被動式超低能耗建筑設(shè)計基礎(chǔ)與應(yīng)用

被動式超低能耗建筑設(shè)計基礎(chǔ)與應(yīng)用

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司

高增元

伴隨著我國城市化進(jìn)程的加快，房地產(chǎn)行業(yè)得到了迅猛發(fā)展。推動城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時，也帶來了能源消耗和環(huán)境污染問題。從適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展要求的角度，應(yīng)該重視節(jié)能降耗工作，在實施建筑工程規(guī)劃設(shè)計的過程中，對建筑的基本形式和空間規(guī)劃進(jìn)行合理把控，將被動設(shè)計融入到建筑設(shè)計中，提升設(shè)計效果的同時，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，這也是當(dāng)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(qiáng)調(diào)在建筑設(shè)計中關(guān)注當(dāng)?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(hù)結(jié)構(gòu)，搭配新風(fēng)熱回收技術(shù)和可再生能源利用技術(shù)，為用戶提供舒適的室內(nèi)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(shè)置有暖通空調(diào)系統(tǒng)，在室內(nèi)不同區(qū)域同樣會產(chǎn)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(shè)計，能夠?qū)⒔ㄖ覂?nèi)空間的溫度始終維持在20℃～26℃的區(qū)間內(nèi)，而且室內(nèi)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(jié)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(nèi)表面冷敷設(shè)給人們帶來的不適感，能夠規(guī)避結(jié)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(nèi)也可以保持安靜，而且在室內(nèi)沒有空調(diào)內(nèi)機(jī)的存在，避免了設(shè)備噪聲的產(chǎn)生。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，被動式超低能耗建筑夜間室內(nèi)噪音一般不會超過30dB，白天室內(nèi)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(jìn)入，而新風(fēng)設(shè)備中設(shè)置的凈化裝置可以保證新風(fēng)的潔凈衛(wèi)生，將室內(nèi)空氣維持在優(yōu)良狀態(tài)。

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

2 被動式超低能耗建筑設(shè)計基礎(chǔ)

2.1 氣候環(huán)境分析
在被動式超低能耗建筑設(shè)計中，環(huán)境氣候因素是需要最先考慮的基礎(chǔ)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(yīng)。在這種情況下，被動式超低能耗建筑的設(shè)計需要對建筑所處區(qū)域的氣候大環(huán)境進(jìn)行分析，強(qiáng)調(diào)因地制宜，選擇恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計技術(shù)，依照環(huán)境條件來對建筑設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.2 環(huán)境特征分析

被動式超低能耗建筑的設(shè)計不僅需要考慮氣候大環(huán)境，還必須做好精準(zhǔn)的室內(nèi)室外環(huán)境特征分析，對照當(dāng)?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)，對一些比較典型的氣候要素進(jìn)行提取，就日照、風(fēng)速、輻射以及溫度、濕度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(shè)計合理性和科學(xué)性的同時，降低建筑能耗。以長野冬奧會速滑館的設(shè)計為例，其采用了雙層可調(diào)節(jié)式呼吸外墻，設(shè)置了空氣夾層通道，在冬季和夏季通過開合調(diào)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(shè)置了與用于采光的天窗，自然光在經(jīng)過折射后可以進(jìn)入到室內(nèi)，保證良好照度的同時，也不會形成眩光，避免了對于運(yùn)動員的負(fù)面影響。

2.3 推廣價值分析

被動式超低能耗建筑的設(shè)計應(yīng)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(dāng)?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(yīng)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(qiáng)生命力的綠色植物，然后通過對綠色植物的合理布設(shè)，實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。不過這種建筑的建設(shè)成本偏高，并不具備實用性，也難以進(jìn)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(shè)計都可以被使用到被動式超低能耗建筑設(shè)計中。例如，古代住宅如果進(jìn)深較大，往往會設(shè)置簡單的庭院或者天井，對采光、通風(fēng)、景觀等問題進(jìn)行解決。而在現(xiàn)代建筑設(shè)計中，對于一些人流量大、發(fā)熱量大的區(qū)域，可以設(shè)置中庭空間或門廳，提供采光、通風(fēng)場地，在提高過度季節(jié)室內(nèi)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(shè)計應(yīng)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(shè)計。
 

