被動式節(jié)能技術(shù)在綠色建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究

李 瑤

(湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412000)

1 被動式建筑的背景與概念

1.1 被動式建筑的背景

世界各國為應(yīng)對全球環(huán)境惡化、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等問題，在建筑節(jié)能方面進(jìn)行了大量的探索，并且取得了不錯的成果。歐洲各國在2002年通過并且在2010年修訂完成了《建筑能效指令》，其中該指令要求歐洲各國要在2020年前實現(xiàn)所有建筑接近零能耗，同時歐洲各國也有根據(jù)自身國情所制定的建筑節(jié)能要求[1]。在此期間，德國“被動房”的提出為零能耗建筑的實現(xiàn)提供了可能，其通過提高其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和門窗的氣密性，利用高效的新風(fēng)系統(tǒng)，采用高效的熱回收技術(shù)，將建筑所需能耗降低至15 kWh/(m2·a)[2]。美國就這一系列問題提出2020—2030年實現(xiàn)零能耗建筑可以在技術(shù)和經(jīng)濟上的可行[3]。亞洲地區(qū)韓國提出在2025年實現(xiàn)全國境內(nèi)實現(xiàn)全面零能耗建筑的目標(biāo)[4]。世界各國都在積極地制定節(jié)能技術(shù)要求，努力實現(xiàn)超低能耗建筑的全覆蓋。

我國國土面積較大，橫跨氣候區(qū)較多，各地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)濟條件和基礎(chǔ)設(shè)施差異較大。因此我國各地區(qū)無法做到節(jié)能技術(shù)的全面統(tǒng)一。在這方面我國和世界上的其他國家存在較大差異，但是我國也在努力推進(jìn)節(jié)能技術(shù)在全國的應(yīng)用，各個地區(qū)也相應(yīng)提出了適宜當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境和自然條件的節(jié)能技術(shù)指標(biāo)。我國各地在節(jié)約并高效地使用自然資源，不使用或盡量少使用不可再生能源，而更多地使用可再生能源，實現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展作出了巨大努力。

1.2 被動式建筑的概念

低能耗建筑是指在建筑運行過程中，建筑所消耗的能源遠(yuǎn)低于普通建筑的一類建筑物，同時盡可能地使用可再生能源，實現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展[5]。低能耗建筑在節(jié)能技術(shù)方面進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和探索，提高材料的性能從而減少建筑物在使用期間所浪費的能量，以此實現(xiàn)減少能耗的目的，這與被動式建筑通過設(shè)計以不主動消耗能源，被動地節(jié)能有所不同。

被動式建筑是在建筑設(shè)計中充分考慮場地內(nèi)環(huán)境資源等因素，采用合適的建筑朝向、先進(jìn)的蓄熱材料、適合的遮陽裝置、充分的自然通風(fēng)，盡可能利用自然采光、自然通風(fēng)和可再生能源，提高建筑保溫性能和門窗氣密性，利用高效節(jié)能的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑接近零能耗，降低后期運營所需費用。

2 建筑被動式節(jié)能設(shè)計

2.1 外部環(huán)境節(jié)能設(shè)計

在建筑節(jié)能設(shè)計中外部環(huán)境因素直接作用于設(shè)計，所以在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮外部因素對建筑的實際影響。例如：我國北方地區(qū)節(jié)能設(shè)計主要以保溫為主；而我國南方地區(qū)則以隔熱為主。同時我國北方地區(qū)受到日照的影響建筑幾乎均為標(biāo)準(zhǔn)的正南正北朝向而在南方地區(qū)因為日照充足建筑朝向并沒有那么嚴(yán)格的要求。在做建筑節(jié)能設(shè)計尤其是在進(jìn)行被動式節(jié)能建筑設(shè)計時，設(shè)計人員更加應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂颉L(fēng)向、日照等因素綜合考慮，因地制宜，通過大量的數(shù)據(jù)分析做到最經(jīng)濟、最節(jié)能、最低碳的綠色節(jié)能建筑，實現(xiàn)建筑零能耗。

2.2 建筑內(nèi)部節(jié)能設(shè)計

在建筑設(shè)計中如何減少或直接規(guī)避建筑中存在的采光通風(fēng)不理想的空間正是設(shè)計師應(yīng)該著重考慮的問題。一座建筑或多或少都會存在相對不好使用的空間，那么這些空間是否可以被有效的利用，或者進(jìn)行特殊設(shè)計使這些空間成為建筑中不可多得的亮點空間，建筑師作為空間營造者應(yīng)該去認(rèn)真思考并進(jìn)行深入的探索。

2.2.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

建筑節(jié)能設(shè)計在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化，增加保溫隔熱材料，減少室內(nèi)外的熱交換，從而降低建筑的耗能量。被動式建筑則是在此基礎(chǔ)上采用提高保溫隔熱材料的性能、增加隔離層、建筑無熱橋等方法，阻斷室內(nèi)外的空氣熱交換，進(jìn)一步大幅降低建筑的耗能量，實現(xiàn)建筑的超低能耗甚至零能耗。

