適應(yīng)重慶氣候的被動(dòng)房設(shè)計(jì)策略研究

趙俊剛 王皓月

摘 要：被動(dòng)房近年來(lái)在國(guó)內(nèi)日益受到關(guān)注，被動(dòng)房設(shè)計(jì)與當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鳁l件密切相關(guān)，探索與地域氣候條件相適應(yīng)的設(shè)計(jì)策略對(duì)于推動(dòng)被動(dòng)房技術(shù)的發(fā)展具有重要作用。梳理被動(dòng)房建筑的概念、定義、原則和指標(biāo)，對(duì)重慶地區(qū)的氣候特點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)，提出了尋求最佳的規(guī)劃布局與建筑朝向，控制建筑體形系數(shù)，優(yōu)化建筑平面布局，進(jìn)行合理的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，采用高性能?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)，無(wú)熱橋和氣密性設(shè)計(jì)，積極利用可再生能源，采用高性能空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等設(shè)計(jì)策略，為重慶地區(qū)的被動(dòng)房建筑設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：重慶;被動(dòng)房;低能耗;氣候條件;設(shè)計(jì)策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TU201.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）09-0101-03

0 引言

“被動(dòng)房”是一種低能耗高性能的建筑，現(xiàn)已在德國(guó)、瑞典、美國(guó)等國(guó)家獲得了較為廣泛的運(yùn)用，目前我國(guó)也已建成20多個(gè)符合國(guó)際水平認(rèn)證（PHI）的被動(dòng)式建筑示范項(xiàng)目，但大部分示范項(xiàng)目集中在太陽(yáng)能、風(fēng)能資源豐富的地區(qū)。因?yàn)橹貞c的太陽(yáng)能資源相對(duì)缺乏，年平均風(fēng)速很小，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)很難直接在重慶地區(qū)使用。因此，如何在重慶的地域氣候條件下進(jìn)行被動(dòng)房的設(shè)計(jì)是非常值得研究的課題。

1 被動(dòng)房概述

1.1 “被動(dòng)房”建筑的定義

定義一：“被動(dòng)房建筑是指不通過(guò)傳統(tǒng)的采暖方式和主動(dòng)的空調(diào)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)舒適的冬季和夏季室內(nèi)環(huán)境的建筑”。這是歐盟委員會(huì)支持的歐洲被動(dòng)房建筑促進(jìn)項(xiàng)目（Promotion of European Passive Houses）中對(duì)“被動(dòng)房”建筑的定義[1]。

定義二：“被動(dòng)房是指通過(guò)采用先進(jìn)節(jié)能設(shè)計(jì)理念和施工技術(shù)使建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化，極大限度地提高建筑的保溫、隔熱和氣密性能，并通過(guò)新風(fēng)系統(tǒng)的高效熱（冷）回收裝置將室內(nèi)廢氣中的熱（冷）量回收利用，從而顯著降低建筑的采暖和制冷需求”。這是引自中德合作示范項(xiàng)目手冊(cè)中對(duì)“被動(dòng)房”建筑的定義。

1.2 “被動(dòng)房”的原則與標(biāo)準(zhǔn)

一般來(lái)說(shuō)，被動(dòng)房的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循5個(gè)原則：無(wú)熱橋設(shè)計(jì)、高性能窗戶(hù)、帶熱回收的新風(fēng)系統(tǒng)、高保溫性能和高氣密性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

2國(guó)內(nèi)外被動(dòng)房發(fā)展和研究簡(jiǎn)況

2.1 國(guó)外“被動(dòng)房”發(fā)展和研究簡(jiǎn)況

1996年，菲斯特博士在德國(guó)成立了“被動(dòng)房”研究所，該研究所現(xiàn)在是“被動(dòng)房”建筑最權(quán)威的研究機(jī)構(gòu)之一。如今，歐洲、美洲等發(fā)達(dá)地區(qū)許多國(guó)家都出現(xiàn)了“被動(dòng)房”建筑研究的相關(guān)機(jī)構(gòu)。

如今，成千上萬(wàn)的“被動(dòng)房”實(shí)踐項(xiàng)目已在歐洲落地開(kāi)花，“被動(dòng)房”的概念范圍也得到了合理的延展，從過(guò)去的僅限于住宅建筑逐漸滲透到各種各樣的公共建筑中。

2.2 國(guó)內(nèi)“被動(dòng)房”發(fā)展和研究簡(jiǎn)況

2009年中國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與德國(guó)能源署展開(kāi)合作，推動(dòng)被動(dòng)式低能耗建筑在中國(guó)的發(fā)展。

