被動式超低能耗建筑設計基礎與應用

曹濤

（山東大衛(wèi)國際建筑設計有限公司，濟南250001）

1 引言

城鄉(xiāng)一體化進程的加快帶動了我國建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，在現(xiàn)代建筑施工建設和使用的過程中，往往會消耗大量的能源資源，并不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。對此，在建筑設計中，應重視能耗的控制，借助被動式設計策略，在保障節(jié)能效果的同時，為人們提供更加舒適、更加健康的生活與工作環(huán)境。

2 被動式超低能耗建筑概述

被動式超低能耗建筑就是在建筑設計、施工和使用的過程中，盡可能地減少能源消耗，通過少用甚至不用主動暖通空調系統(tǒng)的方式來維持室內熱環(huán)境，是現(xiàn)代建筑順應自然要求的典范，同時，也是建筑節(jié)能發(fā)展的主要方向。被動式超低能耗建筑存在3個核心特征，分別是順應自然、超低能耗和高舒適度。在建筑設計環(huán)節(jié)，采用被動式設計策略可以借助建筑朝向、遮陽裝置、蓄熱材料、自然通風等自然因素實現(xiàn)對可再生能源的直接利用，在推動社會可持續(xù)發(fā)展方面有極其深遠的意義。對比現(xiàn)行國家建筑節(jié)能標準，被動式超低能耗建筑的供暖和供冷需求能夠降低85%～95%，而要達到這一目標，需要滿足6個主要技術特征，分別是：高效非透明圍護結構保溫系統(tǒng)、高節(jié)能保溫門窗、高效熱回收新風系統(tǒng)、良好的氣密性、無熱橋設計和可再生能源利用[1]。

3 被動式超低能耗建筑設計基礎

3.1 理論方法

被動式超低能耗建筑設計理論綜合了建筑設計學、建筑氣候學和建筑環(huán)境學的相關理論知識，以科學實驗為支撐，針對人體熱舒適氣候規(guī)律進行研究，形成了多樣化的設計模式，是低能耗建筑設計領域的一種創(chuàng)新，滿足建筑可持續(xù)發(fā)展的要求。在被動式超低能耗建筑設計的過程中，設計人員遵循熱平衡理論，通過對自然采光、自然通風以及太陽能采暖等要素的合理利用，減少了暖通空調等設備的使用，降低了建筑能耗。在被動式超低能耗建筑設計中，需要對地域性氣候資源利用、建筑設計技術應用等問題進行解決，盡量提高對自然資源的利用率，減少人們對設備的需求，取得良好的節(jié)能降耗效果[2]。

3.2 環(huán)境因素

被動式超低能耗建筑設計基礎中的環(huán)境因素體現(xiàn)在2個方面。

3.2.1 氣候大環(huán)境

氣候環(huán)境因素是建筑設計中需要考慮的一個核心問題，在我國，南北地區(qū)的氣候差異極其明顯，南方（如海南等地）夏季氣溫高，對于供冷有著非常強烈的需求；北方（如東北三?。┒練鉁氐停枰罅康呐瘹夤??；诖耍诒粍邮匠湍芎慕ㄖO計的過程中，需要做到因地制宜，選擇最為合理的技術，依照氣候大環(huán)境，做好設計方案的優(yōu)化調整。

3.2.2 室內外環(huán)境

被動式超低能耗建筑設計需要設計人員對照完善、精確的數(shù)據(jù)，做好室內外環(huán)境特征的綜合分析[3]。具體來講，應在充分考慮當?shù)貧夂蛱卣鞯那闆r下，從近幾年的氣候數(shù)據(jù)中提取典型要素，做好日照、輻射、風速、溫度、濕度等方面的全面分析，對照建筑本身的功能需求進行設計，盡可能降低建筑運行能耗。以長野冬奧會速滑館為例，采用了雙層可調節(jié)呼吸外墻，并在墻體中設置了相應的空氣夾層，可在冬季和夏季通過開合調控的方式實現(xiàn)冬季保溫、夏季隔熱的良好效果。在屋面上設置了高低側采光天窗，通過折射的方式將光照引入室內，滿足室內采光需求的同時，也能避免眩光引發(fā)的負面影響。

4 被動式超低能耗建筑設計應用

4.1 體型朝向設計

在被動式超低能耗建筑設計中，建筑的朝向應盡量采用南北朝向，這樣能有效實現(xiàn)自然通風和采光。為了避免主要功能用房西曬的情況，可以在建筑西側外墻設置相應的景觀廊架，搭配垂直綠化來阻擋夏季西側強烈的太陽照射，提升室內環(huán)境的舒適度[4]。在對建筑體型朝向進行確定時，應從其功能方面進行考慮，不能為了追求立面的變化而一味采用復雜化的設計，導致能耗增加。同時，在對建筑群體進行布置，或者對建筑單體形態(tài)進行設計的過程中，需要避免建筑大面積處于風場渦流區(qū)的情況，可以通過對風速、風量的合理調節(jié)，實現(xiàn)建筑自然通風。

