超低能耗被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)方法探討

韓 凱

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)歷高速發(fā)展，綜合國(guó)力尤其是經(jīng)濟(jì)國(guó)力明顯提升，人民生活水平明顯提高。大規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)資源消耗還是很大的，每年都在提高，因此，建立資源節(jié)約型社會(huì)已經(jīng)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(guò)程與運(yùn)用中的能耗，有效節(jié)約土地資源，在德國(guó)率先提出了超低能耗生活綠色建筑的概念之后，和傳統(tǒng)建筑物一樣，被動(dòng)型低能耗生活建筑最關(guān)鍵的就是把高效節(jié)能的建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)，太陽(yáng)輻射和熱增益效應(yīng)等被動(dòng)型節(jié)能相結(jié)合。總之，它是一個(gè)完全不需要“主動(dòng)”能源供應(yīng)的建筑物。

1 超低能耗被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

1.1 被動(dòng)式超低能耗建筑概述

低能耗的被動(dòng)式建筑物，是指一個(gè)高效、節(jié)約、舒適、安全的新型建筑物。它是目前建筑節(jié)能發(fā)展的主要趨勢(shì)。不但能在當(dāng)前科技條件下給人類(lèi)提供更舒適、更安全的生活環(huán)境，同時(shí)也可以明顯減少建筑能耗，在國(guó)內(nèi)受到了更多的重視。能耗很低的被動(dòng)式建筑物的主要就是通過(guò)應(yīng)用最新科學(xué)技術(shù)，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(shù)等，以減少建筑物的供熱和冷卻需要，而節(jié)能也是建筑物的主要特點(diǎn)之一。若在全年均滿足住戶的生活需要，年均能耗可以達(dá)到85%。由于建筑材料具有穩(wěn)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(nèi)外溫度和濕度條件下，人們有著良好的生活體驗(yàn)。由于該建筑配備了高質(zhì)量的空氣循環(huán)和過(guò)濾系統(tǒng)，不僅可以保證室內(nèi)外空氣循環(huán)，還可以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

1.2 被動(dòng)式超低能建筑的發(fā)展概況

能耗極低的被動(dòng)式建筑由自然通風(fēng)、自然光、熱源和冷源組成，維護(hù)結(jié)構(gòu)具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。在20世紀(jì)80 年代首次提出了能耗極低的被動(dòng)建筑概念，自1991 年德國(guó)第一座低能耗建筑竣工以來(lái)，已經(jīng)過(guò)去了近30 年。事實(shí)上，德國(guó)是第一個(gè)使用低溫建筑的國(guó)家，在建筑和使用方面積累了很多經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)我國(guó)的具體形勢(shì)和國(guó)情，建立我國(guó)特色的能源消耗建設(shè)。另外，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)大開(kāi)發(fā)、不同氣候環(huán)境以及地區(qū)發(fā)展不均勻的現(xiàn)狀，還需要建設(shè)適應(yīng)不同形勢(shì)的建筑環(huán)境分析方法，以精確捕捉我國(guó)的氣候特點(diǎn)。所以，大力發(fā)展超低能耗建設(shè)可望改變我國(guó)資源過(guò)量消耗的局面。

1.3 被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)原則

低能耗的被動(dòng)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(shù)，有效利用可再生能源的建筑物以創(chuàng)造最適宜的室內(nèi)環(huán)境。被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，主要用來(lái)設(shè)計(jì)合適的定位、蓄熱材料、安全保護(hù)設(shè)備、自然通風(fēng)系統(tǒng)等的應(yīng)用。通常這些策略都被廣泛認(rèn)可，盡可能被動(dòng)地利用可再生能源建筑，超低能耗的設(shè)計(jì)，給人類(lèi)社會(huì)創(chuàng)造了一個(gè)健康、高效、節(jié)約土地資源的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

1.4 超低能耗被動(dòng)式建筑在設(shè)計(jì)上的關(guān)鍵點(diǎn)

