被動式超低能耗建筑設(shè)計思路及方法研究

王鵬，林鈺森

（西安安居筑城建筑科技集團有限公司，西安 710032）

1 引言

隨著全球持續(xù)性能源危機越發(fā)嚴(yán)重，我國提出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，并明確節(jié)能減排目標(biāo)，被動式建筑設(shè)計也逐漸在我國建筑行業(yè)得到推廣應(yīng)用。 國內(nèi)外對被動式超低能耗建筑設(shè)計的研究也在持續(xù)加強， 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及相關(guān)技術(shù)水平的提高， 被動式超低能耗建筑設(shè)計得到極大的發(fā)展。 本文基于實際案例對被動式超低能耗建筑設(shè)計思路和方法展開探討，既有利于補充相關(guān)理論研究內(nèi)容，又能為類似項目工程提供借鑒。

2 工程案例

2.1 項目概況

項目地理位置優(yōu)越，交通便利，建設(shè)用地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)超過0.5，植被覆蓋面積相對較大，環(huán)境優(yōu)美、空氣良好，具有較好的生態(tài)效益。 項目所處區(qū)域為亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫18 ℃左右，最熱月份平均溫度達30 ℃，年平均降雨量為1 151 mm，主要為北向和東北向風(fēng)，風(fēng)速小。 項目凈用地面積為2 733.06 m2，屬于商業(yè)用地，建筑高度規(guī)劃限高12 m，主要功能為民宿酒店，要求具備停車場、大堂、客房、餐廳及健身房等配套設(shè)施。 項目建設(shè)效果如圖1 所示。

圖1 案例項目建設(shè)效果圖

2.2 設(shè)計難點

該項目被動式超低能耗建筑設(shè)計的主要難點表現(xiàn)在以下方面。

1）由于項目所在場地存在高差，對建筑通風(fēng)、光照等產(chǎn)生一定影響，因此，如何充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚣皥龅丨h(huán)境條件合理進行建筑布局，降低建筑能耗，是此次設(shè)計的難點。

2）由于當(dāng)?shù)乇粍邮匠湍芎慕ㄖO(shè)計案例相對較少，可供參考的案例有限，如何結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件展開內(nèi)部空間設(shè)計，為人們提供舒適的居住體驗和環(huán)境，是此次設(shè)計的難點。

3）項目所處區(qū)域夏季炎熱，溫度較高，冬季陰冷潮濕，如何通過細(xì)節(jié)設(shè)計提高室內(nèi)舒適度， 同時達到超低能耗建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也是設(shè)計的難點[1]。

3 被動式超低能耗建筑整體設(shè)計思路與方法

3.1 建筑布局

建筑布局應(yīng)充分結(jié)合案例項目所在區(qū)域?qū)嶋H地理位置、自然環(huán)境及日照通風(fēng)情況，科學(xué)地進行建筑選址、布局設(shè)計、朝向設(shè)計以及室外綠化景觀設(shè)計。

1）結(jié)合當(dāng)?shù)貐^(qū)域規(guī)劃發(fā)展方向、自然環(huán)境特點，以及超低能耗建筑對于地理位置等方面的需求， 如淺層巖土地?zé)豳Y源與水資源的利用， 以及地形特征等， 科學(xué)進行建筑選址。 以地理位置條件為例，在進行超低能耗建筑設(shè)計的過程中，為充分利用當(dāng)?shù)販\層地?zé)崮苓@項可再生資源，需要加強對建筑區(qū)域地下空間的考量，在地下埋入地埋管管熱系統(tǒng)，因此，要求地下空間應(yīng)至少為150 m，以滿足管熱系統(tǒng)埋設(shè)需求；在利用地表水資源方面，為降低建筑能耗，通常會借助當(dāng)?shù)亟?、湖泊等地表水作為熱泵機組的熱冷源系統(tǒng)。 因此，建筑選址過程中，應(yīng)充分考量建設(shè)用地與水體之間的距離；在自然環(huán)境方面，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐匦螌μ栞椛湟约帮L(fēng)環(huán)境的影響， 確保建筑選址的風(fēng)環(huán)境和陽光輻射均滿足建設(shè)要求。

