小議建筑被動式節(jié)能設(shè)計

深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司 廣東深圳 518031

摘要：21世紀，隨著我國的資源消耗問題日益嚴峻，節(jié)能減排是現(xiàn)代社會發(fā)展的必然要求，也是現(xiàn)代化發(fā)展的重要組成部分，我國現(xiàn)階段對于被動式節(jié)能建筑尚無相關(guān)標(biāo)準或規(guī)范，更缺乏可操作執(zhí)行的適應(yīng)我國各地域氣候特征的判定方法和指標(biāo)。本文主要針對被動建筑在我國現(xiàn)階段的應(yīng)用狀況，通過對建筑耗能的來源、種類及特征的研究，對比分析了被動節(jié)能技術(shù)與主動節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用方式與作用，說明主動節(jié)能技術(shù)對于輔助協(xié)調(diào)被動節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)建筑總體的一次能源消耗量指標(biāo)和建筑室內(nèi)環(huán)境舒適度參數(shù)指標(biāo)的必要性和可行性。簡要介紹了被動建筑中采用的部分主要主動節(jié)能技術(shù)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計；被動式節(jié)能；技術(shù)；建筑自身能量；可再生能源

1、動式節(jié)能設(shè)計概念

一般而言，被動式節(jié)能建筑的兩個重要判定指標(biāo)：一個是建筑總體的一次能源消耗量指標(biāo)，另一個是建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適度參數(shù)指標(biāo)。而建筑節(jié)能就是指采用特定的技術(shù)在建筑周期范圍內(nèi)達到節(jié)能目的，在這個過程中涉及到建筑構(gòu)造、材料的獲取和使用、施工現(xiàn)場的操作以及建筑的運行維護。而被動式節(jié)能，是指采用非機械電氣設(shè)備干預(yù)手段，對建筑節(jié)能技術(shù)進行干預(yù)。具體表現(xiàn)在對建筑的朝向問題和建筑結(jié)構(gòu)的保溫隔熱技能方面上的節(jié)能設(shè)計。建筑的采暖通風(fēng)和空調(diào)的節(jié)能降耗都與建筑的朝向相關(guān)，所以在進行建筑設(shè)計的時候要著重注意這些問題。被動式節(jié)能設(shè)計方法涵蓋到建筑的方方面面，包括建筑朝向、建筑保溫、建筑體形、自然通風(fēng)等設(shè)計。被動式設(shè)計方法對建筑師要求很高，除了專業(yè)能力到位之外，還要建筑師對于建筑環(huán)境有充分的了解，要求設(shè)計師努力將學(xué)科間的限制突破掉，用全新思維來進行建筑的節(jié)能設(shè)計。隨著建筑規(guī)模巨大化，要學(xué)會運用被動式節(jié)能設(shè)計，以此獲得良好的建筑環(huán)境。

2、建筑自身能量的利用

2.1被動建筑自身的熱損失非常小，對外部能源的依賴也極低

除了在建造施工過程中及設(shè)備安裝完畢啟動調(diào)試過程中所需要的外部能源，被動建筑在建造完成之后便可以不再主動向外需求能源，而是轉(zhuǎn)為可再生能源提供。冬季，主要依靠建筑自身得熱滿足室內(nèi)供暖需求，極寒天氣熱負荷不足部分和夏季供冷負荷需求盡量從可再生能源中獲取。建筑自身得熱主要來自于室內(nèi)人體散熱、照明、電器、食物、烹飪爐火、太陽輻射以及新風(fēng)熱回收等。這些熱量在冬季對實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)是有益的，可以減少甚至取消室內(nèi)熱負荷，但在夏季這些室內(nèi)得熱卻全部轉(zhuǎn)變成為冷負荷，需要通過自然通風(fēng)或其他主動技術(shù)手段消除。通常，室內(nèi)熱（冷）負荷需求可以通過對熱回收后的新風(fēng)輔助加熱（冷卻）或通過埋在樓板、墻面內(nèi)的管道系統(tǒng)進行輻射供暖（供冷）等主動技術(shù)來滿足。作為對建筑物被動節(jié)能技術(shù)節(jié)能效果的補充和完善，主動節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用使得建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)可控可調(diào)，不僅可以根據(jù)房屋使用者的自身習(xí)慣和感受進行靈活精確的調(diào)節(jié)，更增加了室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性，減小了室內(nèi)外干擾因素的影響，滿足以人為本的個性化需求，是現(xiàn)代被動節(jié)能建筑區(qū)別于僅僅采用原始被動技術(shù)建筑的重要特征。

