被動式超低能耗建筑設計基礎與應用

被動式超低能耗建筑設計基礎與應用

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

高增元

伴隨著我國城市化進程的加快，房地產行業(yè)得到了迅猛發(fā)展。推動城市經濟建設的同時，也帶來了能源消耗和環(huán)境污染問題。從適應可持續(xù)發(fā)展要求的角度，應該重視節(jié)能降耗工作，在實施建筑工程規(guī)劃設計的過程中，對建筑的基本形式和空間規(guī)劃進行合理把控，將被動設計融入到建筑設計中，提升設計效果的同時，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標，這也是當前建筑行業(yè)發(fā)展中需要重點研究的課題[1]。
 

1 被動式超低能耗建筑概述
 

被動式超低能耗建筑是一種特殊的建筑型式，強調在建筑設計中關注當?shù)氐淖匀粭l件和氣候特征，借助具備良好氣密性和保溫隔熱性能的建筑圍護結構，搭配新風熱回收技術和可再生能源利用技術，為用戶提供舒適的室內環(huán)境，同時也可以最大限度地減少能源消耗。

被動式超低能耗建筑的優(yōu)勢體現(xiàn)在幾個方面：

一是溫度恒定。傳統(tǒng)住宅中夏季炎熱冬季寒冷，即便設置有暖通空調系統(tǒng)，在室內不同區(qū)域同樣會產生溫度和適度的差異，影響體感舒適性。與之相比，被動式超低能耗建筑借助被動式設計，能夠將建筑室內空間的溫度始終維持在20℃～26℃的區(qū)間內，而且室內所有空間的溫度基本一致[2]，不存在明顯的溫度梯度。
 

二是清潔衛(wèi)生。被動式超低能耗建筑的門窗具備較高的隔熱性和氣密性。避免門窗表面結露流水問題的同時，也可以防止熱橋現(xiàn)象。良好的保溫隔熱性能可以有效避免內表面冷敷設給人們帶來的不適感，能夠規(guī)避結露發(fā)霉的問題，可以為人們提供一個清潔衛(wèi)生、健康宜居的環(huán)境。

三是安靜舒適。相比較普通門窗，被動式超低能耗建筑采用的高氣密性門窗有著更加優(yōu)越的隔音降噪效果，即便室外十分嘈雜，室內也可以保持安靜，而且在室內沒有空調內機的存在，避免了設備噪聲的產生。相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，被動式超低能耗建筑夜間室內噪音一般不會超過30dB，白天室內噪音不會超過40dB，能夠為業(yè)主提供安靜舒適的休息環(huán)境。
 

四是空氣潔凈。被動式超低能耗建筑本身的高氣密性避免了室外污濁空氣的進入，而新風設備中設置的凈化裝置可以保證新風的潔凈衛(wèi)生，將室內空氣維持在優(yōu)良狀態(tài)。

五是運行成本低廉。被動式超低能耗建筑的維護結構具備良好的保溫隔熱性能，配合防熱橋措施和熱回收技術等，被動式超低能耗建筑的節(jié)能性可以達到90%以上，能耗僅為普通建筑的1/3左右，能夠極大減少運行成本。以120m²的住宅建筑為例，每年的空調采暖運行費用可以節(jié)約3000元左右[3]。

2 被動式超低能耗建筑設計基礎

2.1 氣候環(huán)境分析
在被動式超低能耗建筑設計中，環(huán)境氣候因素是需要最先考慮的基礎性因素。我國幅員遼闊，不同地區(qū)有著非常明顯的氣候差異。尤其是地處熱帶的海南等地，夏季氣溫高，對于冷氣的需求量極大；而黑龍江等北方省市冬季氣溫寒冷，需要大量暖氣供應。在這種情況下，被動式超低能耗建筑的設計需要對建筑所處區(qū)域的氣候大環(huán)境進行分析，強調因地制宜，選擇恰當?shù)脑O計技術，依照環(huán)境條件來對建筑設計方案進行優(yōu)化調整。

