。與傳統設計過程相比，增加了初步設計評審。其主要目的在于通過檢查初步設計圖紙，確認初步設計文件中的問題。審查建筑物外保溫層的設計厚度；檢查外殼設計是否用于防止熱橋，確保大樓有工作區。檢查水管和氣管的類型是否減少到至少五種，設計質量要求詳細設計、詳細設計分析和詳細能耗計算，以確保節點的計算。計算文件包括：能耗模擬表、外圍保護結構功率計算表、室內電器通風計算表及年能耗計算表、能耗模擬表簡要，介紹了模擬進入條件（建筑面積、容積、性能參數、各種外殼結構面積、建筑運行條件等），以及氣象參考要求和模擬方法。包括了至少每年的供暖要求、年氣候要求、每年度供熱需要、空調和照明等一次能源。新風系統的最小新風量按照每天的最小新風量、各個房間的衛生排風量以及室內新風的最小通風時間推算，取最大新風量。新風部門的計量表格中要標示房間數量、平均新風指數等技術參數。而針對每個文件中，所選用的新風機組要標明新風排出數、熱利用系數、風機出力等技術參數。

2.3 施工方案技術要點

在施工方案中，應注意確保建筑物氣密層的健康，在水平面和建筑剖面上清楚標明氣密層的位置和方向，并在設計說明中規定氣密性低的特殊結構系統的關鍵部位。在設計說明中注明防水材料名稱，在結構節點圖中明確設計方法和要求。氣密層通常沿著建筑物的外墻、屋頂和內地板鋪設。氣密材料必須確保一定程度的完整性、靈活性和耐久性，以便在后期不會坍塌。一般由現場混凝土樓板、現場混凝土墻、油漆砂漿、密封包裝布、密封膠帶組成。墻、板、木板、石膏板、天花板、油漆、通風施工材料和其他拼接材料不能用作防水層的一部分。由于氣密性較低，重要的地方包括但不限于安裝窗戶、外部部件和封閉結構的開口。特別是外平面、窗戶布局、洞口支撐結構、屋檐結構、轉角結構、機電管道穿墻連接等主要構件的密封處理。為避免損壞密封件，必須協商合適的設計方案。安裝系統中考慮熱橋和氣密性。在建筑工程中，穿越外墻、屋面和基礎的管道處理采用低保溫、低氣密性的工作方式。在施工過程中，安裝門窗、安裝室內裝飾、安裝室內裝飾后送風門必須至少安裝完成后檢查兩次。

2.4 被動式超低能建筑的未來發展趨勢

隨著建筑建造的快速發展，帶來了許多環境問題，針對我國的具體形勢和國情，建立能源消費建設，盡可能被動地利用可再生能源建筑，超低能耗的設計，給人類社會創造了一個健康、高效、節約土地資源的經濟發展模式。按照聯合國環境署的一個報告，全世界建筑物的總碳排放量目前僅為世界總超臨界二氧化碳排放量的32%。但經過這一發展之后，2050 年左右建筑物的總體超臨界二氧化碳排放量將達到世界超臨界二氧化碳排放量的10.5%。通過應用被動式技術，該技術的應用充分結合了太陽能、自然風、植物植被等自然條件，實現了圍護結構、低空氣密度、高性能條件下的新鮮空氣熱回收和可調遮陽。目前，最成熟的建筑技術是被動式低能耗建筑技術，已有部分成功使用案例。同時，節能減排效果好，也有著很重要的推廣使用價值。

3 結束語

超低能耗被動式建筑物的設計規范與應用，充分考慮了自然環境、天氣條件和建筑物類型等的因素，大大增強了被動型技術的使用效益。在這樣的人居環境中，建筑使用者才能完全實現對人類的幸福需求。發揮能耗極低的被動型房屋的建筑與應用效益，增強房屋建筑與應用的節能減排效益。所以，承擔重大工程建設的技術人員應當不斷實踐研究成果，以支持現代經濟結構的整體發展。在當前的新經濟時期，節能減排已成為經濟社會發展的重要主題。而建筑業則成為重點耗能者，同樣需要為節約與環保資源作出重大貢獻。因此節約能源與資源符合建材行業對節能減排的需要，實踐性很強，在建材行業有著良好的前景。