2.2 主動及被動節(jié)能技術(shù)合理應(yīng)用

通過主動及被動節(jié)能技術(shù)合理應(yīng)用，利用可再生能源的替代，被動建筑減少了自身對外部能源的依賴，冬季依靠其自身熱量有效降低了供暖熱負荷需求，甚至可以取消傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)，節(jié)省了鍋爐房建設(shè)費、市政熱力管線接入費、園區(qū)熱力管網(wǎng)埋設(shè)費、熱計量裝置安裝或改造費、供暖系統(tǒng)施工安裝及日常維護費、供暖季的系統(tǒng)運行費、燃料費、水電治污費、管理人員費等等；并減輕由此產(chǎn)生的各類環(huán)境問題，如大量溫室氣體的排放、有毒有害污染物的排放以及由此產(chǎn)生的霧霾天氣等；極大緩解城市夏季空調(diào)用電負荷高峰，降低北方供暖季煤炭、天然氣等的能源壓力。

3、太陽能及其他可再生能源的利用

現(xiàn)階段建筑對太陽能的應(yīng)用主要包括自然采光、光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換。

3.1自然采光可分為直接采光和間接采光

直接采光可以簡單理解為太陽光直接透過外窗投射進室內(nèi)的光線，間接采光則是太陽光經(jīng)過物體反射后照射進室內(nèi)的光線。我們這里所說的自然采光是指直接采光的情況。建筑室內(nèi)采光效果的好壞直接影響人體對室內(nèi)環(huán)境舒適度的感受；建筑良好的自然采光條件，不僅可以使人心情舒暢，而且可以大幅降低日間燈光照明的主動耗能。在白天自然采光條件不足需要補充人工照明時，宜選擇接近自然光色溫的高色溫光源。

3.2建筑物對太陽能光熱轉(zhuǎn)換的利用可簡單分為直接得熱和間接得熱

（1）直接得熱屬于被動式的太陽能利用，是一種建筑物直接利用日照的形式。通過對建筑形式及構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計，合理利用太陽輻射熱量來改善建筑物室內(nèi)熱工環(huán)境。在北方地區(qū)，設(shè)計中常將對室內(nèi)環(huán)境要求相對較低的廚房、衛(wèi)生間、走道、儲物間等設(shè)置在建筑北側(cè)，而臥室、起居室等對室內(nèi)環(huán)境要求較高的房間則布置在日照較為充足的南側(cè)，并設(shè)置封閉陽臺作為陽光室，在冬季充分利用陽光輻射得熱，并可作為室外環(huán)境與室內(nèi)環(huán)境之間的緩沖過渡空間，降低傳熱能耗并提高居室內(nèi)環(huán)境的舒適度。

（2）間接得熱作為一種主動節(jié)能技術(shù)，在被動節(jié)能建筑中的應(yīng)用主要指太陽能集熱系統(tǒng)，其通常是由太陽能集熱器、蓄熱設(shè)備、循環(huán)管路等主要設(shè)備部件組成。太陽能集熱器常用的有聚焦型集熱器（槽式、碟式、塔式）、平板型集熱器、真空管集熱器以及陶瓷集熱器。集熱器應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源狀況及氣候條件等選擇適合的形式，保證系統(tǒng)的全年安全穩(wěn)定運行，選擇性價比最優(yōu)的產(chǎn)品。循環(huán)水管路可分為自然循環(huán)和機械循環(huán)兩種。自然循環(huán)型，其特點是蓄熱水箱置于集熱器上方，依靠重力流推動系統(tǒng)循環(huán)。機械循環(huán)型，蓄熱水箱置于集熱器下方，利用循環(huán)水泵以機械動力使系統(tǒng)內(nèi)熱水強制循環(huán)。條件允許的情況下建議使用自然循環(huán)型，不僅系統(tǒng)簡單、維護方便，而且更加節(jié)能可靠。太陽能集熱系統(tǒng)可采用自動控制變流量設(shè)計，通過設(shè)置光伏電池板等太陽輻照感應(yīng)傳感器，實時監(jiān)測太陽輻照強度并以此控制變頻循環(huán)水泵改變系統(tǒng)流量；太陽能集熱自動控制系統(tǒng)除了需要實現(xiàn)系統(tǒng)正常運行時的調(diào)節(jié)控制，還要在需要輔熱設(shè)備時及時切換熱源，液體工質(zhì)還要特別注意防凍和防過熱保護措施，保證系統(tǒng)的安全并節(jié)能優(yōu)化運行。

