被動式超低能耗建筑在夏熱冬冷氣候區應用分析

劉逸靈

蘇州大學建筑學院 江蘇 蘇州 215123

最近幾年，伴隨著全球氣候不斷變暖，節能減排就成為最為熱門的一個話題。建筑設計的發展就是圍繞這一個問題在不斷的發展，原本的建筑已經無法匹配現階段人們對于健康生活的實際需求。伴隨著綠色節能理念的不斷深入，人們對于居住環境的需求也在持續的轉變，綠色建筑比重逐漸的增加。那么，設計出環境舒適的，同時又能以自然氣候作為基礎的，并且能夠實現對藝術和技術的整合的綠色節能建筑，這本身就具有重要性和必要性。

1 被動式超低能耗建筑概述

被動式超低能耗建筑指的是以適應氣候和自然條件為基礎，利用氣密性和隔熱性都較高的圍護結構、新風系統技術，能夠保障室內環境整體上的舒適性，并且通過使用可再生能源，可以降低能耗的一種建筑類型。被動式超低能耗建筑以被動式設計為核心，以此來降低對于空調、取暖器等實際的依賴度，這樣就可以實現高舒適性、低成本的具體要求[1]。

1.1 超低能耗建筑技術要求高標準

基于技術控制分析，被動式建筑主要有兩套控制指標的存在：能耗指標以及室內舒適度指標。為了能夠滿足這兩種指標的要求，對于建筑結構、建筑材料以及設備技術本身的要求較高。其本身的技術主要是包含了被動式建筑外窗、高效外保溫系統、無熱橋設計設備。

1.2 超低能耗建筑運行能耗低

被動式超低能耗建筑強調使用無熱橋設計和性能好的外保溫層、氣密性良好的外圍結構，相對于普通建筑能夠滿足90%的節能，同時通過一定的技術的新建筑物，也可以滿足75%以上的節能要求。

1.3 超低能耗建筑舒適性

最初設計被動式超低能耗建筑就是為了提供房屋保暖保障，設計保暖層則是讓室內保持恒定溫度。在夏季炎熱期間，建筑物的保暖層可以確保室內涼爽舒適的同時，還能夠實現節能減排，這屬于建筑設計的一大突破。

2 發展被動式超低能耗建筑的思考

2.1 技術上的規范和提高

在我國，既要求政府為被動式超低能耗建筑提供一些政策上的支持，又要注重技術上的規范與提高。對于技術指標而言，國內從1986年提出設計節能建筑的標準，30%節能標準的實施就是開端。在1995年上升到50%，在2005年上升到65%。例如寒冷地區，《居住建筑節能設計標準》就要求節能75%的執行，實際的外窗傳熱系數為1.5~2.0 W/（m2·k）。同時，在2015年，中國有關被動式超低能耗建筑設計的第一部標準提出外窗傳熱系數≤1.0 W/（m2·k）的要求。現如今國內的被動式建筑設計建造技術和國外先進技術相比依舊存在差距，所以就需要懂得引入一些更先進的技術手段，向發達國家借鑒經驗，有效培訓國內建筑人才，最終提升被動式建筑的技術水平[2]。

在推廣被動式建筑方面，技術規范的支持也是不可或缺的，完善的技術體系以及設計標準，就可以引導設計與施工的實施、優化。盡管如今在建筑規范中尚未針對被動式建筑構建完善的評價體系，但是對各氣候區建筑的設計到具體的實施以及后續的使用拆除，都構建了評價建筑生命周期的完善體系，這對全面推廣被動式建筑有重要意義。目前，推導出來的導則之中大部分是針對居住型建筑，因為公共建筑類型較為廣泛，而辦公樓和醫院以及學校等建筑物的實際耗能存在較大的差異，再加上不同區域的氣候特點存在一定的差異性，所以就很難使用相同的標準進行規范。國內公共建筑對應較高的能源指標，總量也較大，因而有必要研究與各區域被動式超低能耗建筑更加匹配的公共建筑技術標準，更有效地引導公共建筑的節能與高效建設、運作。

2.2 地域性建設

被動式超低能耗建筑能夠與所在區域的氣候條件、自然環境等匹配，據此進行房屋設計，尤其是針對降低建筑物的供暖空調負荷這一要求，需要通過選擇氣候來實施。對于建筑設計師而言，在被動式建筑設計中，除開對于技術原理與相關特性的了解之外，還要對地區不同的被動式建筑的有關技術參數、實際效果等有所了解，利用專業技術和區域氣候環境相互作用，進而以被動式建筑關鍵技術為基礎，與本地實際環境相結合，構建出具有鮮明地域特色的被動式建筑。