2）結(jié)合當(dāng)?shù)厝照胀L(fēng)情況進行建筑布局及朝向設(shè)計，主要包括單體建筑布局、群體建筑布局等，需充分考量不同布局形式下的建筑通風(fēng)、日照情況，并根據(jù)當(dāng)?shù)厝照胀L(fēng)特點，合理確定建筑朝向，確保建筑采光、日照及通風(fēng)等符合超低能耗建筑設(shè)計要求。

3）優(yōu)化調(diào)整室外氣候的綠化景觀設(shè)計，通過綠植美化室外景觀、遮擋太陽輻射、阻擋來風(fēng)，還可通過鋪地等措施降低城市熱島效應(yīng)，減少室外環(huán)境輻射。

對案例項目建設(shè)場地實際情況進行分析可知，建筑用地處于向陽坡平緩地帶，日照側(cè)不存在任何遮擋設(shè)施、植物等，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)存在部分植物遮擋。 當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)吹過植物后，會增加建設(shè)場地內(nèi)空氣流速，故選用銀杏、皂角樹、廣玉蘭、馬尾松、杜鵑等作為綠化植物。 由于項目所處區(qū)域夏季炎熱，太陽輻射較高，且常年處于靜風(fēng)狀態(tài)，而集中式建筑布局方式太陽輻射過多，因此，為保障場地通風(fēng)，減少夏季太陽輻射，采用線性布局方式，能較好地利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境。 為進一步優(yōu)化建筑布局， 建筑群體設(shè)計選用錯列式排布方式，以獲得更多的自然通風(fēng)和日照，通過植物及建筑間的縫隙構(gòu)建多道通風(fēng)走廊，進而強化建筑通風(fēng)效果。 此外，在考慮建筑自然光照、通風(fēng)的情況下，為提升客人住宿體驗，保障住宿環(huán)境的私密性， 案例工程西側(cè)兩排建筑主窗采用交錯朝向設(shè)計，在保障通風(fēng)、光照及景觀朝向的同時，為客人提供良好的住宿體驗。

3.2 建筑單體

建筑單體設(shè)計思路應(yīng)以節(jié)能和內(nèi)部空間設(shè)計為主。

1）節(jié)能體形設(shè)計。 通過形體設(shè)計，降低建筑能耗，根據(jù)相關(guān)資料可知，建筑形體系數(shù)每增加0.01，建筑耗熱量指標(biāo)相應(yīng)提升2.5%，夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計中不同層高的建筑形體系數(shù)要求如表1 所示。 此外，建筑形體設(shè)計還影響建筑的遮陽隔熱、通風(fēng)及采光效果，因此，科學(xué)設(shè)計建筑形體十分重要。在實際展開建筑形體設(shè)計的過程中， 應(yīng)充分考慮建筑物的長寬比以及太陽輻射得熱，確保建筑造型的設(shè)計滿足實際通風(fēng)、采光需求。 對于案例項目， 在實際展開建筑單體設(shè)計的過程中，應(yīng)加強對通風(fēng)設(shè)計方面的重視，確保自然風(fēng)的引入能夠帶走室內(nèi)潮濕，同時也應(yīng)最大程度上增加建筑采光面積，結(jié)合現(xiàn)場實際情況合理選擇建筑形體系數(shù)。

表1 居住建筑形體系數(shù)要求

2）內(nèi)部空間設(shè)計。 建筑內(nèi)部空間的布局，以及不同功能單元之間的連接情況影響建筑物的熱工性能。 為降低建筑能耗，在被動式超低能耗建筑單體設(shè)計時應(yīng)結(jié)合氣候等影響因素，科學(xué)進行內(nèi)部空間設(shè)計和布局。 結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，以及建筑空間特點，合理選擇遮陽方式；通過室內(nèi)布局設(shè)計保障自然通風(fēng)，如底層架空、立面開洞、天井等；在自然采光方面，為保障自然光線的有效進入， 應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)毓庹仗攸c合理確定采光開口大小，并結(jié)合實際情況，對內(nèi)部空間進行綜合優(yōu)化。

