綠色生態(tài)住宅被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)

梁 峰

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京）

引言

住宅建筑的被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵在于利用相關(guān)技術(shù)手段[1]，調(diào)整所在地區(qū)建筑內(nèi)部環(huán)境的微氣候，使住宅更好地適應(yīng)周邊環(huán)境和氣候，利用陽光、風(fēng)力、地形等因素，達(dá)到對建筑內(nèi)部環(huán)境的調(diào)控效果。由于被動(dòng)節(jié)能不需安裝任何附屬設(shè)備，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單，不依賴于先進(jìn)的技術(shù)，并且可以極大地降低結(jié)構(gòu)所需負(fù)荷，從而減少建筑能耗[2]。采用不同的被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)手段，可以使室內(nèi)達(dá)到良好的熱、濕環(huán)境，從而減少住宅用戶對主動(dòng)供暖和制冷設(shè)備的需求。將此類建筑與目前市場常規(guī)的磚混建筑相比，前者可以節(jié)約90%的建筑能耗，是今后建筑發(fā)展的重要趨勢。為實(shí)現(xiàn)對此項(xiàng)技術(shù)的全面推廣應(yīng)用，提高此類建筑的可靠性，本文將在此次研究中，以某綠色生態(tài)住宅項(xiàng)目為例，開展被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用研究，旨在通過此次設(shè)計(jì)，為建筑工程的節(jié)能發(fā)展提供進(jìn)一步的技術(shù)指導(dǎo)。

1 綠色生態(tài)住宅通風(fēng)設(shè)計(jì)

為滿足綠色生態(tài)住宅的被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)需求，開展相關(guān)研究前，進(jìn)行住宅的通風(fēng)設(shè)計(jì)。根據(jù)建筑所在地的自然條件，設(shè)計(jì)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的地道通風(fēng)組織[3]。地道風(fēng)管的成本較低，可以實(shí)現(xiàn)對建筑內(nèi)新風(fēng)的熱處理與冷處理。在此基礎(chǔ)上，增設(shè)建筑內(nèi)部豎井通風(fēng)組織，堅(jiān)井也叫“拔風(fēng)筒”。具體見圖1。

圖1 豎井結(jié)構(gòu)

在豎井上方，安裝玻璃天窗，當(dāng)太陽的光線照射在上面時(shí)，會(huì)使井壁的溫度和熱風(fēng)的流動(dòng)變得更快，利用熱壓作用，實(shí)現(xiàn)建筑的門窗之間的通風(fēng)，通風(fēng)口與豎井玻璃通風(fēng)孔有一定的高低差，利用此種風(fēng)壓，實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)環(huán)境的良好通風(fēng)。同時(shí)，利用熱壓和風(fēng)壓的結(jié)合，可以提高建筑內(nèi)部自然通風(fēng)的流速。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)場地通風(fēng)的優(yōu)化，還應(yīng)設(shè)計(jì)建筑內(nèi)的場地自然通風(fēng)[4]。在此過程中，應(yīng)明確建筑場地設(shè)計(jì)要考慮到冬季和夏季的自然風(fēng)向，建筑的平面設(shè)計(jì)可采用彎曲、扭曲等設(shè)計(jì)方法，以此增加夏天的主要通風(fēng)方向外立面，避免與冬季的主風(fēng)形成90 度的角度，不利的風(fēng)向?qū)ㄖ?nèi)部環(huán)境造成影響。

2 遮陽構(gòu)件尺寸計(jì)算與選型

為了滿足住宅冬季日照的需要，在室外附加日光房的南立面上安裝可移動(dòng)的室外遮陽裝置，并以入口門為界，對西、東兩側(cè)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)需求和操作要求，西邊的遮陽區(qū)設(shè)計(jì)寬度在8 m～10 m 范圍內(nèi)，東邊遮陽區(qū)設(shè)計(jì)寬度在3 m～5 m 范圍內(nèi)，另外的日光房的透光區(qū)的高度控制在1.5 m～2.0 m 范圍內(nèi)。

將建筑遮陽時(shí)段與日照臨界時(shí)刻作為參照，計(jì)算構(gòu)件的垂直板、水平板出挑長度。計(jì)算公式如下。

式中，L 表示建筑遮陽構(gòu)件的垂直板出挑長度，計(jì)算單位為m；B 表示墻方位角，計(jì)算單位為°；γ 表示墻方位角與太陽日照方位角的差值

式中，L2表示水平板出挑長度，計(jì)算單位為m；H 表示遮陽透明部分長度，計(jì)算單位為m；S 表示太陽高度角，計(jì)算單位為°。上述計(jì)算公式中：γ 可通過下述公式計(jì)算得到。

式中，a1表示正南北朝向面的方位角；a2表示墻面方向與垂直遮陽板之間的夾角。按照上述方式，完成遮陽構(gòu)件尺寸計(jì)算與選型。

3 建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要節(jié)點(diǎn)細(xì)部處理

完成上述設(shè)計(jì)后，進(jìn)行綠色生態(tài)住宅建筑的外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要節(jié)點(diǎn)細(xì)部處理。其中建筑外墻為ALC 預(yù)制板結(jié)構(gòu)，具體見圖2。

圖2 ALC 預(yù)制板結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)預(yù)制板結(jié)構(gòu)與本體L 型鋼托架、滑動(dòng)式S 板連接，以消除鋼結(jié)構(gòu)變形。如果板之間呈現(xiàn)剛性狀態(tài)，應(yīng)充分?jǐn)D壓黏合劑，如果板之間使用軟接頭連接，可采用在外層涂上防水隔氣膜（需要留出一定的變形空間），再用巖棉板錯(cuò)縫粘貼、用螺栓+耐堿性網(wǎng)格抗裂砂漿加固的方式，實(shí)現(xiàn)對外墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