4.2 自然能源利用

以自然能源代替常規(guī)能源是被動式超低能耗建筑設計的一個重要體現(xiàn)，通過對太陽能、風能、地熱能等的合理利用，能夠有效減少建筑使用環(huán)節(jié)對傳統(tǒng)能源的消耗，促進節(jié)能降耗目標順利實現(xiàn)。以太陽能技術為例，太陽能是一種綠色、清潔、可再生的能源，具備持續(xù)再生以及零污染的特性，其在被動式超低能耗建筑設計中得到了廣泛應用，一般是通過在建筑頂部設置太陽能熱水器或者太陽能電池板的方式，為建筑提供熱水和電能，滿足建筑的使用需求[5]。

4.3 保溫系統(tǒng)設計

在保溫系統(tǒng)設計中，需要重點關注以下3個方面的問題。

4.3.1 保溫材料

從被動式超低能耗建筑設計的角度，在對保溫材料進行選擇的過程中，應充分考慮建筑本身的功能需求，保證材料的性能、規(guī)格合理，如果條件允許，應優(yōu)先選擇綠色環(huán)保節(jié)能材料。而在對建筑保溫隔熱系統(tǒng)進行設計的過程中，應重視新型保溫材料的合理應用，如無機保溫砂漿、保溫裝飾一體化板、納米隔熱板、EPS泡沫板以及泡沫玻璃等，確保其在發(fā)揮良好保溫隔熱效果的同時，滿足綠色環(huán)保的要求。

4.3.2 外墻保溫

對于被動式超低能耗建筑，外墻保溫系統(tǒng)設計是一個非常重要的內容，也是實現(xiàn)被動式超低能耗建筑節(jié)能的關鍵環(huán)節(jié)，可采用保溫設計和隔熱、散熱設計相結合的方式，同時，將區(qū)域氣候條件考慮在內。在我國不同地區(qū)，外墻隔熱設計采用的技術存在一定的差異性，例如，在南方地區(qū)，夏季氣候炎熱，冬季相對溫和，外墻保溫系統(tǒng)一般會選擇無機保溫材料，或者墻面垂直綠化、淋水被動蒸發(fā)以及比較獨特的通風墻、干掛通風幕墻等；在北方地區(qū)，夏季氣候炎熱，冬季寒冷干燥，建筑外墻保溫設計的目的是防止室內熱量散失，一般會利用苯板復合材料設置相應的墻體保溫夾層，或者在墻體外部設置保溫隔熱層，相比混凝土材料和磚瓦材料，復合材料有更好的保溫隔熱效果[6]。

4.3.3 屋面保溫

屋面保溫與外墻保溫類似，大多采用絕熱擠塑聚苯板、泡沫玻璃等保溫材料，設置通風隔熱屋面，也可以設置附帶通風空氣層的金屬夾層隔熱屋面，相比外墻保溫，屋面空間的可利用性大，屋面保溫的形式更加多樣化，還可以設置蓄水屋面、種植屋面等。以種植屋面為例，可以在屋面設置一定厚度的土層用于種植綠色植被，不需要另外設置保溫層，就可以起到良好的保溫隔熱效果，還可發(fā)揮降塵、減噪、提高空氣質量的效果，也能夠營造出更加豐富的城市空中景觀。不僅如此，種植屋面能夠在一定程度上對雨水進行截流，有效緩解城市排水系統(tǒng)的壓力。地板保溫設計是北方房屋保溫系統(tǒng)的一個重要組成部分，一般采用保溫板和保溫砂漿，通過在保溫材料上設置配筋細石混凝土保護層的方式提高其保溫效果[7]。

4.4 門窗系統(tǒng)設計

在對建筑門窗進行設計的過程中，應將建筑所處區(qū)域的氣候、主導風向、溫度、濕度等因素全部考慮在內，例如，在南方地區(qū)，應在南北朝向設置大窗，為通風和采光提供便利，東西朝向則應適當縮小窗體面積，同時，對窗體的位置和數(shù)量進行準確計算，確保室內空氣能夠形成對流。還應確定進風口和出風口的尺寸，以實現(xiàn)對室內氣流速度和氣流流場的有效控制，也可以通過設置挑檐、遮陽等具備一定導風功能的構件，對窗口的正負壓進行區(qū)分，進一步增強空氣流動性。在東西側外窗需要設置相應的遮陽措施，在考慮天然采光效果的情況下，可以采用2種不同的遮陽方式：固定式遮陽和可調式遮陽。在保證采光的同時，避免眩光的影響。相比較而言，推拉窗比平開窗有更好的氣密性。另外，應控制好門窗和建筑整體的比例，因為其會直接影響建筑整體的保溫隔熱效果。對于東向和北向建筑，門窗比應在20%以下；對于西向建筑，門窗比應在30%以下；對于南向建筑，門窗比不能超過35%，這樣才能切實保證門窗系統(tǒng)的節(jié)能降耗效果[8]。

5 結語

對比主動式節(jié)能建筑，被動式超低能耗建筑不僅節(jié)能效果更好，而且還具備綠色環(huán)保的特點，在建筑工程領域得到了廣泛應用。在新的發(fā)展環(huán)境下，有關部門應加大對被動式超低能耗建筑的研究，明確其設計基礎和應用策略，確保被動式超低能耗建筑能更好地符合我國環(huán)境特征，實現(xiàn)良好的節(jié)能降耗效果，以此來推動我國建筑行業(yè)穩(wěn)定健康發(fā)展。