太陽能集熱系統(tǒng)主要應(yīng)用于生活熱水系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、空調(diào)熱水系統(tǒng)等。通過與熱泵系統(tǒng)結(jié)合使用，利用太陽能熱水裝置產(chǎn)生的熱能推動熱泵工作，從而利用更多可再生能源進行加熱或制冷，不僅可以為供暖系統(tǒng)或冬季空調(diào)系統(tǒng)提供熱源，也可以在夏季為空調(diào)系統(tǒng)提供冷源。

3.3太陽能光電轉(zhuǎn)換主要是指太陽能光伏發(fā)電

利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，整套系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器以及蓄電池組等設(shè)備部件組成。太陽能光伏電池板可以作為建筑外墻表面材料與建筑設(shè)計結(jié)合，敷設(shè)在外墻面、屋面，或是作為外遮陽、天窗。當(dāng)太陽能電池板的鋪設(shè)面積足夠大，太陽能發(fā)電裝置可以為被動建筑提供其正常運轉(zhuǎn)所需全部電能。

3.4 除太陽能以外的其他可再生能源

除太陽能以外的其他可再生能源，包括空氣熱能、風(fēng)能、地表淺層土壤熱能、地下水熱能、地表水熱能、河水動能、潮汐能等等。被動節(jié)能建筑可以根據(jù)所在地域的具體氣候特征及水文地質(zhì)條件等因地制宜的選用適合的可再生能源為自身提供所需能量，減少對外界能源的依賴。熱泵系統(tǒng)是現(xiàn)在利用各種熱能資源的主要技術(shù)手段。在被動建筑中，熱泵系統(tǒng)為整個建筑的制冷和供暖供給能量。常用的形式有空氣源熱泵、地下水地源熱泵、地表水地源熱泵、地埋管地源熱泵。空氣源熱泵適合于夏熱冬冷地區(qū)的中小型建筑，有同時供冷、供熱需求的情況建議采用熱回收式熱泵機組。地下水地源熱泵、地表水地源熱泵、地埋管地源熱泵的設(shè)置均要特別注意嚴禁對地下水資源的污染性、破壞性利用，要進行系統(tǒng)的全年動態(tài)負荷計算，熱泵系統(tǒng)總釋熱量與總吸熱量應(yīng)平衡，否則應(yīng)采取相應(yīng)輔助措施。

4、可控通風(fēng)的理念

被動建筑通常采用兩種通風(fēng)方式，一種是自然通風(fēng)，一種是新風(fēng)熱回收系統(tǒng)。

4.1 自然通風(fēng)的技術(shù)古已有之

我國傳統(tǒng)民居中可以隨意找出許多結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c、生活習(xí)慣的自然通風(fēng)設(shè)計建造技術(shù)。我們最常見到的也是最簡單的室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計就是通過開關(guān)外窗調(diào)節(jié)，但被動建筑由于其對室內(nèi)舒適度參數(shù)的穩(wěn)定性要求，決定了過于依賴室外氣候條件、無法進行人為精確調(diào)控的自然通風(fēng)方式難以滿足被動建筑的要求。所以我們對于被動建筑中所設(shè)計采用的自然通風(fēng)是一種可控通風(fēng)，是一種在主動節(jié)能技術(shù)輔助下的被動節(jié)能技術(shù)。這種可控主要表現(xiàn)在對于流量、流向、風(fēng)速、過濾、溫度、濕度、噪聲等方面。

自然通風(fēng)有三種基本方式：風(fēng)壓通風(fēng)、熱壓通風(fēng)、機械輔助自然通風(fēng)。首先采用被動技術(shù)，充分利用風(fēng)壓、熱壓作用，巧妙設(shè)計建筑通風(fēng)節(jié)能構(gòu)造，并協(xié)調(diào)遮陽形式對自然通風(fēng)效果的影響，協(xié)調(diào)窗墻比與太陽輻射熱能利用、自然采光、自然通風(fēng)之間的影響。然后輔助通風(fēng)控制系統(tǒng)，設(shè)置感應(yīng)器，采集室外溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、空氣污染程度等信息，采集室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度等信息，結(jié)合各項室內(nèi)環(huán)境設(shè)定參數(shù)，通過控制系統(tǒng)對各處控制機構(gòu)進行通風(fēng)調(diào)節(jié)。

