我國被動式超低能耗住宅建筑的研究與展望

文／陳宛東 中冶時代置業有限公司 河北唐山 063000

引言：

被動式超低能耗建筑是用保溫性良好、氣密性高的圍護結構進行建筑設計，通過使用熱回收技術，利用可再生能源，為人們提供舒適、怡人的居住環境，相關設計要符合不同地區的氣候特征和自然條件，保證建筑的優良性能。

1、被動式節能的概念

被動式節能主要是針對配備各類節能設備的主動式節能而言，強調通過對各種自然元素的合理利用，降低建筑對能源的損耗，減輕運行負載。住宅建筑被動式節能設計的核心，是借助相應的技術手段，對建筑所處區域的微環境氣候進行調節，換言之，被動式節能設計能夠使住宅建筑更好地適應周圍的環境和氣候，在不增加外部輔助設施的情況下，借助陽光、風力、地形等因素，完成對建筑室內環境的有效調節。被動式節能設計不需要設置外部輔助設施，因此，設計相對簡單，在建筑使用過程中，對先進技術沒有很強的依賴性，而且能夠顯著降低建筑需要承受的負載，有效減少能源消耗。被動式節能設計的優勢體現在以下3個方面：（1）可以對自然資源進行合理的利用，這是被動式住宅設計建筑具有節能功能的重要一步，例如：太陽光、水流等自然資源，這些都可以形成自然的動能，可以免去重新使用資源來開發動能這一步驟，所以這對節約資源是十分有幫助的；（2）可以對整體布局有一個更好的提前計劃，被動式節能的設計會讓整個步驟的進程放慢，這對當地的地質有一個很好的考量，實時實地的分析，會對當時的環境有一個更深的了解。這對于整體的住宅建筑設計是十分有幫助的；（3）被動式節能在很大一方面都十分具有科學性，這會幫助你更好的找到整個建筑設計的核心部分，更有利于以后的施工建設。

2、被動式節能住宅建筑的現實意義

2.1 緊跟時代的發展變化，保護環境

我國是人口大國，雖然地域廣闊、資源豐富，但是持續增長的人口還是給我國造成巨大的壓力。各類不可再生資源迅速減少、生態環境惡化加劇，人們在享受現代生活帶來的便利的同時，更是經受著自然環境變化帶來的不良影響，在這種情況下，環境保護已經成為現代人們最重要的任務。住宅建筑作為我國主要的建筑類型，其建筑規模與數量都極為龐大，造成的能源康浪費更是巨大，必須要加強被動式節能設計技術的應用，通過改善房屋結構和布局來降低住宅使用中產生的能耗問題，減少其對自然環境造成的不利影響，這也是時代發展變化的要求，是保護環境的現實需要。

2.2 合理發揮各類資源的最大價值，降低能源消耗

住宅建筑施工中要消耗各種建筑材料，因此合理選擇建筑材料與施工方式，發揮各類資源的最大價值也能夠降低能源消耗，實現節能降耗的目的。設計人員應該根據創建資源節約型社會要求合理的利用大自然中的各種資源，在各施工環節中合理的配置各種資源的使用，從而降低建造過程中的能源消耗，業主的房屋使用成本，并且減少后期運營使用環節的能耗問題。

2.3 符合民眾的生活居住要求，提高生活質量

現代人們的思想觀念有了極大的改變，針對住宅建筑的使用要求也更高。在住宅建筑設計中最重要的也是要結合業主的實際需要進行室內環境的功能設計等方面。除此以外，還應該將一些健康合理的生活方式引入其中。而被動式節能技術的應用要求設計人員可以結合自然環境和住宅建筑設計要素和要求制訂出最佳的節能建筑設計方案，并合理控制建筑物朝向、形式布置等等多個方面，在滿足居民生活要求的同時實現節能降耗的目的，提高居民的生活質量。