2.2.2 外部門窗

建筑中大多數(shù)的熱交換是通過門窗部分進(jìn)行的，所以在節(jié)能設(shè)計中應(yīng)在滿足房間采光的要求下盡量減小開窗面積。應(yīng)根據(jù)需要選用具有良好氣密性、水密性、隔聲性、抗風(fēng)性的門窗，例如：為提高室內(nèi)采光可采用高透低輻射鍍膜中空斷熱鋁合金玻璃門窗。被動式建筑采用的是被動式窗扇，不可開啟，最大限度地降低門窗部分的能量流失，從而降低建筑整體的耗能量，實現(xiàn)建筑零能耗的目標(biāo)。

2.2.3 高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)

大多數(shù)建筑為了滿足冬季采暖和夏季降溫的需要都會安裝供暖設(shè)施和空調(diào)，在部分節(jié)能建筑中也裝有新風(fēng)系統(tǒng)，幫助建筑調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，營造舒適的室內(nèi)環(huán)境。綠色建筑節(jié)能設(shè)計中在過渡季節(jié)盡量使用自然通風(fēng)而在非過渡季節(jié)則使用人工干預(yù)的方法控制室內(nèi)溫度和空氣流通。被動式建筑因為窗戶沒有開啟扇，所以室內(nèi)溫度和空氣流通全部依靠新風(fēng)系統(tǒng)，因此高效的新風(fēng)系統(tǒng)是必須的。建筑內(nèi)部通過新風(fēng)系統(tǒng)與外部進(jìn)行氣體交換，也會散失部分熱量，所以在零能耗建筑中熱回收是必須的，將新風(fēng)系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)相結(jié)合，真正做到建筑能量消耗最低化。

2.2.4 新能源的利用

世界能源危機已經(jīng)讓世界各國認(rèn)識到可再生能源的利用才是世界未來的主流，所以在綠色建筑節(jié)能設(shè)計中盡量使用可再生能源已經(jīng)成為設(shè)計熱點，因此太陽能、地?zé)崮?、空氣能等在建筑設(shè)計中的應(yīng)用也得到了大力發(fā)展?，F(xiàn)在住宅建筑中太能光伏板已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，地?zé)崮芎涂諝饽艿纫苍趶V泛地推廣中，相信在不久的將來建筑所需均可由可再生能源提供。

2.2.5 新技術(shù)的提升

可調(diào)節(jié)的遮陽板、導(dǎo)光板、導(dǎo)光筒等在解決建筑室內(nèi)采光問題上發(fā)揮了主要作用。裝配式屋頂綠化和墻體垂直綠化不僅減輕了綠化本身的重量、降低建筑荷載，也減少了施工的工作量。BIM系統(tǒng)的應(yīng)用也在一定程度上減少工程浪費和工程造價，技術(shù)的不斷提升也在不斷減少建筑垃圾的產(chǎn)生。智能人工系統(tǒng)在建筑運營中的應(yīng)用也進(jìn)一步降低了建筑在后期的能量消耗，例如：電梯群控，智能照明系統(tǒng)等。

3 被動式建筑案例分析

3.1 喬托莫被動式節(jié)能學(xué)校

該項目位于波蘭喬托莫，于2013年竣工。根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和風(fēng)土民情，設(shè)計師彼得·恰爾內(nèi)茨基采用了“村落式”獨棟建筑模式，并因考慮成本問題建筑使用均是最基本的建筑材料和簡單的用色。此設(shè)計中將整個建筑進(jìn)行拆分，由大小不一的多個小建筑組成，因此獲得了一系列有趣的內(nèi)部空間，因為建筑是相對獨立的多個建筑，每棟建筑之間通風(fēng)良好并且日照充足。將教室部分拆散分布在各個小單元中，利用其他空間讓教室獲得天然的隔熱效果。每個教室還配備了獨立的通風(fēng)設(shè)備，并且安裝了二氧化碳感應(yīng)器和高效的空氣新風(fēng)系統(tǒng)，使得每一個教室都可以擁有足夠的新鮮空氣。此設(shè)計采用全封閉建筑表皮是為了盡量減少建筑內(nèi)外熱量交換，實現(xiàn)耗能最小化。建筑供暖和降溫系統(tǒng)采用地下熱交換器，共60個孔洞，每個孔洞深85 m，擁有良好的供熱制冷效果。建筑內(nèi)光源全部采用節(jié)能LED燈，實現(xiàn)建筑最低能耗。節(jié)能設(shè)施如圖1所示。