由于綠色生態(tài)住宅的窗子重量大于傳統(tǒng)的外窗，因此，建筑外窗使用半內(nèi)嵌式安裝方式。根據(jù)建筑的要求，采用加固窗孔連接，窗框和窗孔之間用防水和透氣性薄膜密封，輔助使用膨脹密封條或泡沫填料填充孔洞。

為了防止熱橋的發(fā)生，建筑物的外立面裝飾板和外部的橫向裝飾部件都是由斷熱橋支架連接的。第一層頂板處托座與主體結(jié)構(gòu)通過斷熱橋連接，中間層龍骨系統(tǒng)只與本體連接，拉結(jié)點(diǎn)不直接承載，從而盡量減小熱橋。在點(diǎn)狀斷熱橋的連接部位，利用XPS 隔熱材料將女兒墻與建筑物的主體連接。

安裝固定遮陽，東西向和西南方三扇窗戶均安裝可移動(dòng)的戶外百葉，太陽能透過率為10%。外百葉橫向遮陽可以隨意調(diào)節(jié)光線，同時(shí)兼顧遮陽、視線調(diào)節(jié)和光照。穹頂天窗剖面呈“之”字形（鋸齒狀）。鋸齒形的角度與當(dāng)?shù)囟斓娜照崭叨冉窍嘟Y(jié)合，可以在冬天提高氣溫，也可以防止夏天過于炎熱。按照上述方式，實(shí)現(xiàn)建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要節(jié)點(diǎn)細(xì)部處理，完成綠色生態(tài)住宅被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的設(shè)計(jì)。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

為確保設(shè)計(jì)工作在實(shí)際應(yīng)用中可以達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果，需要在設(shè)計(jì)與施工前，根據(jù)工程方的需求，進(jìn)行該工程項(xiàng)目的現(xiàn)場勘察，并通過與技術(shù)單位的交底，深度剖析合同內(nèi)容，掌握與該工程項(xiàng)目相關(guān)的概況信息。將此方面內(nèi)容作為工程建設(shè)的關(guān)鍵，為工程的順利實(shí)施提供全面的技術(shù)支持。統(tǒng)計(jì)并整理已知內(nèi)容，見表1。

表1 綠色生態(tài)住宅基本情況

掌握該住宅建筑的基本情況后，根據(jù)工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，對該建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，相關(guān)內(nèi)容見表2。

表2 綠色生態(tài)住宅結(jié)構(gòu)形式

按照上述方式，完成該建筑工程項(xiàng)目在施工前的準(zhǔn)備工作。在此基礎(chǔ)上，按照本文提出的內(nèi)容，進(jìn)行建筑被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，需要先掌握該地區(qū)氣候基本情況后，進(jìn)行綠色生態(tài)住宅通風(fēng)設(shè)計(jì)。同時(shí)，根據(jù)主體建筑結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算建筑中遮陽結(jié)構(gòu)的尺寸，結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行遮陽構(gòu)件的選型。在此基礎(chǔ)上，通過對建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要節(jié)點(diǎn)的細(xì)部處理，完成被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)在所選工程中的應(yīng)用。

完成本文設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用后，應(yīng)明確國家規(guī)定住宅建筑中，起居臥室的適宜溫度在18 ℃～20 ℃，室內(nèi)溫度過高、過低，都會(huì)影響居民的居住與生活體驗(yàn)。根據(jù)本文設(shè)計(jì)的被動(dòng)式建筑節(jié)能需求，建筑應(yīng)具備一定的室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)作用，即起居臥室應(yīng)在未使用主動(dòng)電氣設(shè)備的條件下（未使用空調(diào)等溫度主動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備），滿足起居臥室溫度的適宜需求。將上述提出的內(nèi)容作為評價(jià)被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)過程中，安排技術(shù)人員每間隔1 h 測定一次住宅建筑室外環(huán)境溫度，與此同時(shí)，另一名技術(shù)人員需要在同一時(shí)刻下測量住宅建筑起居臥室環(huán)境溫度。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見圖3。

從圖3 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，住宅建筑起居臥室環(huán)境溫度在實(shí)驗(yàn)過程中，一直穩(wěn)定在18℃～20℃范圍內(nèi)，建筑室外環(huán)境溫度呈現(xiàn)逐步提升趨勢。而住宅建筑起居臥室環(huán)境溫度并未受到室外環(huán)境的影響而出現(xiàn)下降趨勢。因此，在完成上述實(shí)驗(yàn)后，得到如下結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的綠色生態(tài)住宅被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，此項(xiàng)技術(shù)可以起到保溫、隔熱的作用，使住宅建筑起居臥室環(huán)境溫度控制在適宜溫度范圍內(nèi)，以此種方式，為居民用戶生活提供一個(gè)相對良好的生活環(huán)境。

圖3 綠色生態(tài)被動(dòng)式節(jié)能建筑室溫測量結(jié)果

5 結(jié)論

本研究通過綠色生態(tài)住宅通風(fēng)設(shè)計(jì)、遮陽構(gòu)件尺寸計(jì)算與選型、建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要節(jié)點(diǎn)細(xì)部處理，以某綠色生態(tài)住宅項(xiàng)目為例，開展被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用研究。設(shè)計(jì)成果經(jīng)過實(shí)例檢驗(yàn)證明：可以起到保溫、隔熱的作用，使住宅建筑起居臥室環(huán)境溫度控制在適宜溫度范圍內(nèi)。