3、被動式節能在住宅建筑設計中的應用

3.1 保溫系統

首先，技術人員要加強對保溫、采暖系統材料的選擇，相關施工材料要嚴格符合施工標準，確保材料的無污染、綠色化，避免在施工過程中出現質量問題，當前大多數被動式超低能耗建筑選用的材料為無機保溫砂漿、納米隔熱板和GSE泡沫板，這些材料的可控制性較強，能夠幫助設計人員在設計系統時，提高操作的可行性，提高保溫層的厚度。其次，保溫系統的設計要注重散熱功能，通過加強墻面的垂直綠化和通風墻、蒸發墻面的設計，將高溫產生的熱量快速消散。比如：我國的南方地區在冬季經常會出現建筑物室內熱量大量流失的問題，建筑企業可通過使用復合苯材料，提高墻體夾層的厚度，提高建筑的保溫性能。最后，要加強屋面保溫系統的設計，傳統的保溫材料已經無法滿足時代發展的需求，相關企業要加強建筑的一體化設計，盡可能加強建筑的使用壽命。在屋面保溫中要進行蓄水、種植，將通風空氣層夾板放置在隔熱屋面上，促進空氣流通，加強吸熱能力。在材料選取上，盡可能選擇保溫砂漿和保溫板，并在相關材料上鋪設混凝土保護層，提高保溫系統的保溫效果。

3.2 高性能的門窗

被動式超低能耗建筑要求建筑物內部的環境穩定，與外界環境隔離，內部能量盡量不消耗。而在普通建筑中，透過門窗的散熱損失占整個外圍護結構能量損失的50%左右。這就要求必須降低門窗的傳熱系數，必須采用高性能的門窗。建筑物的整體能耗指標的實現需要多次優化調整窗墻比、窗戶玻璃層數、厚度等影響K值的因素，選擇與外界氣候條件相匹配的門窗。高性能的門窗不僅要滿足高保溫、高氣密性的要求，在安裝施工時還要進行無熱橋設計。為了實現這些目標，不僅對窗戶的材質有要求，而且門窗的外形設計與制作、門窗的安裝位置及安裝方式、五金配件的選擇、施工質量及檢測等都會對門窗的性能有影響。高性能的窗戶多采用3玻2腔的玻璃，面積較大時窗戶較重。在設計中的一些構造做法也與普通窗戶有所不同，在窗戶四周需要設置抱框柱、窗臺梁及窗上過梁。

3.3 屋面節能設計

就當前住宅建筑中的屋面結構形式來說，一般倒置式屋面具有更好的節能效果。再加上具有較好防水性的保溫材料可以起到防水隔熱效果，且保溫層在防水層上部又能夠大大延長防水層的使用壽命，減少居民居住期間頂樓漏水的情況，也可以提高建筑的價值。在被動式節能技術的應用中也開始廣泛使用節能金屬屋面，其主要是利用鋼結構、玻璃棉、石棉以及金屬底板等材料構建屋面金屬板、防水透氣膜以及防潮隔汽層，從而提高防滲漏效果和隔熱保溫性，使用壽命也相對較長；屋頂綠化設計也是提高建筑保溫隔熱能力的重要手段，只需要加強防水設計標準即可。除此以外，坡屋面采用太陽輻射吸收率小于0.7的淺色飾面，平屋面采用太陽輻射吸收率小于0.5的淺色飾面，或同時采用太陽輻射吸收率低的屋面材料和綠化屋面，可降低建筑屋面表面溫度，減少建筑能耗。

3.4 做好采光通風設計

住宅的采光通風設計對于人來說，是住宅設計中一個非常重要的部分，有的人喜歡光照充足，通風暢快的住宅，而有的人則喜歡較為背光的地方，每個人的個人喜好不同，由此，對于住宅的實際需求也會不一樣，但這項采光通風設計對于設計者的考察技術是十分嚴格的，只有對采光通風技術知識有一個充分的了解，這樣才能完成這項設計。企業要重視員工的專業技術水平，嚴格按照企業的招進制度，按照需求選擇好適合企業發展的、企業所欠缺的通風采光設計的人才，同時企業也要加大對員工的培養，例如：為企業的員工設置培訓專業的課程，這種專業性較強的課程，一定要選擇先進的項目，這樣才能保證員工學到的都是領先的、專業的知識。同時，還要獎懲分明，對認真對待培養課程、專業技術過硬的員工進行獎勵：也還要對不認真對待專業培養課程的員工進行懲罰，這樣，企業員工才會有一個正確的態度來對待企業的技能培養課程，這種措施才會在員工的身上起作用，這樣才能做好一個完美的住宅采光通風設計。