圖1 喬托莫被動式節(jié)能學(xué)校節(jié)能設(shè)施示意圖

3.2 比科住宅樓

該項目位于美國加利福尼亞州，于2014年竣工，設(shè)計師是摩爾·樂伯·約德及其事務(wù)所。此建筑包括33套住宅以及住宅下方的配套商業(yè)零售空間和社區(qū)服務(wù)空間等。建筑中間是一個經(jīng)過精心設(shè)計的庭院，所有功能房間圍繞中間庭院布置，這樣的設(shè)計使得建筑擁有良好的自然采光和自然通風(fēng)。此建筑最主要的設(shè)計亮點在其使用的材料方面，其中，玻璃纖維絕緣材料中至少20%是回收利用的材料，地基材料中采用15%以上的粉煤灰或礦渣混凝土，外立面保護(hù)層使用壽命至少50年，此建筑在材料使用方面盡可能地使用回收利用材料，同時在施工過程中進(jìn)行廢棄物管理，盡可能的減少材料的浪費。節(jié)能措施如圖2所示。

圖2 比科住宅樓節(jié)能措施示意圖

3.3 清華大學(xué)超低能耗示范樓

該項目是2008年奧運建筑的前期示范工程，主要作為推廣節(jié)能、生態(tài)、智能技術(shù)等在建筑中應(yīng)用的暫時功能使用。此項目在設(shè)計期間進(jìn)行了多種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬測試，包括最基本的耗能量和傳熱系數(shù)等計算，用數(shù)據(jù)有利地說明了不同的維護(hù)結(jié)構(gòu)自身存在的差異。通過設(shè)計充分利用自然通風(fēng)和自然光照滿足室內(nèi)基本的照明和通風(fēng)需求，同時利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)等方式，使室外空氣在壓力的作用下貫穿流過室內(nèi)。該項目中裝有四臺超低能耗的新風(fēng)機組，通過這些機組可以自由地調(diào)控建筑室內(nèi)的濕度和溫度，為了達(dá)到室內(nèi)空氣質(zhì)量，新風(fēng)系統(tǒng)的耗能量是非常巨大的，但此項目中新風(fēng)系統(tǒng)自帶有熱回收率超過80%的熱回收系統(tǒng)，充分利用熱能的同時保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。該項目中還利用了BCHP系統(tǒng)、地源熱泵、太陽能光伏板、智能化控制系統(tǒng)等，在一個項目中同時體現(xiàn)這么多的節(jié)能技術(shù)是前所未有的新嘗試，為我國發(fā)展超低能耗建筑提供了模板，同時為我國零能耗建筑的開發(fā)奠定了強有力的基礎(chǔ)。如圖3所示。

圖3 清華大學(xué)超低能耗示范樓節(jié)能技術(shù)示意圖

4 被動式建筑的未來發(fā)展問題探索

我國被動式建筑的發(fā)展時間還較短，但是成果已經(jīng)較為顯著。因為我國南北跨度大，最南部城市和最北部城市氣候相差較大，所以我國對建筑節(jié)能設(shè)計只能是較為籠統(tǒng)地總結(jié)要求，而無法做到細(xì)致入微，雖然每個省都有相應(yīng)的建筑節(jié)能設(shè)計的相關(guān)要求，但是偏遠(yuǎn)地區(qū)對相關(guān)規(guī)定的執(zhí)行力較弱，大多數(shù)的建筑仍然沒有進(jìn)行節(jié)能設(shè)計。被動式建筑在造價上比普通節(jié)能建筑高，所以被動式建筑發(fā)展受到了一定的阻礙。

被動式建筑外圍護(hù)部分都是封閉的，為了更好地提高窗扇的氣密性，窗扇是不可開啟的，室內(nèi)空氣交換全部依靠新風(fēng)系統(tǒng)，這樣的形式對于很多人來說是不能接受的。人們會考慮停電后室內(nèi)空氣是否會混濁甚至悶熱難耐，雖然被動式建筑中的電能一般并不是全部利用城市電網(wǎng)，但是人們對被動式建筑的了解并不深，并不知道被動式住房的供電系統(tǒng)是如何組成的，所以許多居民對被動式住宅仍然持觀望態(tài)度。國家在大力扶持綠色建筑的開發(fā)過程中，也應(yīng)該加大宣傳力度，讓人們可以深入地了解被動式住宅，并且在心理上接受。

5 結(jié) 語

綠色建筑在我國的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展階段，在此階段中不止需要專家學(xué)者在技術(shù)方面的努力探索，同時需要國家繼續(xù)大力支持高新技術(shù)開發(fā)和利用，在此基礎(chǔ)上還需要國家在宣傳力度上下功夫，讓更多的人認(rèn)識并且了解被動式建筑，在心理上接受被動式建筑。在此發(fā)展情形下，以期在不久的將來我國可以實現(xiàn)全面綠色建筑的目標(biāo)。

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