4.2 被動建筑新風(fēng)的提供

在室外氣候條件舒適的情況下，應(yīng)首先考慮并采用自然通風(fēng)的方式，以排除室內(nèi)余熱及室內(nèi)污染物，為室內(nèi)人員提供新鮮空氣，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，當(dāng)僅采用自然通風(fēng)無法滿足室內(nèi)新風(fēng)要求時，諸如污染天氣、無風(fēng)天氣、風(fēng)沙天氣、高溫高濕或寒冷天氣或柳絮花粉等過敏源較多的季節(jié)，都不適宜單獨采用自然通風(fēng)。應(yīng)采用同時設(shè)置自然通風(fēng)及機械新風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)合方式，以此降低室內(nèi)空調(diào)負荷并減少機械新風(fēng)系統(tǒng)運行費用。被動建筑中對新風(fēng)系統(tǒng)高效熱回收裝置的應(yīng)用也是其顯著特點之一。系統(tǒng)的顯熱回收效率要求不低于75%，這就是說經(jīng)過熱回收裝置的新風(fēng)負荷以及排風(fēng)熱損失都同時得到了大幅降低，在冬季大部分時間里被動建筑僅僅依靠自身得熱便實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境溫度的穩(wěn)定。此外，被動建筑采用熱泵機組為新風(fēng)系統(tǒng)提供冷熱源，夏季由熱泵機組提供新風(fēng)降溫除濕冷源，冬季可以利用熱泵加熱新風(fēng)，提高經(jīng)由熱回收裝置預(yù)熱后的新風(fēng)溫度，滿足室內(nèi)熱負荷要求，保證室內(nèi)溫度穩(wěn)定。新風(fēng)熱回收系統(tǒng)常設(shè)功能及流程：過濾、預(yù)熱（預(yù)冷、顯熱回收、加熱（冷卻）、加濕（除濕）、消聲。這樣的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)為建筑內(nèi)所有房間提供經(jīng)過加熱加濕或冷卻除濕的新風(fēng)，可根據(jù)使用者要求自由調(diào)控室內(nèi)環(huán)境溫濕度、潔凈度及空氣新鮮度，降低新風(fēng)及排風(fēng)能耗。新風(fēng)熱回收系統(tǒng)設(shè)計使用時應(yīng)確保室內(nèi)總送排風(fēng)量的平衡；應(yīng)定期清洗或更換濾芯，保證送入室內(nèi)的新風(fēng)清潔度及換熱效率；設(shè)備及管道安裝采用減震支吊架、消聲器等消聲降噪措施，避免產(chǎn)生噪聲污染。

4.3 新風(fēng)熱回收系統(tǒng)

為保證室內(nèi)空氣新鮮度，設(shè)置二氧化碳濃度探測器，室內(nèi)設(shè)定值應(yīng)小于1000ppm，這一數(shù)值略高于室外自然空氣二氧化碳濃度，當(dāng)室內(nèi)實測二氧化碳濃度值高于設(shè)定數(shù)值一定程度后，自動控制開啟送、排風(fēng)機。而對于電動可開啟外窗、自然通風(fēng)器等自然通風(fēng)手段，則還需要同時結(jié)合室外環(huán)境溫濕度、污染、風(fēng)向風(fēng)速狀況等參數(shù)控制啟閉。對于溫濕度獨立控制系統(tǒng)，還要設(shè)置外窗啟閉狀態(tài)探測器，室內(nèi)濕度監(jiān)測報警器等。

5、圍繞著一次能源消耗量評價指標(biāo)的自動控制系統(tǒng)

5.1 被動節(jié)能建筑的判定

我國現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范對于節(jié)能建筑性能的判定方法是通過在設(shè)計過程中對不同氣候區(qū)的不同性質(zhì)的建筑物規(guī)定其應(yīng)符合要求的體形系數(shù)、窗墻比、遮陽系數(shù)、維護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、氣密性等；當(dāng)上述系數(shù)無法滿足限定值時則通過權(quán)衡判斷來判定其圍護結(jié)構(gòu)的總體熱工性能是否符合節(jié)能標(biāo)準。在施工階段則通過對建筑材料、建筑構(gòu)件的物理性能檢測指標(biāo)來判定其是否為節(jié)能建筑。在德國，對于被動節(jié)能建筑的判定方法是采用能耗模擬計算軟件，將建筑物的各項相關(guān)參數(shù)輸入，計算出建筑物的一次能源消耗量，并將此數(shù)值用于校核建筑實際運行中的一次能源消耗量，最終判定其是否為節(jié)能建筑。被動建筑采用一次能源消耗量指標(biāo)而非我國傳統(tǒng)節(jié)能規(guī)范中50%、65%的相對節(jié)能指標(biāo)或建筑物耗熱量指標(biāo)。通過對建筑物的總體能耗的限制，平衡各種節(jié)能指標(biāo)之間此消彼長的問題。