自然采光與通風是被動式超低能建筑工程建設的基礎環節，在設計時要注意工程地點的自然環境條件，收集相關氣候信息數據，根據實際情況分析、研究、確定最優的方案策略。在工程中要對內側的抹灰層進行縫隙封堵，確保氣密性嚴實，同時在內側設置防水膜，進而保證相關使用電線不會被室內的水蒸氣浸泡，出現電路故障，要按照30m2/h的標準風量設置新風系統，保證空氣過濾等級在G4以上，并在進風和排風管道上安裝消音設備，降低通風時產生的噪音。

3.5 朝向設置

被動式超低能耗建筑設計要注意建筑物的朝向設置，要盡可能采用南北朝向的設計方式，從而提高采光度和自然通風量，相關技術人員要結合不同地區的地勢、地貌進行適當調整，避免房屋遭受陽光的直射。在建筑型體設計中，要盡可能體現建筑的合理性、簡潔性，不能一味的追求低耗能源策略而使建筑結構復雜化。并且被動式建筑要注意保持合理的風速與風量，使建筑穿堂風能夠有效成型，為后期設計提供便利。相關朝向設計要盡可能保證建筑成本和節能損耗間的經濟平衡，能夠有效提高各建筑產業的經濟效益，使其符合國家規定的相關能源使用標準，為人民群眾提供良好的建筑環境，提高人民生活質量，調動人們的選購欲望。

3.6 可再生能源的充分利用

被動式超低能耗建筑能充分利用可再生能源，如太陽能、地熱能、風能、水能等，需要結合建造地點的實際情況，合理選擇可再生能源，其核心理念是建筑需要充分吸收大自然所提供的“養分”。建筑是建造在自然環境中的，不能將建筑視為一堆鋼筋混凝土的人類科技合成物，要與當地的氣候、人文環境充分結合，充分利用人類幾千年的智慧和生活經驗，打造出低碳環保、舒適宜居的建筑。已建成的被動式超低能耗建筑充分考慮了可再生能源的利用，比如位于河南省鄭州市的中原地區首個被動式超低能耗示范項目“五方科技館”，采用了地源熱泵、太陽能光電技術、太陽能光熱技術等可再生能源技術。

3.7 在建筑布局設計上的應用

戶型設計與業主的居住體驗感息息相關。在被動式節能技術的應用中，戶型設計上最重要的就是滿足采暖和通風要求，因此設計期間需要結合當地的風環境和太陽輻射等因素，并按照不同房間的實際需要進行優化設計，以便可以合理的使用太陽光。比如在房屋內的走廊設計上應該與房間窗戶的進出口對應，節約建筑面積的同時確保通風良好；再就是入戶門的設計也需要盡可能的避免冬季寒風侵入。由此可見，科學的戶型設計也可以達到冬暖夏涼的被動式節能設計效果，從而提高居民的居住體驗感。

3.8 有關水資源設計的運用

水資源在建筑建設中起著非常大的作用，沒有水的工程設施根本完成不下去，就目前情況而言，我國的水資源浪費情況還是十分嚴重，人們的節水意識還是沒有提高，我們一定要切記要提高保護、節約水資源的意識，讓人們把這種意識這一塊上，我們要積極的把這種意識落實到我們的實際現實生活中，這樣，才能做到真正的保護水資源，讓水資源在建筑設計中發揮到自己特有的作用。水資源的設計有很多種，但一個真正好的水資源設計就是能將水資源與現實的應用有效的結合，而不是強拉硬扳，例如：一個住宅，客戶既想要向陽面，但又不想房屋很干燥炎熱的情況下，水資源設計在這一方面就顯得十分重要，可以將水資源引進到房屋墻體的附近，由于水有吸熱的作用，水資源引進到墻體的附近，就能有效地吸走墻體房屋部分的熱量，這就能有效的為房屋降溫，其次，水資源在蒸發的過程中，會產生很大一部分的水汽，這樣水汽到房屋墻體內，就能很好的改善了房屋墻體因強烈的日照而嚴重干燥的局面。

