被動(dòng)式建筑在西北地區(qū)的應(yīng)用適宜性探討

趙翔宇， 周海玲

（西南交通大學(xué)）

1 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，我國節(jié)能建筑發(fā)展水平還亟待提高，相應(yīng)政策需盡快補(bǔ)充完善[1]。被動(dòng)房作為建筑低碳、節(jié)能的深入方向，以超低能耗為概念原則[2]，項(xiàng)目范圍延伸、涵蓋了近零能耗、零能耗與產(chǎn)能建筑（正能量房），是建筑領(lǐng)域推動(dòng)我國實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵研究課題[3]。本文從氣候特征、地理?xiàng)l件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素入手，分析和探討被動(dòng)式建筑在我國西北地區(qū)的應(yīng)用適宜性和發(fā)展機(jī)遇。

2 應(yīng)用適宜性分析

行政區(qū)劃概念下，西北地區(qū)指陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆五省，簡(jiǎn)稱“西北五省”；自然區(qū)劃概念下，西北地區(qū)指我國西北內(nèi)陸的一個(gè)區(qū)域，包含大興安嶺以西，昆侖山——阿爾金山——祁連山和長(zhǎng)城一帶以北，包括內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)和甘肅省的西北部。

2.1 西北地區(qū)氣候特征

西北大部地區(qū)地處溫帶大陸性氣候，夏季高溫，冬季寒冷，氣溫的日較差和年較差大。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176-2016），西北地區(qū)被寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)的熱工設(shè)計(jì)分區(qū)全部覆蓋。其多年最冷月平均氣溫-8℃～13℃，最熱月平均氣溫20℃～26℃。年平均相對(duì)濕度只有50%～55%。主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，年平均風(fēng)速3-4m/s。日照輻射總量高達(dá)6200MJ/㎡·年～7400MJ/㎡·年（見圖1）。大部分地區(qū)年平均降雨量從東部的400mm左右，往西減少到200mm，甚至50mm以下，年降水少是西北地區(qū)的總體氣候特征。

圖1 1960年～2009年西北地區(qū)多年平均太陽總輻射年總量空間分布[4]

被動(dòng)式建筑(見圖2)在西北的應(yīng)用特點(diǎn)體現(xiàn)為需主要解決冬季保溫問題，充分利用太陽能，同時(shí)兼顧雨水收集利用和地下水保護(hù)。地區(qū)適宜的被動(dòng)式建筑技術(shù)重點(diǎn)為：①抱團(tuán)式建筑體型設(shè)計(jì)；②提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的熱阻R，降低傳熱系數(shù)K[5]；③提高構(gòu)造節(jié)點(diǎn)氣密性，防止冬季冷風(fēng)滲透；④圍護(hù)結(jié)構(gòu)增加空氣間層，充分利用空氣的蓄熱性能延緩圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面熱交換；⑤嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，建筑總能耗中供暖能耗占比最大，太陽輻射能夠有效降低冬季供暖能耗，卻會(huì)增加夏季制冷能耗，因此適當(dāng)?shù)恼陉柎胧┬璞豢紤][6]?？梢哉f，被動(dòng)式建筑在西北地區(qū)的應(yīng)用不應(yīng)被當(dāng)成一種新奇的模式，這種選擇其實(shí)也是“被動(dòng)的”，是建筑為適宜西北地區(qū)自然氣候特點(diǎn)的最佳可行方案[7]。

圖2 被動(dòng)式建筑示意圖

2.2 西北地區(qū)地理?xiàng)l件

我國西北緯度位置大致在北緯36°以北，北緯53°以南，世界上第一座示范被動(dòng)式建筑（見圖3）所在的德國達(dá)姆施塔特克蘭尼斯坦區(qū)（緯度49.8728253，經(jīng)度8.6511929）也在這個(gè)緯度范圍之內(nèi)。西北地區(qū)的地形地貌相當(dāng)豐富，同時(shí)擁有雪山、高原、盆地、平原、草原、沙漠、戈壁、綠洲的地貌特點(diǎn)。然而地面植被由東向西深入內(nèi)陸呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，自然景觀從森林草原型過渡至石質(zhì)戈壁、荒漠型，人類活動(dòng)的影響加劇了這種減少趨勢(shì)。中國沙漠總面積約70萬km2，如果連同50多萬km2的戈壁在內(nèi)總面積為128萬km2，占全國陸地總面積的13%。西北干旱區(qū)是中國沙漠最為集中的地區(qū)，約占全國沙漠總面積的80%（見圖4）。

圖3 德國達(dá)姆施塔特第一座示范被動(dòng)式住宅（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

圖4 西北地區(qū)典型荒漠化地貌（圖片來源：電影《一秒鐘》劇照）

地理?xiàng)l件的嚴(yán)酷導(dǎo)致西北的生態(tài)環(huán)境異常脆弱，任何生態(tài)破壞造成的影響都只會(huì)加深生態(tài)向惡化的趨勢(shì)發(fā)展，而無法被自然環(huán)境自我調(diào)節(jié)和消化。如果繼續(xù)按照過去“大手筆、大項(xiàng)目”的粗放發(fā)展模式，建筑業(yè)持續(xù)地以高耗能建筑為主，忽視了建筑業(yè)全流程總能耗對(duì)環(huán)境的影響，忽視了低能耗建筑對(duì)西北地區(qū)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)上長(zhǎng)期發(fā)展而“省出來”的效益和其影響下產(chǎn)生的特色產(chǎn)業(yè)。在今天全國生產(chǎn)力發(fā)展水平仍處于不平衡的背景下，西北地區(qū)將難以走出荒漠化和人口外流的趨勢(shì)，還可能使全社會(huì)對(duì)西北防沙治沙環(huán)保公益工作所做的貢獻(xiàn)事倍功半。