在超低能耗被動(dòng)式建筑的設(shè)計(jì)上，應(yīng)當(dāng)最大限度地使用太陽(yáng)能。對(duì)性能極低的被動(dòng)型建筑物，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)保證結(jié)構(gòu)的最大房間面積，并使隔熱、空氣密度和隔熱層的設(shè)計(jì)。密封和絕緣層的結(jié)構(gòu)，雖然密封和隔熱可以分開(kāi)或重疊，但在項(xiàng)目開(kāi)展之前，被動(dòng)建筑規(guī)劃必須由內(nèi)部密封和隔熱層包圍。一般來(lái)說(shuō)，客廳、臥室、書(shū)房、餐廳、浴室、廚房和走廊都安裝在保溫層上。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，走廊和樓梯不能在密封層框架內(nèi)考慮。鑒于生活空間之間的差異，為了降低設(shè)備和管道要求的復(fù)雜性，有必要相應(yīng)地安排安裝空間的布局和平面布置。低能耗建筑的被動(dòng)通風(fēng)性能通常是通過(guò)一個(gè)綜合通風(fēng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該裝置可以保證建筑所有部分的通風(fēng)要求。為了減少熱損失，設(shè)備必須安裝在衛(wèi)生間、廚房等特殊屋頂?shù)耐鈿ど稀Ｔ诜块g布置上，設(shè)備間集中布置較好，因?yàn)樵谳旊娋€路、能量分配和能耗過(guò)程中，管道長(zhǎng)度最小，通風(fēng)裝置的熱損失和冷損失也較少。

新空氣系統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)須安裝國(guó)際通用熱處理系統(tǒng)。在建筑設(shè)計(jì)中，如果熱橋系數(shù)不大于0.01/（MK），熱橋的設(shè)計(jì)和計(jì)算不稱(chēng)為熱橋設(shè)計(jì)。在房屋結(jié)構(gòu)中，一些預(yù)埋件的保溫性能，如外墻上的鋼筋混凝土環(huán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主體的保溫性能。由于傳熱大，內(nèi)部溫度也低于主體溫度。在設(shè)計(jì)熱橋節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要確定熱橋的各個(gè)部分，并借助有限元軟件分別計(jì)算熱橋系數(shù)。如果熱橋的設(shè)計(jì)不符合被動(dòng)式住宅的標(biāo)準(zhǔn)，就必須不斷重新設(shè)計(jì)，以滿足被動(dòng)式住宅的需求。

2 優(yōu)化超低能耗被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)方法

2.1 優(yōu)化被動(dòng)式超低能耗控制策略

室內(nèi)環(huán)境管理是極小能耗被動(dòng)建筑技術(shù)的基礎(chǔ)，為了提供更安全的室內(nèi)環(huán)境。隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是建筑控制的第一個(gè)要點(diǎn)。尤其應(yīng)采用被動(dòng)式技術(shù)方法，使建筑物不受外界高溫環(huán)境的影響，室內(nèi)外溫度一直保持在合適的自然環(huán)境中。在過(guò)去，除開(kāi)啟門(mén)窗調(diào)整溫度之外，還可能設(shè)置供暖或中央空調(diào)系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)自然通風(fēng)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(shuō)，必須以最低的熱消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)人類(lèi)對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求。考慮到我國(guó)各個(gè)地方的氣候條件和自然環(huán)境不同，能源很少的被動(dòng)式建筑的設(shè)計(jì)都是嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)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(diào)系統(tǒng)的年能耗都按標(biāo)準(zhǔn)≤限制在四十五千瓦時(shí)/（m2.A）/5.6 （m2.A），氣密性為≤0.6。另外，該設(shè)計(jì)還具備了節(jié)水功能，可以有效提高人類(lèi)的生活環(huán)境。特別是通過(guò)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(huán)境中應(yīng)用。被動(dòng)式技術(shù)還可以降低加熱器的能耗，確保寒冷地區(qū)室內(nèi)環(huán)境的舒適性。在炎熱地區(qū)，它適用于低能耗的被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)，還可以改善生活的舒適性。通過(guò)應(yīng)用被動(dòng)式技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用充分結(jié)合了太陽(yáng)能、自然風(fēng)、植物植被等自然條件，實(shí)現(xiàn)了圍護(hù)結(jié)構(gòu)、低空氣密度、高性能條件下的新鮮空氣熱回收和可調(diào)遮陽(yáng)。在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)內(nèi)容的復(fù)雜化，設(shè)計(jì)者可以提高建筑方法的科學(xué)合理性以及新科學(xué)技術(shù)的運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超低能耗控制的要求。