當然，在制定標準的時候，還需要考慮到建設被動式建筑示范工程的規模在不斷擴大，在不同區域選擇建筑材料、優化建筑結構以及運用太陽照射、地形和綠植等，都可以利用示范工程來有所了解與掌握[3]。

3 夏熱冬冷地區氣候特征分析

對夏熱冬冷區域的氣候條件影響因素加以分析，主要包括日平均溫度、日總輻射量以及日平均風速等，由此可以確定設計策略來滿足氣候，進而提出對應的建筑策略。

3.1 夏熱冬冷地區日平均干球溫度氣候特征分析

在夏熱冬冷區域，夏季溫度較高，并且悶熱、潮濕，而冬季陰冷，并且夏季時間相對較長。所以，建筑本身就需要兼顧夏季隔熱以及冬季保溫的要求。

3.2 夏熱冬冷地區日總輻射量氣候特征分析

夏熱冬冷的地區，夏季有著相對強烈的太陽輻射，但是冬季較弱。所以，設計就需要考慮到太陽輻射本身對于建筑能耗本身產生的影響，通過科學有效地控制玻璃窗的面積、建筑色彩和遮陽等，就可以實現能耗的降低[4]。

3.3 夏熱冬冷地區日平均風速氣候特征分析

對于夏熱冬冷的地區，在夏季氣候炎熱的月份，對應風速較低，這樣會影響熱量的散失；在冬季風速就偏高，體感寒冷程度會進一步加劇。因此，建筑的布局設計、門窗開啟設計等顯得至關的重要，這樣也可以滿足夏季良好通風以及冬季避風的要求。

基于上述的分析，對于夏熱冬冷的氣候區特征，其主要表現如下：

第一，在夏季，室外溫度是較高的，冬季室內溫度則較低，需要在進行被動式建筑設計時統籌兼顧的考慮到冬季采暖以及夏季制冷，進行綜合的考慮與分析。

第二，冬季西北盛行風較強，夏季風較弱，所以就需要保障冬季的防風。

第三，無論是夏季還是冬季，潮濕環境會對舒適度產生一定的影響。所以，在長江中下游地區，夏熱冬冷，一定不能忽視濕度的影響。

基于上述的分析，掌握夏熱冬冷區域的氣候條件、自然環境等，合理利用隔熱、通風、太陽能與除濕等，就成為設計之中主要考慮的因素。

3.4 夏熱冬冷地區建筑形成的環境因素及特征

夏熱冬冷地區的氣候條件與自然環境本身呈現出多層滲透、自然緊密的狀態。對于這一地區的建筑而言，融合、滲透、開敞是主要的特點。從地域性和文化性特征來看，夏熱冬冷區域通常是較為富庶的地區，經濟文化較為繁榮，因而建筑風格也是呈現出變化與開放的特征。

4 夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑應用分析

4.1 總體規劃及建筑形體應用設計

在夏熱冬冷地區的建筑規劃設計中，由于氣候條件特殊，也就是在夏季需要盡可能的減少西曬，避免房屋過熱，在冬季則要求考慮到太陽光的充分引入，利用這樣的方式來溫暖室內，盡可能的減少空調的能耗，所以居住的建筑最好是設置為南偏向東或者是南偏向西的15°夾角。另外，在設計規劃之中還要考慮水體蒸發能夠吸收熱量的情況，對于熱季進入到室內的風需要做好預冷，以此來減少降溫設施的能耗，比如空調，同時有效改善夏熱冬冷區域夏季比較潮濕的問題，幫助人們提高體感舒適度。在平面體形設計中，還可以選擇凹進平面的手法，通過擴大迎風面或者是減少進深的方式來直接形成穿堂風[5]。在豎向體形設計環節，主要是通過底層架空、退臺式、局部開洞等方式，從而實現對室外人行高度對應風環境的優化。

4.2 建筑遮陽隔熱應用設計

針對被動式建筑而言，室內人群在冬季開展活動產生的熱量和太陽輻射熱都能夠對降低熱負荷發揮積極的作用，但是夏季的時候會產生一定的消極作用。被動式超低能耗建筑不能完全依賴空調等設施控制冷負荷，所以就要求通過被動式設計的手法來加以分析。

4.2.1 合理設計窗戶來遮陽隔熱

基于窗戶形狀遮陽的分析，一般是選擇凹形窗，即在建筑結構后面設置窗戶，當太陽光照射進入到室內，建筑結構就會將其遮擋，達到遮陽的效果。比如上海同濟大學的中德學院就選擇的這樣的方式。因為夏季面臨較強的太陽輻射，所以直接將窗戶斜向設置，并輔助挑出結構與透明磨砂玻璃，這樣就可以實現對于進入室內太陽光照射量的有效控制，以此來減少太陽的南向輻射，打造宜人宜居的光環境。