2.2 環(huán)境特征分析

被動式超低能耗建筑的設計不僅需要考慮氣候大環(huán)境，還必須做好精準的室內室外環(huán)境特征分析，對照當?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)，對一些比較典型的氣候要素進行提取，就日照、風速、輻射以及溫度、濕度等數(shù)據(jù)信息進行分析，對照建筑的功能需求和最佳體感舒適度，在充分保證建筑設計合理性和科學性的同時，降低建筑能耗。以長野冬奧會速滑館的設計為例，其采用了雙層可調節(jié)式呼吸外墻，設置了空氣夾層通道，在冬季和夏季通過開合調控的方式，形成良好的保溫隔熱效果[4]。錯落起伏的屋面上，設置了與用于采光的天窗，自然光在經過折射后可以進入到室內，保證良好照度的同時，也不會形成眩光，避免了對于運動員的負面影響。

2.3 推廣價值分析

被動式超低能耗建筑的設計應該突出本土特征，深入到地域自然和社會現(xiàn)實中，選擇恰當?shù)墓?jié)能降耗措施，這樣才能保證良好的節(jié)能效果。同時，被動式超低能耗建筑具備一定的推廣價值，能夠很好地適應可持續(xù)發(fā)展的要求。以綠色建筑中的“綠屋”為例，其主要是借助溫室來培養(yǎng)具備較強生命力的綠色植物，然后通過對綠色植物的合理布設，實現(xiàn)對室內溫度的調節(jié)。不過這種建筑的建設成本偏高，并不具備實用性，也難以進行市場推廣[5]。與之相比，被動式超低能耗建筑具備良好的推廣價值。事實上，我國古代很多建筑采用的設計都可以被使用到被動式超低能耗建筑設計中。例如，古代住宅如果進深較大，往往會設置簡單的庭院或者天井，對采光、通風、景觀等問題進行解決。而在現(xiàn)代建筑設計中，對于一些人流量大、發(fā)熱量大的區(qū)域，可以設置中庭空間或門廳，提供采光、通風場地，在提高過度季節(jié)室內空間舒適性的同時，也具備良好的節(jié)能效果。

3 被動式超低能耗建筑設計應用
 

某綜合性建筑項目位于我國北方地區(qū)，占地面積7.13萬m²，建筑面積16.38萬平方方米，建筑密度為30%，綠地率為35%。項目中1-4#采用了被動式超低能耗建筑設計。
 

3.1 朝向設計

建筑朝向應該盡量采用南北朝向或者接近南北朝向，立面設計必須能夠保證自然通風和采光的要求。設計人員還應該從建筑的實際情況出發(fā)，對其進行適當調整，避免功能用房西曬問題。例如，可以在西側外墻設置相應的景觀廊架，配合垂直綠化來防范夏季強烈的太陽輻射，提升室內舒適性的同時，降低建筑使用過程中的能耗。另外，在對建筑型體進行設計時，應該關注其合理性和簡潔性，不能一味追求里面形態(tài)的復雜化，這樣會對建筑節(jié)能產生影響。而且建筑的單體形態(tài)設計和群體布置都應該盡量避開風場渦流區(qū)，保證合理的風速和風量分布，這樣能夠為穿堂風的組織設計提供便利[6-7]。