5.2太陽輻照感應(yīng)傳感器

優(yōu)良的外窗保溫性能及較大的窗墻比為建筑物冬季室內(nèi)充分利用太陽能輻射熱提供了條件，降低了冬季熱負荷，然而，封閉且保溫的房間內(nèi)熱量難以自然消散，導(dǎo)致夏季空調(diào)冷負荷的增加。因此，增加可調(diào)節(jié)活動建筑外遮陽措施來協(xié)調(diào)這一矛盾，但我們會發(fā)現(xiàn)，夏季制冷能耗降低的同時室內(nèi)照明能耗卻相應(yīng)增加了。建筑電動外遮陽百葉的調(diào)節(jié)：被動建筑采用保溫與透光性能好的節(jié)能窗，夏季，在滿足了室內(nèi)采光要求的前提下，需要采用電動外遮陽百葉將多余的日照隔絕在室外，降低室內(nèi)空調(diào)冷負荷。而冬季則調(diào)節(jié)百葉，盡量多的將陽光引入室內(nèi)，降低室內(nèi)供暖熱負荷。太陽輻照感應(yīng)傳感器，可根據(jù)實時室外環(huán)境參數(shù)隨時調(diào)整，也可根據(jù)預(yù)設(shè)模式自動操作。自動調(diào)節(jié)百葉位置角度，保證室內(nèi)得到適度的太陽輻射量。

5.3合理利用主動節(jié)能技術(shù)作為被動節(jié)能技術(shù)的補充和完善

由于被動建筑冬夏季冷熱負荷極低，有時我們需要通過熱泵系統(tǒng)來滿足室內(nèi)少量的冷熱負荷。需要注意的是，在我們討論應(yīng)用何種可再生能源之前，應(yīng)仔細核算我們采用被動節(jié)能手段可以在多大程度上滿足需求？熱泵系統(tǒng)在全生命周期中的總能耗是否已經(jīng)大于了其所節(jié)省的能耗？避免為了使用可再生能源而使用，認證評估被動節(jié)能手段與主動節(jié)能手段的切換時機，減少無謂的一次能源消耗。為了避免被動建筑設(shè)計與使用過程中應(yīng)用過多效能較低的節(jié)能技術(shù)，合理有針對性的采用主動節(jié)能技術(shù)作為被動節(jié)能技術(shù)的補充和完善，采用智能建筑物整體一次能源消耗評價系統(tǒng)主動實時采集數(shù)據(jù)、計算分析，通過系統(tǒng)末端自動控制裝置及設(shè)備對各被動節(jié)能措施根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境變化要求及時準確的進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

6、結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段我們在被動建筑的規(guī)劃方案及施工圖設(shè)計階段，國內(nèi)尚無可參照的標(biāo)準或規(guī)范，而國外的技術(shù)指標(biāo)又不能簡單的直接套用，逐步總結(jié)出適合我國國情的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準是當(dāng)務(wù)之急。這種情況之下，應(yīng)避免主動和被動節(jié)能技術(shù)的不加以選擇的堆砌，避免不因地制宜、不加以分析驗算的套用節(jié)能指標(biāo)，避免對可再生資源低效甚至無必要的浪費式應(yīng)用。同時，注意選用節(jié)能電器、節(jié)能燈具；注意設(shè)備安裝空間及管線布置空間的合理性，隔聲降噪；注意明裝設(shè)備與建筑風(fēng)格的融合。提高建筑材料、設(shè)備的研發(fā)及加工水平，提高建筑施工及管理水平，促進建筑產(chǎn)業(yè)的整體升級。

參考文獻：

[1][2]張輝.被動式節(jié)能建筑設(shè)計的探討[J]科技風(fēng)，2010，（4）：248.

[2]郭飛，路曉東，孔宇航.陽光與風(fēng)——被動式節(jié)能設(shè)計實踐初探[J].低溫建筑技術(shù)，2009，（7）：104-105.

[3]謝華慧，朱琳.被動式生態(tài)建筑中庭的自然通風(fēng)設(shè)計策略[J].節(jié)能，2010，（4）：56-60.

[4]周燁恒，常榮杰.低技術(shù)化的節(jié)能建筑設(shè)計——被動式節(jié)能的應(yīng)用[J]福建建筑，2009，（1）：10-11.