中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院2017年編制出版了國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《被動(dòng)式低能耗建筑——嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑》，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)及寒冷地區(qū)的被動(dòng)式低能耗居住建筑建設(shè)起到了指導(dǎo)作用。

截至2020年底，國(guó)內(nèi)已有河北、陜西、湖南、山東、黑龍江等多個(gè)省頒布了被動(dòng)式低能耗建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐谋粍?dòng)式低能耗建筑發(fā)展。

3重慶地區(qū)氣候特點(diǎn)分析

分析當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)，是進(jìn)行被動(dòng)式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

重慶屬于我國(guó)建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中的夏熱冬冷地區(qū)，下面從溫度、濕度、風(fēng)環(huán)境、日照、降水等幾個(gè)方面對(duì)重慶地區(qū)氣候特點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 溫度

重慶年平均氣溫為18℃。其中在1月氣溫最低，月平均氣溫為7℃，有記錄的最低氣溫為零下3.8℃。7、8月氣溫最高，白天平均氣溫34℃～36℃，夜晚平均氣溫25℃～27℃。重慶氣溫呈現(xiàn)非常典型的“夏熱冬冷”的特點(diǎn)。

3.2 濕度

重慶年大部分地區(qū)平均相對(duì)濕度在78%～83%之間，且冬季較小，夏季最大，為國(guó)內(nèi)高濕地區(qū)。

3.3 風(fēng)環(huán)境

重慶地處東亞季風(fēng)區(qū)，受東北、西南向平行嶺谷地形影響，冬季多偏北風(fēng)，夏季南風(fēng)較強(qiáng)，年平均風(fēng)速1.12 m/s，靜止風(fēng)頻率較多。

3.4 日照

重慶年均日照量相較于全國(guó)其他城市較少，年平均日照時(shí)數(shù)為1 200～1 300 h。7月至8月，月平均日照時(shí)數(shù)為230 h，其他月份則不足150 h。

3.5 降水

重慶年降雨量在1 000～1 100 ml之間，汛期一般出現(xiàn)在6至8月，夏季三個(gè)月的降雨量約為463～506 ml之間。從寒露到立春多霧，年均霧日約60 d。

總的來(lái)說(shuō)重慶的氣候特點(diǎn)可以概括為：夏熱冬冷，四季分明;空氣濕潤(rùn)，降水豐沛;無(wú)霜期較長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射弱，日照時(shí)間短;多云霧，少霜雪;光溫水同季，立體氣候顯著。

4重慶地區(qū)被動(dòng)房設(shè)計(jì)策略

通過(guò)分析現(xiàn)有被動(dòng)式技術(shù)與成功經(jīng)驗(yàn)，在重慶氣候條件下，推廣被動(dòng)房建筑應(yīng)主要考慮降低建筑能耗需求，改善能源系統(tǒng)和設(shè)備效率、充分利用可再生清潔能源等因素[2]，具體來(lái)說(shuō)主要有以下設(shè)計(jì)策略。

4.1 尋求最佳的規(guī)劃布局與建筑朝向

建筑的整體規(guī)劃布局會(huì)對(duì)建筑能效有較大影響。被動(dòng)房建筑技術(shù)應(yīng)從規(guī)劃階段開(kāi)始，考慮如何利用自然能源在冬季獲得更多的熱量，減少熱量損失，在夏季減少熱量，加強(qiáng)通風(fēng)。具體而言，夏季應(yīng)加強(qiáng)自然通風(fēng)，設(shè)置綠化和景觀(guān)以減少熱島效應(yīng)，減少夏季新風(fēng)負(fù)荷，提高空調(diào)設(shè)備效率;在冬季，應(yīng)控制建筑的遮擋，加強(qiáng)日照吸熱，通過(guò)對(duì)建筑空間布局的分析，營(yíng)造適宜的風(fēng)環(huán)境，減少冬季寒風(fēng)的穿透力。各種方案的對(duì)比分析需要計(jì)算機(jī)軟件精確模擬，以獲得最佳的布置方案。

建筑物的朝向直接影響其內(nèi)部的熱環(huán)境，是節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。重慶地區(qū)建筑最佳朝向范圍為南偏東15°至南偏西5°，并應(yīng)該盡量避免西曬。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)將建筑的主要朝向控制在最佳朝向范圍內(nèi)，使建筑在全年獲得最合理的日照條件，從而達(dá)到以較低成本，充分利用太陽(yáng)能的被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)目的。

4.2 控制建筑體形系數(shù)

