寒冷地區被動式超低能耗建筑設計策略研究

李紀偉 牛炳玲

（河北大學建筑工程學院 河北保定 071002）

0 引言

建筑能耗已經占到社會總體能耗的30%以上，建筑采暖、制冷等維持室內舒適度的技術措施，會消耗大量能源，排放出溫室氣體，造成溫室效應，使全球平均溫度不斷升高。為了應對氣候變化，減少環境污染，我國開始發展超低能耗建筑[1]。河北、山東、山西等地，紛紛出臺政策，推廣和扶持超低能耗建筑發展。《河北省被動式超低能耗建筑產業發展專項規劃（2020－2025年）》中提出，在未來5年河北省超低能耗建筑將保持20%以上的增長，到2025年將建設900萬m2。

從建成項目和規模來看，目前超低能耗建筑的主要建設地點為北方，這些地區多處于寒冷地區。因此，需要根據寒冷地區的氣候特點，有針對性的分析氣候特點對于設計的影響，研究出更加適合北方地區的超低能耗建筑設計策略和方法。

1 寒冷地區氣候特點

根據我國的熱工設計區劃，寒冷地區主要為華北地區，這些地區具有以下氣候特征：冬季采暖期較長，一般大于90d，采暖期平均氣溫低于5℃；夏季氣溫較高，平均氣溫可比冬季高25℃。一年中空氣濕度變化也比較大，通常冬季濕度較低，最低可達5%，夏季濕度較高，可到90%以上。日照輻射較為強烈，總體輻射夏季較強、冬季較弱，夏季輻射主要集中在水平面上，冬季輻射主要集中在南向垂直面上；一般夏季風向為東南，冬季風向為西北[2]。在進行超低能耗建筑設計時要充分考慮這些氣候特征，結合相關設計規范才能更好的實現超低能耗的目標。

2 被動式超低能耗建筑性能指標要求

2.1 能耗指標要求

被動超低能耗建筑對于能耗要求較高，國際上要求通常要求每平米建筑的用于采暖的能源消耗不高于15kWh/（m2a），建筑每年的總體能耗不高于120kWh/（m2a）。我國根據自己的國情，要求寒冷地區要求冬季采暖指標不能高于10kWh/（m2a），夏季制冷能耗不能高于20kWh/（m2a），室內氣溫要求也比熱工設計規范高，要求冬季不低于20℃，夏季不高于26℃[3]。

2.2 建筑圍護結構性能要求

圍護結構包括非透明圍護結構和透明圍護結構，主要在傳熱方面有較高要求，一般非透明圍護結構的傳熱系數要求不大于0.15W/（m2·k）。而對于透明圍護結構則要求綜合傳熱系數不大于1.1W/（m2·k），同時要滿足水密性和氣密性要求。

2.3 氣密性要求

在冬季，建筑有很大一部分能耗是空氣滲透造成的，因此，超低能耗建筑在氣密性方面提出了要求，要求門窗氣密性應該達到8級，即：要求在10Pa的氣壓差下，每米門窗縫隙每小時透過的空氣量要小于0.5m3。

3 寒冷地區超低能耗建筑設計策略

寒冷地區有自己獨特的氣候特點，在進行超低能耗設計時，應進行充分分析，同時結合建筑外部環境來進行綜合設計，才能獲得最佳的節能效果，具體原則如下：

3.1 建筑總體設計

超低能耗建筑在設計時應從規劃布局開始，在進行規劃設計時要遵循寒冷地區氣候特點，尤其是日照輻射要求進行考慮。傳統建筑在設計時通常遵循日照設計管理規定進行，如日照間距或日照時數等要求。超低能耗建筑的目標是降低對傳統能源的依賴，在太陽能利用方面要求較高，原有的日照規范要求略顯不足，因此在超低能耗設計時要適當增加建筑間距，提高超低能耗建筑的太陽能可利用量。

3.2 建筑平面設計

建筑平面設計是節能的關鍵要素之一，在平面設計時，應使建筑平面簡潔，減少凹凸，降低體型系數。功能布局時考慮氣候緩沖作用，將溫度需求高的房間放在內部或南側，溫度要求低的房間放在外部或北側。

3.3 圍護結構設計

由于超低能耗建筑圍護結構傳熱系數小，因此需要增加保溫層厚度，通常保溫層可達200mm以上，這對外圍護結構設計提出了較高的要求，超低能耗建筑的外圍護結構要盡量簡單，減少裝飾，避免裝飾構件對圍護結構整體性的破壞，影響施工和使用效果。

3.4 無熱橋構造設計

無熱橋構造設計是超低能耗建筑設計的重點，熱橋設計決定了建筑節能的最終效果，影響圍護結構內部的溫度分布，濕度分布，如果設計不合理可能造成性能的大幅下降。在進行無熱橋的構造設計時，要選用傳熱系數低的材料作為建筑構造的主要材料，如必需使用導熱系數高的材料，則需增加斷熱構造處理。進行構造設計時，盡量不破壞保溫層的連續性和完整性，減少保溫層兩側的連接，尤其是剛性連接。

3.5 遮陽設計

寒冷地區，夏季氣溫也較高，日照輻射會加速室內溫度升高，增加制冷能耗。因此，盡管處于寒冷地區，仍然需要進行遮陽設計。遮陽設計時需要根據當地緯度、年氣溫變化等因素考慮遮陽方式。遮陽設計時不能單方面考慮夏季遮擋，同時應對冬季的采暖進行考慮。要求冬季時，遮陽設施不能影響日照輻射進入室內。這就要求對遮陽角度與方式進行考慮，例如，采用水平遮陽，設計時可以根據春分作為分界。計算春分時太陽高度角，當春分過后，隨著太陽高度角增加，遮陽開始，至夏至時達到完全遮陽。通過被動式的遮陽設計，可以更加合理的利用日照輻射。

3.6 室內空氣質量設計

由于超低能耗建筑的氣密性較高，因此室內空氣流通性較低，室內空氣質量需要著重考慮。目前多采用新風系統來保障空氣質量，但在設計過程中應該更加注重過渡季節的被動通風措施，制定被動通風計劃，最好能夠設計自動門窗控制系統，通過監測環境狀態，控制門窗的開啟，保障室內的空氣質量。

4 結語

超低能耗建筑是一項系統的工程，只有結合氣候特點，科學分析，選擇合理的技術措施，才能達到設計目的。在今后的發展中，應更加注重研究氣候條件對設計的影響，以及舒適度對設計的要求，使超低能耗建筑更好的實現自身價值。