4.2.2 合理設置挑檐等固定的外遮陽構件來遮陽隔熱

相對于只能夠阻隔到20%-30%的太陽能輻射熱的內遮陽構件，外遮陽構件能夠阻隔到70%-85%的太陽輻射熱，節能效果良好。直接在建筑物屋頂進行巨大挑檐的設置，這是很常見的一種遮陽隔熱方式。如圖1的上海大劇院，它處于夏季陽光輻射較為強烈的夏熱冬冷區域，是很好的例子之一。檐部出挑深遠，盡管不能根據太陽的高度自動調整角度，但是也能發揮良好的太陽輻射遮擋作用。同時，接建筑氣質來進行對應的設計，就可以將遮陽隔熱的作用完全發揮出來，并且還可以發揮出文化作用，有效強化建筑物的視覺效果。

圖1 上海大劇院

4.2.3 設置外裝式百葉等可調式外遮陽構件來遮陽隔熱

利用挑檐不同等固定外遮陽構件有助于提高遮陽效果，但這在夏熱冬冷地區不是最佳解決方案，原因主要在于在夏季冷負荷降低的同時也會影響到冬季的太陽輻射熱。所以就可以考慮到外裝百葉可調的方式，外遮陽構件可調，伴隨太陽移動位置和不斷改變室內狀況，也能改變自身的角度，這樣就可以滿足遮擋太陽輻射的靈活改變。對于建筑工業養老基金會的設計，托馬斯·赫爾佐格就使用了這一種方式。在陰天，構件以利用頂光反射到板底樓底提供照明為主。當光照強烈時，會直接旋轉為遮陽的最佳角度，據此實現建筑物室內舒適性的提高[7]。

4.3 圍護結構應用設計

針對圍護結構的隔熱和保溫，對室內環境會產生直接的影響。所以，需要在設計環節考慮圍護結構各部分具備的冬季保溫性能、夏季隔熱性能。只是現階段夏熱冬冷區域的居住建筑中設計節能維護結構的意識還相對薄弱。

4.3.1 開口設計

窗墻比的合理以及開口位置的恰當，屬于開口設計的基本要求。對于條件允許的情況下，需要對于建筑進出風口成對設計加以考慮，如果只能夠單側通風，那么就需要對于迎風面的開口加以考慮。但是單個的房間能夠滿足多個開口的時候，就能考慮相鄰開口之間的距離，這樣能促進空氣的流動。

4.3.2 外墻設計

目前，建筑節能保溫墻體主要涉及到自保溫墻體、復合保溫墻體。從經濟性的角度來分析，發現自保溫墻體不能得到有效使用，復合保溫墻體的應用則越來越多。為了預防外墻外保溫技術阻礙夏熱冬冷地區建筑業的發展，在建筑節能降耗上起到反作用，應在其住宅建筑中考慮使用外墻內保溫技術。與此同時，對于不同朝向墻體，其設計和構造不能一概而論，比如對冬季主導風向迎風面的外墻要實施加厚處理。

4.3.3 透光構件設計

針對窗框和玻璃等透光構件材料，應注意合理選擇，幫助降低建筑的熱損失。所以外窗框可以選擇導熱系數相對較低的材料，并考慮對節能玻璃的選擇和使用。針對被動式建筑，南向窗是集熱構件，然而東西北向不屬于集熱窗，在東西墻過量開窗，會導致夏季室內過于的炎熱，北向過量開窗又會進一步在冬季加重熱損失。因此，就需要做好各個墻面窗墻比的有效控制，保證可以提高建筑窗框的保溫性以及門窗的氣密性，最大限度避免冷風滲透。

4.3.4 屋面設計

建筑屋頂花園就是保溫隔熱的有效措施。屋頂面臨太陽輻射，相對于東西立面溫度也會上升很多，并且與室內傳熱劇烈，這樣就會對室內溫度產生較大的影響，在夏季尤其的明顯。在夏熱冬冷的地區，建造屋頂花園，就可以披上天然的保護層。在夏季溫度較高的時候，植物本身可以利用蒸騰作用，降低屋頂溫度。冬季溫度較低的時候，植物可以作為天然的“被子”來發揮保溫的作用。并且建造屋頂花園，不僅可以發揮保溫隔熱的作用，同時也可以讓居住的人員充分的參與到種植之中，以此來增強人們對于這一個空間的親近感。

5 總結

總而言之，建筑節能問題會對建筑的可持續發展產生直接的影響。在當前能源緊張的大環境下，做好建筑的改革是至關重要的。考慮到夏熱冬冷地區氣候條件的特殊性，就需要通過合理有效的措施進行被動式超低能耗建筑的有效分析，這樣才能夠滿足今后的可持續發展需求。