體形系數(shù)是影響建筑能耗最重要的因素之一，控制建筑的體型系數(shù)可以減少建筑表面與外界的熱交換，降低夏季的制冷和冬季的采暖能耗。在設(shè)計(jì)中采用較規(guī)整的建筑造型，增加建筑進(jìn)深及高度是減小體形系數(shù)、降低空調(diào)能耗的有效途徑。確定建筑物體形系數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮建筑造型、功能布局和采光通風(fēng)等要求，選擇最佳的建筑形態(tài)[3]。

4.3 優(yōu)化建筑平面布局

被動(dòng)房建筑房間通風(fēng)好壞與熱環(huán)境的舒適程度受建筑平面形態(tài)影響較大，良好的平面造型設(shè)計(jì)可以減緩被動(dòng)房的冷熱損失，加快內(nèi)部污染的擴(kuò)散，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，提高人體舒適度，通過(guò)優(yōu)化建筑空間和平面布局，獲得良好的自然通風(fēng)并盡量形成穿堂風(fēng)，消除室內(nèi)余熱;充分引入自然采光，減少對(duì)人工照明的依賴(lài);重慶夏季氣溫高，日照強(qiáng)烈，應(yīng)盡量減少西向窗口或幕墻面積，避免西曬引起室內(nèi)過(guò)熱[4]。

4.4 合理的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

重慶地區(qū)夏季炎熱，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，且靜風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)，建筑遮陽(yáng)作為一種降低室內(nèi)溫度的有效措施對(duì)于該地區(qū)具有較大的實(shí)用價(jià)值。

固定遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮建筑物的朝向及緯度等因素，并參考當(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度角與方位角進(jìn)行日照分析。重慶屬于夏熱冬冷地區(qū)且緯度較低，太陽(yáng)高度角較大，對(duì)南面朝向的窗戶(hù)來(lái)說(shuō)較小的水平遮陽(yáng)就可以達(dá)到很好的效果。東向和西向應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)置垂直遮陽(yáng)、綜合遮陽(yáng)、擋板遮陽(yáng)或者活動(dòng)外遮陽(yáng)來(lái)起到夏季遮陽(yáng)的作用。

另外，利用落葉植物夏季枝葉茂盛，冬季沒(méi)有樹(shù)葉的特性，可充分利用落葉植物對(duì)低層及多層建筑、高層建筑的低層部分形成自然遮陽(yáng)。

4.5 高性能?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)策略

被動(dòng)房維護(hù)結(jié)構(gòu)一般采用保溫材料將外墻、屋面和其他裸露部位全包覆，形成連續(xù)完整的保溫體系，使得建筑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到全面保護(hù)。

從節(jié)能保溫角度考慮，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用外保溫系統(tǒng)效果更好，且保溫層應(yīng)連續(xù)完整，避免出現(xiàn)熱橋;外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體材料宜采用熱惰性大的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu);宜采用淺色飾面或具有反射隔熱功能的涂料飾面;優(yōu)先選用高性能保溫材料，減小保溫層厚度;屋面保溫材料應(yīng)具備較低的吸水率、較好的抗壓性能、較好的抗溫度變形性能。

外門(mén)窗型材應(yīng)采用斷橋鋁合金、PVC塑料、木材和鋁木復(fù)合等保溫性能好的材料，外窗及陽(yáng)臺(tái)門(mén)的玻璃應(yīng)盡量采用三玻雙中空玻璃，并采取設(shè)置Low-E層、真空層或填充惰性氣體層、邊部密封構(gòu)造等加強(qiáng)玻璃保溫隔熱性能的措施。

4.6 無(wú)熱橋設(shè)計(jì)

被動(dòng)房建筑中的熱橋影響會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通節(jié)能建筑，減少熱橋是實(shí)現(xiàn)超低能耗目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。熱橋現(xiàn)象常出現(xiàn)在外墻板、外門(mén)窗的安裝節(jié)點(diǎn)，進(jìn)出建筑物的管道口及傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的梁柱等處，需要在這些部位進(jìn)行重點(diǎn)處理;外圍結(jié)構(gòu)的保溫層如果能保持連續(xù)完整，就可以最大程度地避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)熱橋。

外門(mén)窗的安裝方式應(yīng)根據(jù)墻體的保溫形式進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。當(dāng)墻體采用外保溫系統(tǒng)時(shí)，外門(mén)窗應(yīng)整體外掛式安裝。門(mén)窗框內(nèi)表面應(yīng)與基礎(chǔ)墻外表面齊平，門(mén)窗應(yīng)位于外墻外保溫層內(nèi)。外門(mén)窗與基礎(chǔ)墻的連接處應(yīng)采取封堵措施以便減少熱橋的影響。