2.2 被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)

健康適宜的室內(nèi)被動(dòng)式節(jié)能建筑，四季的室溫可維持在人體最適宜的18～24 ℃之間。當(dāng)室內(nèi)外氣溫過(guò)高，可通過(guò)調(diào)節(jié)外墻外窗或遮陽(yáng)系統(tǒng)使溫度控制在20～26 ℃。夏季室內(nèi)外氣溫小于28 ℃，相對(duì)濕度小于70%。移動(dòng)冷卻系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境溫度為≤26 ℃，相對(duì)濕度≤60%。在室內(nèi)供暖區(qū)域，不宜采用被動(dòng)制冷系統(tǒng)，而在天氣較好的情況下也不宜采用主動(dòng)制冷系統(tǒng)。如沒(méi)有加熱，則過(guò)熱時(shí)間為≤10%。建筑熱橋的設(shè)計(jì)和計(jì)算基于非熱橋的設(shè)計(jì)，即熱橋的熱連接數(shù)量必須小于0.01W/（MK）。利用有限元軟件對(duì)熱橋進(jìn)行數(shù)值模擬，確定熱橋系數(shù)。在殼體中，許多預(yù)埋件嵌入到外墻中，其隔熱性能低于鋼筋混凝土環(huán)梁。這些部件的傳熱遠(yuǎn)大于主要部件的傳熱，因此內(nèi)部表面溫度低于主要部件的溫度。考慮到控制室內(nèi)的濕度，既要保證人員的舒適性，又要節(jié)約能源，需采用一般的熱回收方法。由于性能極低的被動(dòng)建筑具有良好的氣密性，通過(guò)外殼逸出的空氣量相對(duì)較小，在通風(fēng)過(guò)程中可以忽略，供氣和回風(fēng)率應(yīng)為1 ∶1。

新工藝的設(shè)計(jì)要求如下：該系統(tǒng)為新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，供氣量為100%M.K。當(dāng)室內(nèi)空氣通過(guò)新風(fēng)系統(tǒng)加熱時(shí)，加熱器用于安裝新風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)溫度設(shè)計(jì)在28～52 ℃。如果廚房配備沖壓式黑色排氣裝置，則必須有獨(dú)立的供氣系統(tǒng)，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(fēng)機(jī)可與風(fēng)道組合，出風(fēng)口可由新風(fēng)單元排出。這種設(shè)備適用于小型和中型廚房設(shè)計(jì)，油煙凈化效率不低于98%。補(bǔ)充空氣必須直接從外部引入，并進(jìn)行密封和絕緣。在補(bǔ)風(fēng)管路進(jìn)口處設(shè)置一個(gè)密閉保溫閥，電動(dòng)閥與爐蓋連接。如果屏蔽系統(tǒng)未打開(kāi)，必須關(guān)閉良好，不得有任何空氣逸出。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程相比，增加了初步設(shè)計(jì)評(píng)審。其主要目的在于通過(guò)檢查初步設(shè)計(jì)圖紙，確認(rèn)初步設(shè)計(jì)文件中的問(wèn)題。審查建筑物外保溫層的設(shè)計(jì)厚度；檢查外殼設(shè)計(jì)是否用于防止熱橋，確保大樓有工作區(qū)。檢查水管和氣管的類(lèi)型是否減少到至少五種，設(shè)計(jì)質(zhì)量要求詳細(xì)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)分析和詳細(xì)能耗計(jì)算，以確保節(jié)點(diǎn)的計(jì)算。計(jì)算文件包括：能耗模擬表、外圍保護(hù)結(jié)構(gòu)功率計(jì)算表、室內(nèi)電器通風(fēng)計(jì)算表及年能耗計(jì)算表、能耗模擬表簡(jiǎn)要，介紹了模擬進(jìn)入條件（建筑面積、容積、性能參數(shù)、各種外殼結(jié)構(gòu)面積、建筑運(yùn)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(diào)和照明等一次能源。新風(fēng)系統(tǒng)的最小新風(fēng)量按照每天的最小新風(fēng)量、各個(gè)房間的衛(wèi)生排風(fēng)量以及室內(nèi)新風(fēng)的最小通風(fēng)時(shí)間推算，取最大新風(fēng)量。新風(fēng)部門(mén)的計(jì)量表格中要標(biāo)示房間數(shù)量、平均新風(fēng)指數(shù)等技術(shù)參數(shù)。而針對(duì)每個(gè)文件中，所選用的新風(fēng)機(jī)組要標(biāo)明新風(fēng)排出數(shù)、熱利用系數(shù)、風(fēng)機(jī)出力等技術(shù)參數(shù)。

