“被動式”節(jié)能技術(shù)的運用與啟示★

張 輝 肖承志

(湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430068)

0 引言

隨著全社會低碳節(jié)能意識的提高，建筑的節(jié)能正逐漸成為該領(lǐng)域設計發(fā)展的大趨勢。雖然當前大多數(shù)人熱衷于先進的節(jié)能技術(shù)和設備，但我們不能忘卻最基本的節(jié)能方式——“被動式”節(jié)能:通過非機械電器設備等干預手段來降低建筑的能耗。它在實現(xiàn)的過程中，設計手段強于技術(shù)手段，而且著重考慮建筑的朝向、周邊環(huán)境、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)和外部形體等方面的影響，同時結(jié)合材料的構(gòu)造設計來實現(xiàn)能源節(jié)約的愿望。

1 多種技術(shù)的綜合

建筑節(jié)能設計常常需要依靠多項技術(shù)的綜合運用來實現(xiàn)可觀的節(jié)能效益，在2010年世博會的阿爾薩斯館案例的設計中就采用了多種“主動式”和“被動式”的節(jié)能手段來達到良好的綜合效果。其中較為重要的幾項“被動式”節(jié)能策略包括:建筑朝向、圍護墻體和屋頂設計等，他們在節(jié)能技術(shù)中有著非常重要的地位。表1列舉了阿爾薩斯館所采用的節(jié)能技術(shù)以及“被動式”節(jié)能手段所占據(jù)的比重。

表1 阿爾薩斯館節(jié)能技術(shù)與被動式節(jié)能手段

這些手段主要涉及設計手法、設計的構(gòu)造以及建筑材料的選擇等方面。其中建筑朝向、屋頂設計的做法屬于設計手法的一部分;圍護墻體屬于材料的選擇部分。因此，考慮設計的各個階段并將其融入到建筑節(jié)能設計之中，才能達到良好的綜合效果。

2 案例啟示

2.1 節(jié)能設計的一體化

節(jié)能設計的一體化是指在建筑設計之初，就將節(jié)能設計的理念充分納入其中，使之成為建筑設計的重要組成部分。而“被動式”節(jié)能手段并不是簡單機械地附加于建筑之上，而是通過對空間組織、建筑造型和立面等方面的綜合考慮，來達到有機統(tǒng)一的目的。在以往很多案例之中我們可以充分地感受到節(jié)能設計思路融入在整體設計之中。一方面將建筑的結(jié)構(gòu)、空間布局與節(jié)能設計整合，即在建筑的結(jié)構(gòu)和空間設計時融入“被動式”節(jié)能方式，實現(xiàn)技術(shù)與建筑和環(huán)境的一體化。以哈桑·法斯設計的埃及民居為例(見圖1):建筑有著厚重的泥石墻，封閉和半封閉的庭院，穹頂塔，高低窗洞，建筑材料以沙、石為主。建筑的這些特點，是與埃及的地理環(huán)境和氣候有著密切的關(guān)系的。

埃及是典型的沙漠之國，全境95%為沙漠，夏季氣溫高，晝夜溫差較大，全境干燥少雨。每年4月～5月間常有“五旬風”，夾帶沙石。厚重的墻體以熱容性較差的碎石和泥沙作為主要材料，能夠很好地保持室內(nèi)溫度的恒定，同時就地取材，降低了建筑的成本。封閉和半封閉的庭院能與沙漠沉悶的熱氣流、強烈的太陽輻射形成良好隔絕，形成大量的陰影，輔以良好的通風，可以有效的減弱埃及地區(qū)炎熱氣候的影響。穹頂塔能利用室外強大的熱氣流發(fā)揮“煙囪效應”進行拔風，使室內(nèi)的空氣流動，改善空氣的質(zhì)量。高低的窗洞除了可以直接采光和便捷空氣的流動之外，還能夠減少室外的熱氣流進入室內(nèi)。