3.2 節(jié)能規(guī)劃

一是應該做好總體的平面設計。確保建筑的采光、通風和綠地率等都能夠滿足相關要素。戶外活動場所可以利用喬木和構筑物來實現(xiàn)遮蔭。要求道路路面和屋面的太陽輻射反射系數(shù)能夠達到0.4以上，這樣有利于降低熱島效應。設計人員可以使用CFD實現(xiàn)對于室外風場的有效模擬，確保場地內不存在滯風區(qū)域和渦流區(qū)域。夏季和過渡季節(jié)建筑前后的壓差不能小于1.5Pa；冬季除去位于迎風面的建筑，其他建筑前后壓差不能超過5Pa；二是應該關注建筑形體設計。減少體形系數(shù)，降低建筑能耗。在該工程中，采用被動式超低能耗建筑設計的幾棟樓中，樓層高度均為2.9m，建筑體系系數(shù)分別是0.26、0.26、0.27和0.28。戶型設計充分考慮了室內風對流通道的形成，借助自然通風來降低建筑使用過程中的能耗；三是自然采光設計。通過對戶型的調整優(yōu)化，減少了建筑進深，增加了開敞空間，促進了室內采光系數(shù)的提高。而且在除北側以外的所有外窗全部設置了活動遮陽裝置，有效降低夏季制冷負荷的同時，可以在冬季引入太陽輻射，提高室內溫度。

3.3 圍護節(jié)能

一是非透明圍護結構（墻體、屋面等）的節(jié)能設計?？紤]所有建筑的高度都超過了27m，在建筑圍護結構外保溫設計中，選擇了燃燒性能A級的材料，不需要設置耐火窗，保溫材料統(tǒng)一使用巖棉板。外墻設計中，采用厚度為20mm的抹灰來保障氣密性。對于預制混凝土墻板和樓板之間的縫隙，設備管道穿越外墻時的預留套管等，全部使用氣密膠帶進行封堵。對于段熱橋的處理，托架選擇不銹鋼材料，空調板則使用了挑梁式構造，能夠降低線性熱橋。在上下兩側設置有100mm厚度的保溫層。屋面設計中，在女兒墻底部進行了挖空處理，能夠降低線性熱橋。內側包括了厚度達到200mm的保溫板，頂部保溫板的厚度同樣達到了100mm，出屋面排氣管以擠塑板進行包裹，厚度為200mm；二是門窗節(jié)能設計。在工程中，外窗采用了塑鋼型材，窗體的傳熱系數(shù)不超過0.8W/（m²•K），以三玻兩腔Low-E惰性氣體暖邊玻璃為核心，保證其具備良好的保溫隔熱性能。外窗使用了內平開內倒開啟的設計，窗框和窗扇之間設置了三道密封，每一個開啟窗都設置有兩個鎖點。在對外窗進行安裝時，采用了外掛安裝的方式，要求窗框內表面能夠與結構的外表面齊平，這樣能夠有效減少安裝熱橋。窗框內側設置有防水隔汽膜，外側則利用防水透氣膜做好密封處理。單元門選擇低檻門，傳熱系數(shù)在1.0W/（m²•K）以內。玻璃同樣選擇三玻兩腔Low-E惰性氣體暖邊玻璃。外門整體的氣密性等級不低于8級，水密性等級不低于6級。在其內側和外側分別使用防水隔汽膜和防水透氣膜進行密封處理[8]。

3.4 熱橋處理

一是外窗位置的熱橋處理。從削弱窗框和外墻之前熱橋的角度，可以采用外掛安裝的方式來對外窗進行安裝，同時在外窗與墻體連接位置，借助密封膠、防水透氣膜等進行密封；二是空調板熱橋處理?？梢圆捎锰袅菏浇Y構，利用兩根鋼梁挑出，上方搭板，確保板與外墻完全隔離，降低線性熱橋，還可以通過在鋼梁周圍實施保溫噴涂的方式來削弱熱橋的影響；三是女兒墻熱橋處理。在屋面以2.5m為間隔，設置方柱來對女兒墻進行支撐，方柱之間的女兒墻底部需要挖空，與屋面完全斷開，將原本的線熱橋轉變?yōu)辄c熱橋，內側和頂部設置保溫層，檐口造型則需要使用保溫材料進行制作；四是首層和地下層相鄰樓板熱橋處理?？梢栽跇前逑聜仍O置厚度為200mm的巖棉板。在內外墻交接位置設置厚度為100mm的巖棉板，確保其能夠沿墻體兩側向下延伸1m左右。首層外墻的基礎位置可以通過粘貼擠塑板（厚度200mm）的方式來實現(xiàn)保溫隔熱，確保其深入地下至少1m。