2.3 施工方案技術(shù)要點(diǎn)

在施工方案中，應(yīng)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(biāo)明氣密層的位置和方向，并在設(shè)計(jì)說(shuō)明中規(guī)定氣密性低的特殊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位。在設(shè)計(jì)說(shuō)明中注明防水材料名稱(chēng)，在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)圖中明確設(shè)計(jì)方法和要求。氣密層通常沿著建筑物的外墻、屋頂和內(nèi)地板鋪設(shè)。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(huì)坍塌。一般由現(xiàn)場(chǎng)混凝土樓板、現(xiàn)場(chǎng)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(fēng)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(jié)構(gòu)的開(kāi)口。特別是外平面、窗戶布局、洞口支撐結(jié)構(gòu)、屋檐結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)、機(jī)電管道穿墻連接等主要構(gòu)件的密封處理。為避免損壞密封件，必須協(xié)商合適的設(shè)計(jì)方案。安裝系統(tǒng)中考慮熱橋和氣密性。在建筑工程中，穿越外墻、屋面和基礎(chǔ)的管道處理采用低保溫、低氣密性的工作方式。在施工過(guò)程中，安裝門(mén)窗、安裝室內(nèi)裝飾、安裝室內(nèi)裝飾后送風(fēng)門(mén)必須至少安裝完成后檢查兩次。

2.4 被動(dòng)式超低能建筑的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著建筑建造的快速發(fā)展，帶來(lái)了許多環(huán)境問(wèn)題，針對(duì)我國(guó)的具體形勢(shì)和國(guó)情，建立能源消費(fèi)建設(shè)，盡可能被動(dòng)地利用可再生能源建筑，超低能耗的設(shè)計(jì)，給人類(lèi)社會(huì)創(chuàng)造了一個(gè)健康、高效、節(jié)約土地資源的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。按照聯(lián)合國(guó)環(huán)境署的一個(gè)報(bào)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(jīng)過(guò)這一發(fā)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(dá)到世界超臨界二氧化碳排放量的10.5%。通過(guò)應(yīng)用被動(dòng)式技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用充分結(jié)合了太陽(yáng)能、自然風(fēng)、植物植被等自然條件，實(shí)現(xiàn)了圍護(hù)結(jié)構(gòu)、低空氣密度、高性能條件下的新鮮空氣熱回收和可調(diào)遮陽(yáng)。目前，最成熟的建筑技術(shù)是被動(dòng)式低能耗建筑技術(shù)，已有部分成功使用案例。同時(shí)，節(jié)能減排效果好，也有著很重要的推廣使用價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

超低能耗被動(dòng)式建筑物的設(shè)計(jì)規(guī)范與應(yīng)用，充分考慮了自然環(huán)境、天氣條件和建筑物類(lèi)型等的因素，大大增強(qiáng)了被動(dòng)型技術(shù)的使用效益。在這樣的人居環(huán)境中，建筑使用者才能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)的幸福需求。發(fā)揮能耗極低的被動(dòng)型房屋的建筑與應(yīng)用效益，增強(qiáng)房屋建筑與應(yīng)用的節(jié)能減排效益。所以，承擔(dān)重大工程建設(shè)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)不斷實(shí)踐研究成果，以支持現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的整體發(fā)展。在當(dāng)前的新經(jīng)濟(jì)時(shí)期，節(jié)能減排已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要主題。而建筑業(yè)則成為重點(diǎn)耗能者，同樣需要為節(jié)約與環(huán)保資源作出重大貢獻(xiàn)。因此節(jié)約能源與資源符合建材行業(yè)對(duì)節(jié)能減排的需要，實(shí)踐性很強(qiáng)，在建材行業(yè)有著良好的前景。