3.1 朝向設(shè)計

建筑朝向應(yīng)該盡量采用南北朝向或者接近南北朝向，立面設(shè)計必須能夠保證自然通風(fēng)和采光的要求。設(shè)計人員還應(yīng)該從建筑的實際情況出發(fā)，對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，避免功能用房西曬問題。例如，可以在西側(cè)外墻設(shè)置相應(yīng)的景觀廊架，配合垂直綠化來防范夏季強(qiáng)烈的太陽輻射，提升室內(nèi)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(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)該關(guān)注其合理性和簡潔性，不能一味追求里面形態(tài)的復(fù)雜化，這樣會對建筑節(jié)能產(chǎn)生影響。而且建筑的單體形態(tài)設(shè)計和群體布置都應(yīng)該盡量避開風(fēng)場渦流區(qū)，保證合理的風(fēng)速和風(fēng)量分布，這樣能夠為穿堂風(fēng)的組織設(shè)計提供便利[6-7]。

3.2 節(jié)能規(guī)劃

一是應(yīng)該做好總體的平面設(shè)計。確保建筑的采光、通風(fēng)和綠地率等都能夠滿足相關(guān)要素。戶外活動場所可以利用喬木和構(gòu)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(dá)到0.4以上，這樣有利于降低熱島效應(yīng)。設(shè)計人員可以使用CFD實現(xiàn)對于室外風(fēng)場的有效模擬，確保場地內(nèi)不存在滯風(fēng)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(fēng)面的建筑，其他建筑前后壓差不能超過5Pa；二是應(yīng)該關(guān)注建筑形體設(shè)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(shè)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(shè)計充分考慮了室內(nèi)風(fēng)對流通道的形成，借助自然通風(fēng)來降低建筑使用過程中的能耗；三是自然采光設(shè)計。通過對戶型的調(diào)整優(yōu)化，減少了建筑進(jìn)深，增加了開敞空間，促進(jìn)了室內(nèi)采光系數(shù)的提高。而且在除北側(cè)以外的所有外窗全部設(shè)置了活動遮陽裝置，有效降低夏季制冷負(fù)荷的同時，可以在冬季引入太陽輻射，提高室內(nèi)溫度。