案例所在地常年處于靜風(fēng)狀態(tài)且濕度較大， 為借助自然通風(fēng)降低室內(nèi)濕度，需要盡可能增加建筑的采光和通風(fēng)面積，因此，在進行建筑形體設(shè)計時需適當(dāng)提高形體系數(shù)。 建筑單體設(shè)計采用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居元素，并融入現(xiàn)代設(shè)計方式，立面設(shè)計以簡潔、現(xiàn)代為主，同時為滿足建筑超低能耗設(shè)計要求，采用中式大屋頂?shù)脑O(shè)計形式，選用小青瓦作為屋頂，并使用木質(zhì)格柵及過渡空間設(shè)計，為室內(nèi)外空間提供緩沖區(qū)域，以此強化通風(fēng)，實現(xiàn)建筑整體遮陽處理，符合當(dāng)?shù)叵募狙谉?、日照強烈的建筑?jié)能設(shè)計需求。 此外，結(jié)合案例所在區(qū)域光照特點，為避免東西向熱輻射過高問題，建筑采用凹凸式采光設(shè)計，如圖2所示。

圖2 建筑凹凸形體引入光線

3.3 細(xì)部構(gòu)造

細(xì)部構(gòu)造對建筑能耗及舒適度有直接影響，對此，在設(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合實際環(huán)境和氣候情況采用保溫隔熱墻體及屋面技術(shù)，科學(xué)進行采光通風(fēng)窗戶設(shè)計和遮陽設(shè)計，著重提高建筑的氣密性，減少能源損耗，并通過新風(fēng)系統(tǒng)暖通設(shè)計，降低過渡季節(jié)供暖、通風(fēng)需求，以此減少建筑能耗[2]。

1）建筑外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計。 考慮建筑外形設(shè)計需求及保溫隔熱要求， 外圍護結(jié)構(gòu)材料選用磚墻肌理、 木質(zhì)門窗及毛石墻，通過現(xiàn)代化設(shè)計手法，在體現(xiàn)傳統(tǒng)民居元素的同時，提高建筑美觀性。 對整個建筑進行外墻連續(xù)保溫設(shè)計，結(jié)合建筑不同位置特點， 選用不同保溫材料。 通過外圍護連續(xù)保溫層設(shè)計，保證建筑內(nèi)部氣密性，達到減少能量損失、降低建筑能耗的效果。 保溫材料的使用情況及傳熱系數(shù)如表2 所示。

表2 建筑外圍護結(jié)構(gòu)

2）遮陽設(shè)計。 案例項目中選用內(nèi)凹窗戶和挑出陽臺構(gòu)件的形式，為室內(nèi)外空間提供緩沖區(qū)域，同時為建筑內(nèi)部提供良好的微氣候。 此外，為保障建筑隔熱和通風(fēng)效果，采用雙層屋面設(shè)計以便室內(nèi)自然通風(fēng)。

3）暖通設(shè)計。案例項目中暖通設(shè)計采用風(fēng)機盤管和新風(fēng)系統(tǒng)，并使用新風(fēng)全熱回收機組實現(xiàn)對衛(wèi)生間和室外新風(fēng)的熱回收，以減少能源消耗。此外，由于案例工程項目所處區(qū)域全年濕度相對較大，為防止新風(fēng)系統(tǒng)在除濕后房間內(nèi)溫度過低，故在過渡季節(jié)，新風(fēng)除濕后將進入再熱階段以保障室內(nèi)溫度[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，在被動式超低能耗建筑設(shè)計過程中，應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、地形地勢、水體、風(fēng)向及日照情況，合理規(guī)劃建筑選址、布局朝向、綠化景觀及建筑體形，確保滿足自然采光與通風(fēng)要求。 同時，結(jié)合氣候情況進行內(nèi)部空間設(shè)計，還應(yīng)積極應(yīng)用隔熱保溫墻體及屋面技術(shù)實現(xiàn)采光、通風(fēng)、遮陽及新風(fēng)系統(tǒng)暖通設(shè)計等，全面提高建筑的節(jié)能降耗效果，落實被動式超低能耗建筑設(shè)計。 相信隨著對被動式超低能耗建筑設(shè)計技術(shù)及策略的深入研究， 我國建筑工程節(jié)能降耗效果將進一步提升，建筑工程行業(yè)也將向綠色環(huán)保方向不斷發(fā)展。