2.3 西北地區(qū)供暖情況

近年來，隨著農(nóng)村人口向城市遷移和集中，以及生活居住條件的改善，傳統(tǒng)低效的采暖方式被逐步取代為具有動(dòng)力泵的集中供暖系統(tǒng)和主要依靠天然氣或電能的分戶式采暖系統(tǒng)。改進(jìn)的采暖方式大大避免了對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的污染，易于操控管理，易于監(jiān)測(cè)維修，在環(huán)保和安全性方面性能更優(yōu)。盡管傳輸距離變長(zhǎng)、傳送過程的熱損失以及初期的建設(shè)安裝成本意味著比傳統(tǒng)方式更高的能耗和運(yùn)行費(fèi)用，但從長(zhǎng)周期來看，隨著不斷優(yōu)化的能效成本，運(yùn)行費(fèi)用有逐步降低的趨勢(shì)。當(dāng)前，在“碳中和”和大力支持新能源發(fā)展的背景下，供暖能源經(jīng)歷由非再生能源、產(chǎn)生二氧化碳的二次能源制品→可再生清潔能源的轉(zhuǎn)變過程，西北地區(qū)引進(jìn)先進(jìn)供熱設(shè)備，如2021年西北首個(gè)投產(chǎn)的“多能互補(bǔ)”型供熱站——幸福林帶供熱項(xiàng)目全面建成（見圖5），利用天然氣、太陽能及地?zé)崮艿幕パa(bǔ)作用，回收煙氣中90%以上水蒸氣，發(fā)揮余熱供暖，預(yù)計(jì)每年減少二氧化碳排放量8032t，節(jié)約天然氣成本951萬元，助力低碳發(fā)展[8]。

圖5 幸福林帶項(xiàng)目效果圖

3 西北地區(qū)建立被動(dòng)式建筑研究中心的機(jī)遇

資源型工業(yè)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)構(gòu)成主要的西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，主要支柱產(chǎn)業(yè)離不開能源開采、文化旅游和農(nóng)業(yè)。獨(dú)特的氣候和地理特征從根本上限制了西北地區(qū)從低利潤(rùn)的農(nóng)業(yè)向一些高新產(chǎn)業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，使經(jīng)濟(jì)依然過度依賴自然條件。較為落后的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、廣袤的不適宜居住的沙漠地區(qū)、缺乏產(chǎn)業(yè)完整性、產(chǎn)業(yè)支撐的城市集群也難以吸引國內(nèi)沿海地區(qū)的高新產(chǎn)業(yè)和技術(shù)人才向縱深內(nèi)陸轉(zhuǎn)移。既然無法搭上眼前的順風(fēng)車，這就逼迫西北地區(qū)必須以長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光、較長(zhǎng)的回報(bào)周期考慮，在以保護(hù)生態(tài)為基礎(chǔ)上建立特色產(chǎn)業(yè)。自然環(huán)境造就的生存策略反映在文化上，就包含西北人勤奮刻苦的性格特點(diǎn)、樸素節(jié)儉的生活習(xí)慣和普遍重視教育、尊師重道的良好社會(huì)風(fēng)氣等；反映在建筑上，則是以生土建筑、夯土建筑為主的傳統(tǒng)民居，如新疆“阿以旺”，隴東土坯合院、陜北窯洞等，都是就地取材、成本低廉而且生態(tài)友好的建筑形式。在國內(nèi)被動(dòng)式建筑發(fā)展剛剛起步的階段，整個(gè)理論框架與產(chǎn)業(yè)鏈上下游面臨許多空白。尤其是缺少項(xiàng)目實(shí)踐的當(dāng)下，再加上被動(dòng)式建筑技術(shù)原理的季節(jié)性及氣候區(qū)域局限性[9]，西北地區(qū)尤其應(yīng)是被動(dòng)式建筑最好的試驗(yàn)場(chǎng)和最該被重視及推行的開發(fā)熱土。西北地區(qū)應(yīng)該抓住機(jī)遇，盡快普及被動(dòng)式建筑有關(guān)知識(shí)，研究建設(shè)成本與后期經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系，積極申請(qǐng)政府扶持補(bǔ)貼，加快制訂被動(dòng)式建筑的地方規(guī)范，建立國產(chǎn)化被動(dòng)式建筑材料生產(chǎn)基地，主導(dǎo)形成全國范圍內(nèi)從設(shè)計(jì)到建筑全壽命周期維護(hù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，培養(yǎng)定向化的相關(guān)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)人才，優(yōu)先建立起我國的被動(dòng)式建筑研究中心。

4 結(jié)語

西北地區(qū)地處中國建筑氣候分區(qū)中的寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)，與被動(dòng)房節(jié)能技術(shù)較為發(fā)達(dá)的德國均處于溫帶氣候和相似的緯度區(qū)域下。生態(tài)環(huán)境的脆弱使西北地區(qū)對(duì)高耗能建筑的承載力極弱，也限制了西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。在國家提出碳中和莊嚴(yán)承諾及推動(dòng)建筑節(jié)能進(jìn)一步發(fā)展的背景下，西北地區(qū)應(yīng)當(dāng)把被動(dòng)式建筑作為適宜本地區(qū)自然特點(diǎn)的“被動(dòng)式”選擇，積極建立起中國的被動(dòng)式建筑研究中心。