3.9 在建筑功能設計上的應用

在建筑功能設計上應用被動式節能設計主要指的就是自然通風和太陽光照設計。比如在臥室、廚房和衛生間的位置設計上需要根據當地季風氣候的影響，合理的調整建筑功能和門窗位置等等，從而產生不同的氣壓變化來保證室內的受風均勻。同時還可以選擇彎曲、多節段平面設計方式可有效控制建筑迎風坡以及背風坡的壓力差，或者根據太陽高度角和住宅建筑設計高度來控制日照時間，或使用坡屋頂設計等等；在一些建筑中還可以設置天窗引導自然風的流向，增強空氣對流的同時還可以增加陽光映射面積。

3.10 綠化設計

企業的員工應學習專業的綠化知識，例如：讓植物圍繞著墻體生長，這樣能夠有效的給墻體降溫，在夏季，植物生長茂盛時，可以有效地使室內的溫度減少，充分的利用好這些有機的綠色植物，才能使整體的綠化設計有一個質的飛躍，其次，員工一定要學習專業的綠化設計。提高員工學習綠化知識的積極性，只有員工的積極性提高，他們在工作中的效率自然也會提高，這樣才會有利于企業整體工作效率有質的飛躍。高度的工作效率會使企業產品在整個市場的占有率提高，也相應的提高了建筑綠色設計的市場競爭力，增強競爭優勢。企業一定要提高對培養員工積極性工作的重視程度，這樣才能使整個建筑設計企業能有序、均衡的生存。綠化設計在我們的現實生活中，應用的十分廣泛，不僅僅知識在被動式節能住宅建筑上，另外，在道路建設的過程中，道路的綠化也可以被應用到這一方面來，所以，員工學習好這方面的專業知識，是十分有必要的，企業的員工學習好這方面的知識后，就能夠舉一反三，不僅僅只會應用到這方面，學習知識，對于專業的設計者，最重要的就是能夠將自己所學的知識有效的應用到自己的實際工作當中，這就能是自己的知識學有所用，這樣能夠很大的提高企業員工的學習積極性，認為自己學習的知識是有用處的，這對于企業的健康、持續發展也有著重要作用。

4、未來研究展望

伴隨著我國“被動式建筑”研究的“小熱潮”，“被動式建筑”研究的觸角已經延伸到不同的相關研究領域中，如能源與動力、環境科學、生理與心理、經濟管理、材料科學、工業技術和生物科學等，包含建筑室內外熱環境提升、人體熱舒適、不同設計優化等多個研究分支。但目前尚未形成一系列完善的被動式優化設計策略、措施以及相應的評價指標，未來仍需進一步完善相關研究:(1)進一步完善不同地域被動式設計研究。被動式設計條件復雜，不同地域地形和氣候情況存在差異，室內外環境對建筑能耗的影響仍需進一步深入，適用于不同氣候條件特征的有效被動式建筑設計策略依然比較缺乏，對于被動式策略的綜合優化研究依然是未來被動式設計研究的方向。(2)增強被動式太陽能設計的適用性和覆蓋率。作為可再生清潔能源的一種，太陽能具有光熱效應、光電效應等特性。隨著太陽能利用率的提高，被動式太陽能建筑規模不斷從嚴寒、寒冷等太陽能充足的地區向內地擴展，太陽能建筑一體化設計、高層住宅太陽能利用都是太陽能利用技術在建筑層面的發展方向。此外，未來我國被動式太陽能設計將從建筑單體層面不斷走向規劃層面，與城市風貌融為一體，形成有小范圍針對性的有機整體。

結語：

通過對國內“被動式建筑”發展脈絡的梳理以及相關研究文獻的歸納與總結發現，我國“被動式建筑”研究雖起步較晚但發展迅速，尤其是地域性及氣候性相關的研究生生不息，跨領域結合的研究更是勢頭迅猛，隨之而來的是缺少全面、有效的統計數據庫以及形成相應的統一體系。未來研究應在國家大力提倡“生態建設”與綠色節能建筑的大背景下，結合“以人為本”的思想，應鼓勵跨學科交叉研究，綜合多因素因子的影響，有針對性地建立統一的被動式節能研究體系。下一個10年，在節能、健康與舒適的多重關注下，被動式低能耗建筑將面臨規模化與區域化發展的新趨勢。找到適合我國節能建筑的發展方向，探索符合國家利益和時代需求的建筑節能方案，是建筑發展、變革從而走向成熟的必經之路。