3.5 氣密性措施

在該工程中，外墻屬于重質結構，在內側設置有厚度為20mm的抹灰層，因此具備較好的氣密性，不過預制墻板和現(xiàn)澆樓板之前若施工不當，可能會產生足以影響外墻氣密性的縫隙，對此，施工人員應該利用氣密膠帶來對縫隙進行封堵，同時在內側設置防水隔汽膜。外墻使用兩層氣密膜做好密封處理，構建起連續(xù)的氣密層，避免室內水蒸汽從縫隙進入保溫層。對于電氣接線盒等設施，需要盡量安裝在內墻，這樣不會破壞圍護結構的氣密性，所有穿過維護結構的管道，如設備管線、熱水器排煙管等，都必須做好氣密性處理，于室內設置氣密套管，外側則可以粘貼防水透氣膜。

3.6 新風系統(tǒng)

工程項目中，依照30㎡/(h.人)的標準對新風量進行設計，新風機組的運動可以分為三檔，分別是55%、80%和100%，配合全熱回收裝置，設備焓回收效率可以達到70%以上。設置具備較高效率的空氣凈化裝置，在送風系統(tǒng)中設置了過濾等級為F7的過濾裝置，排風系統(tǒng)中過濾裝置的等級為G4。新風主機噪聲為43dB，設置在吊頂中，在進風和排風管道上都設置了消聲裝置，能夠將客廳、臥室的噪聲減小到25dB以下，廚衛(wèi)的噪聲也不超過30dB。新風與空調系統(tǒng)采用了分戶式的一體機。每戶設置一個空調板。主機則被設置在廚房吊頂中，用戶可以根據(jù)實際需求來對溫度和新風進行自行控制。新風系統(tǒng)中，送回風的組織形式根據(jù)不同的區(qū)域設置了不同的方式。例如，臥室、起居室、餐廳等設置為只送不回，衛(wèi)生間設置為只回不送，廚房則設置為不回不送。這樣，新風在進入臥室等功能房間后，會通過門縫經過渡區(qū)，最終由衛(wèi)生間統(tǒng)一排走。在對新風設備進行選擇時，優(yōu)先考慮了帶有旁通功能的全熱交換機，可以顯著降低過渡季節(jié)的機械通風能耗。

4 結語
 

總而言之，在可持續(xù)發(fā)展理念不斷深化背景下，建筑行業(yè)節(jié)能降耗的重要性越發(fā)凸顯，受到了社會各界的廣泛關注。被動式超低能耗建筑能夠借助被動設計來降低建筑使用過程中的能耗，其不需要使用復雜的設備，而且節(jié)能效果良好，具備相當明顯的優(yōu)勢。將其應用到建筑工程設計中，能夠有效地降低建筑能耗，推動建筑行業(yè)的綠色發(fā)展。

參考文獻
[1]宋敏,韓金玲.被動式超低能耗建筑設計與應用研究[J].綠色環(huán)保建材,2019,(11):85.
[2]劉曉林.被動式超低能耗建筑設計理論及工程應用探討[J].工程建設與設計,2019,(20):25-26.
[3]田琪,丁沫,蔣航軍.被動式超低能耗建筑工程設計應用[J].建筑技藝,2019,(10):100-105.
[4]張延國.被動式超低能耗建筑設計與應用[J].工程技術研究,2019,4(15):157-158.
[5]王麗純.被動式超低能耗建筑設計分析[J].山西建筑,2019,45(14):142-143.
[6]晉晶.被動式超低能耗建筑設計與應用研究[J].城市住宅,2019,26(06):69-71.
[7]曹森,張建濤,陳先志.“界面—腔體”作為能量核心的被動式超低能耗建筑設計實踐——以五方科技館為例[J].中外建筑,2019,(01):159-162.
[8]韋干玉.探究被動式超低能耗建筑設計的基礎與應用[J].低碳世界,2018,(11):185-186.