圖1 哈桑·法斯設計的埃及民居

如圖2所示是民居的平面圖與剖面圖，主要體現(xiàn)的是建筑的布局與室內(nèi)的空氣流動。從平面圖上看，風由西北方向吹來，在迎風面只開有一個小窗，能夠降低室外環(huán)境(熱氣流、沙石)對室內(nèi)的影響，因而將建筑的入口都設置在背風的一面。

剖面圖主要表現(xiàn)室內(nèi)空氣的流動，它的原理就是下沉式蒸發(fā)冷卻，具體如下:風從西北方向吹來，在風擋的作用下進入室內(nèi)，首先會遇到一個裝滿水的陶罐，使熱空氣的溫度降低，密度變大，就會下沉，會把室內(nèi)的空氣擠出去。再加上高穹頂所產(chǎn)生的強大“扒力”，室內(nèi)通風和空氣流動的效果就越明顯(見圖2)。

圖2 民居的平面圖與剖面圖

干熱地區(qū)的中庭要注重隔熱，避免過量通風，同時要采用增濕的策略。由于空氣干燥，濕度很小，因而需要在中庭內(nèi)增加水體的設計，并結(jié)合通風來進行蒸發(fā)制冷和增加濕度，同時充分利用夜間自然通風來降溫(如圖3所示)。中庭中央的噴泉能為室內(nèi)降溫和增加濕度。

圖3 中庭通風增濕示意圖

如圖4所示，是2010年上海世博會法國阿爾薩斯案例館，它的正立面由水幕太陽能系統(tǒng)和植被幕墻系統(tǒng)兩部分組成。水幕太陽能系統(tǒng)玻璃幕墻從外到內(nèi)包括三個層面:外層為太陽能電板和第一層玻璃，中間是個可開可閉的空氣層，最后一層還是玻璃，上面有水流過，構(gòu)成水幕玻璃。值得注意的是，每一層玻璃都造得非常厚實，盡可能阻隔因熱傳導導致的能量損失。外層玻璃本身也是由兩層玻璃粘合而成的“超厚”玻璃，厚度達4cm～5cm。

圖4 法國阿爾薩斯館案例

圖5是水幕太陽能系統(tǒng)的工作原理及示意圖。“冬天模式”:所有的玻璃窗全部關(guān)閉，使得中間層成為一個密閉空氣艙。經(jīng)過陽光照射以及太陽光在光電板上轉(zhuǎn)換成電并發(fā)熱，密閉艙里的空氣被迅速加熱，并源源不斷送往風機，就能持續(xù)地給室內(nèi)各個樓面供暖。“夏天模式”時，外層玻璃打開實現(xiàn)通風;同時經(jīng)位于屋頂?shù)乃贸樗停灰悦啃r48m3的流速不斷沖刷著內(nèi)層玻璃，再加上太陽能板產(chǎn)生的陰影，三管齊下，使得中間空氣層的溫度有所降低，從而起到給建筑降溫的作用。同時太陽能光電板產(chǎn)生的能量將成為水泵的動力來源。

圖5 水幕太陽能系統(tǒng)工作狀態(tài)圖

植被幕墻的存在作用不僅起到了良好的遮陽效果，同時吸附浮塵，提高空氣質(zhì)量，極具視覺觀賞性還可以起到吸收二氧化硫、甲苯等有害氣體的作用。不僅對建筑自身的能量環(huán)境有所保護，還可以影響周邊環(huán)境。

2.2 蓄熱體的應用

在傳統(tǒng)建筑中，主要通過對空氣的直接制冷或加熱來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，而哈桑·法斯設計的埃及民居作為一座“被動房”與傳統(tǒng)溫度的控制理念大相徑庭。它充分利用了蓄熱的作用，即通過圍護體的蓄熱性能來維持室內(nèi)溫度的相對恒定。這種方法和過去的空調(diào)不同，蓄熱體通過建筑材料的熱惰性來維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。其工作原理如下:白天，具有蓄熱作用的圍護結(jié)構(gòu)的表面溫度低，緩慢向室內(nèi)提供熱輻射，室內(nèi)溫度相對恒定。夜間再通風降溫排解蓄熱，冬天反之亦然。這樣的調(diào)溫方式溫和穩(wěn)定，相對于空調(diào)則擁有更高的宜人性。同時也是一種良好的被動式節(jié)能手段，減少甚至免除了因用空調(diào)所消耗的能量。