4.7 高氣密性設(shè)計(jì)

建筑物氣密性是影響建筑空調(diào)能耗和供暖能耗的重要因素，對(duì)實(shí)現(xiàn)超低能耗目標(biāo)來(lái)說(shuō)，由于其維護(hù)結(jié)構(gòu)較好的保溫隔熱，由單純圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱導(dǎo)致的能耗較小，相反氣密性如果不好，能耗的比例將大幅提升，因此建筑氣密性能對(duì)被動(dòng)房來(lái)說(shuō)比一般建筑更加重要。良好的氣密性可以減少冬季室外冷空氣和夏季室外熱空氣的滲透，同時(shí)可以避免因濕氣侵入而引起的霉變、結(jié)露和建筑物損壞，減少外部噪聲及空氣污染對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，提高建筑物的舒適性。

對(duì)于被動(dòng)房來(lái)說(shuō)，在正常設(shè)計(jì)施工條件下，外門(mén)窗的氣密性對(duì)建筑整體氣密性影響較大。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選用氣密性等級(jí)高的外門(mén)窗，并在外門(mén)窗與門(mén)窗洞口的連接間隙處進(jìn)行氣密性處理;對(duì)各類(lèi)洞口、水電管線(xiàn)貫穿點(diǎn)、不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)等可能影響氣密性的部位，如排風(fēng)設(shè)備、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界點(diǎn)等，應(yīng)進(jìn)行有效封堵，并同時(shí)確保封堵材料的耐久性。

4.8 可再生能源利用

目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都重視開(kāi)發(fā)、利用和推廣各類(lèi)可再生能源。我國(guó)家用太陽(yáng)能系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展迅速，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是投資回收期最短、節(jié)能效益最好的系統(tǒng)，技術(shù)成熟，有生活熱水需求的居住建筑推薦安裝太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。但重慶各地區(qū)的日照條件不盡相同，應(yīng)根據(jù)建筑物的位置、氣候條件和建筑形式等因素綜合考慮，選擇合適的類(lèi)型和位置安裝使用，并應(yīng)與建筑物造型及環(huán)境相協(xié)調(diào)。當(dāng)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)需要輔助加熱時(shí)，宜采用空氣源熱泵等。對(duì)于重慶的多數(shù)地區(qū)，夏季日照豐富而冬季日照不足，不太適合采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。但是可以采用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，夏季發(fā)電較多，可有效降低夏季用電高峰的峰值。

重慶水源較為豐富，很多地方有條件采用地源熱泵系統(tǒng)。采用地源熱泵系統(tǒng)集中供冷、供暖時(shí)，如果地埋管換熱器的出水溫度、地下水或地表水的溫度滿(mǎn)足末端進(jìn)水溫度需求時(shí)，可直接利用。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中應(yīng)注意選用高能效水源熱泵機(jī)組，提高能效。

4.9 通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)策略

被動(dòng)式建筑由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、隔熱、密封性能優(yōu)異，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的空調(diào)冷、熱負(fù)荷在總負(fù)荷中占比很少，新風(fēng)負(fù)荷是主要負(fù)荷?？刹捎脦峄厥展δ艿男嘛L(fēng)空調(diào)一體機(jī)，即可滿(mǎn)足室內(nèi)供冷、供暖、除濕需求，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)新風(fēng)和回風(fēng)的熱、濕和過(guò)濾處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣的溫濕度及潔凈度等的有效控制。該空調(diào)方式目前已較為成熟，可在被動(dòng)式建筑中大量推廣。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析被動(dòng)房的基本概念，梳理國(guó)內(nèi)外“被動(dòng)房”發(fā)展和研究狀況，分析重慶地區(qū)的氣候特征，運(yùn)用建筑性能模擬軟件Ecotect Analysis對(duì)重慶地區(qū)與被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略進(jìn)行研究，提出了尋求最佳的規(guī)劃布局與建筑朝向，控制建筑體形系數(shù)，優(yōu)化建筑平面布局，進(jìn)行合理的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，采用高性能?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)，無(wú)熱橋和氣密性設(shè)計(jì)，可再生能源利用，采用高性能空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等策略，希望能給對(duì)重慶地區(qū)被動(dòng)房設(shè)計(jì)提供一定的參考，對(duì)促進(jìn)被動(dòng)房在重慶及氣候條件接近西南地區(qū)的發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力。

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