3.3 圍護(hù)節(jié)能

一是非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體、屋面等）的節(jié)能設(shè)計。考慮所有建筑的高度都超過了27m，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外保溫設(shè)計中，選擇了燃燒性能A級的材料，不需要設(shè)置耐火窗，保溫材料統(tǒng)一使用巖棉板。外墻設(shè)計中，采用厚度為20mm的抹灰來保障氣密性。對于預(yù)制混凝土墻板和樓板之間的縫隙，設(shè)備管道穿越外墻時的預(yù)留套管等，全部使用氣密膠帶進(jìn)行封堵。對于段熱橋的處理，托架選擇不銹鋼材料，空調(diào)板則使用了挑梁式構(gòu)造，能夠降低線性熱橋。在上下兩側(cè)設(shè)置有100mm厚度的保溫層。屋面設(shè)計中，在女兒墻底部進(jìn)行了挖空處理，能夠降低線性熱橋。內(nèi)側(cè)包括了厚度達(dá)到200mm的保溫板，頂部保溫板的厚度同樣達(dá)到了100mm，出屋面排氣管以擠塑板進(jìn)行包裹，厚度為200mm；二是門窗節(jié)能設(shè)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(nèi)平開內(nèi)倒開啟的設(shè)計，窗框和窗扇之間設(shè)置了三道密封，每一個開啟窗都設(shè)置有兩個鎖點。在對外窗進(jìn)行安裝時，采用了外掛安裝的方式，要求窗框內(nèi)表面能夠與結(jié)構(gòu)的外表面齊平，這樣能夠有效減少安裝熱橋。窗框內(nèi)側(cè)設(shè)置有防水隔汽膜，外側(cè)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(nèi)。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(nèi)側(cè)和外側(cè)分別使用防水隔汽膜和防水透氣膜進(jìn)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(jìn)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(jìn)行密封；二是空調(diào)板熱橋處理?？梢圆捎锰袅菏浇Y(jié)構(gòu)，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(shè)置方柱來對女兒墻進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)辄c熱橋，內(nèi)側(cè)和頂部設(shè)置保溫層，檐口造型則需要使用保溫材料進(jìn)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?cè)設(shè)置厚度為200mm的巖棉板。在內(nèi)外墻交接位置設(shè)置厚度為100mm的巖棉板，確保其能夠沿墻體兩側(cè)向下延伸1m左右。首層外墻的基礎(chǔ)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(zhì)結(jié)構(gòu)，在內(nèi)側(cè)設(shè)置有厚度為20mm的抹灰層，因此具備較好的氣密性，不過預(yù)制墻板和現(xiàn)澆樓板之前若施工不當(dāng)，可能會產(chǎn)生足以影響外墻氣密性的縫隙，對此，施工人員應(yīng)該利用氣密膠帶來對縫隙進(jìn)行封堵，同時在內(nèi)側(cè)設(shè)置防水隔汽膜。外墻使用兩層氣密膜做好密封處理，構(gòu)建起連續(xù)的氣密層，避免室內(nèi)水蒸汽從縫隙進(jìn)入保溫層。對于電氣接線盒等設(shè)施，需要盡量安裝在內(nèi)墻，這樣不會破壞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性，所有穿過維護(hù)結(jié)構(gòu)的管道，如設(shè)備管線、熱水器排煙管等，都必須做好氣密性處理，于室內(nèi)設(shè)置氣密套管，外側(cè)則可以粘貼防水透氣膜。

3.6 新風(fēng)系統(tǒng)

工程項目中，依照30㎡/(h.人)的標(biāo)準(zhǔn)對新風(fēng)量進(jìn)行設(shè)計，新風(fēng)機(jī)組的運(yùn)動可以分為三檔，分別是55%、80%和100%，配合全熱回收裝置，設(shè)備焓回收效率可以達(dá)到70%以上。設(shè)置具備較高效率的空氣凈化裝置，在送風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置了過濾等級為F7的過濾裝置，排風(fēng)系統(tǒng)中過濾裝置的等級為G4。新風(fēng)主機(jī)噪聲為43dB，設(shè)置在吊頂中，在進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)管道上都設(shè)置了消聲裝置，能夠?qū)⒖蛷d、臥室的噪聲減小到25dB以下，廚衛(wèi)的噪聲也不超過30dB。新風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)采用了分戶式的一體機(jī)。每戶設(shè)置一個空調(diào)板。主機(jī)則被設(shè)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(fēng)進(jìn)行自行控制。新風(fēng)系統(tǒng)中，送回風(fēng)的組織形式根據(jù)不同的區(qū)域設(shè)置了不同的方式。例如，臥室、起居室、餐廳等設(shè)置為只送不回，衛(wèi)生間設(shè)置為只回不送，廚房則設(shè)置為不回不送。這樣，新風(fēng)在進(jìn)入臥室等功能房間后，會通過門縫經(jīng)過渡區(qū)，最終由衛(wèi)生間統(tǒng)一排走。在對新風(fēng)設(shè)備進(jìn)行選擇時，優(yōu)先考慮了帶有旁通功能的全熱交換機(jī)，可以顯著降低過渡季節(jié)的機(jī)械通風(fēng)能耗。

4 結(jié)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(guān)注。被動式超低能耗建筑能夠借助被動設(shè)計來降低建筑使用過程中的能耗，其不需要使用復(fù)雜的設(shè)備，而且節(jié)能效果良好，具備相當(dāng)明顯的優(yōu)勢。將其應(yīng)用到建筑工程設(shè)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。

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