2.3 建筑開窗

開窗一直是建筑設計中的重要環(huán)節(jié)，早在柯布西耶的新建筑“五要素”中就給開窗以特殊的定義。如今在節(jié)能要求的考量下，什么時候開窗，如何開窗有了新的詮釋。

首先是出于功能的考慮。以往設計中影響開窗的因素主要有景觀、立面造型、通風采光等，因而在我國大部分地區(qū)往往采用南向大面積開窗，北向小面積開窗的做法。而阿爾薩斯館的開窗方式和傳統(tǒng)的做法大相徑庭:南面為水幕墻和植被幕墻，其余各面為普通玻璃幕墻。其主要原因有以下幾個方面:

1)建筑功能。

作為展覽性建筑，要避免直射光。

2)使用時間。

作為世博館，其主要展期為以夏季為主的5月～10月，主要是應對夏季的高溫天氣和過于強烈的太陽輻射。

3)照度要求。

其次是考慮到節(jié)能與采光之間的平衡。

3 “被動式”節(jié)能建筑的設計方法

經(jīng)過多年的繼承與探索，“被動式”節(jié)能技術(shù)主要體現(xiàn)在如下幾個方面:

1)場地規(guī)劃設計。通過場地的利用來遮擋或吸收太陽的輻射;利用或防止主導風向，增加或降低溫濕度;利用地形、水體、植被以及群體建筑的布局來實現(xiàn)環(huán)境利用的最優(yōu)化，達到節(jié)能的效果［1］。

2)單體設計。通過合理的平面布局來實現(xiàn)自然采光和通風。通過對建筑體形系數(shù)的控制達到保溫節(jié)能的目的。在生態(tài)學的觀念下，結(jié)合各區(qū)域氣候的特點，利用自然條件和人工構(gòu)筑物，積極地順應和組織自然風的流動，利用自然風壓、熱壓和機械輔助等手段實現(xiàn)建筑的自然通風，如果要使用能源，則盡量從太陽能、風能、地熱等資源中獲取［2］。

3)維護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱。采用保溫性能良好的維護材料，降低結(jié)構(gòu)能耗。目前在規(guī)范的要求下，國內(nèi)保溫措施日益普及。

4)建筑的遮陽。通過遮陽的設施來阻擋過多的太陽輻射。從過去的遮陽板、遮陽百葉到現(xiàn)在立面的整體設計，建筑的遮陽已成為研究的熱點和設計創(chuàng)新的突破點。

5)綠色建材的使用。使用耗能低、可回收、可降解的建筑材料，根據(jù)材料的全壽命全周期考量建筑生態(tài)節(jié)能。目前這一做法在國內(nèi)還沒有被廣泛的采納。

4 結(jié)語

節(jié)能是在保證人們使用舒適的前提下，盡可能的降低能耗的做法，只有多技術(shù)的綜合運用才能達到可觀的節(jié)能效果。其中“被動式”的節(jié)能手段具有適應性強和使用便捷的特點。通過對案例的分析和這些案例的啟發(fā)讓我們認識到節(jié)能設計的運用離不開特定區(qū)域氣候環(huán)境的制約。“被動式”節(jié)能設計應該緊緊的抓住地方氣候的特點，采取適應氣候、利用氣候資源的策略，綜合運用各種節(jié)能設計的手段，不僅有利于在目前節(jié)能目標基礎之上更進一步，而且也有利于居民健康，滿足親近大自然的心理需求。

［1］陶漪藍.被動式節(jié)能技術(shù)的運用與啟示——基于對城市最佳實踐區(qū)實物案例的考察［J］.綠色建筑，2011(2):75-76.

［2］陳華晉，李寶駿，董志峰.淺談建筑被動式節(jié)能設計［J］.建筑節(jié)能，2007(3):47-48.