被動式超低能耗建筑設計分析

王 斌 張冀友 郭 淳

(華通設計顧問工程有限公司，北京 西城 100035)

引言

被動式超低能耗建筑是用保溫性良好、氣密性高的圍護結構進行建筑設計，通過使用熱回收技術，利用可再生能源，為人們提供舒適、怡人的居住環境，相關設計要符合不同地區的氣候特征和自然條件，保證建筑的優良性能。

1 被動式超低能耗建筑設計基礎

1.1 設計策略

被動式建筑的設計策略以降低能耗為主，通過節省照明用電、采暖用電、生活用水等方式，加強能源的利用率，將日常能源需求量降到最低。設計內容要包括濕度方面、空氣質量層面和環境因素等。要通過規劃合理有效的設計方案，提高建筑設計質量；要采用自然通風采光、外部圍護結構等手段，提高建筑的遮陽、隔熱性能，使居民獲得良好的生活體驗。

1.2 設計標準

對于房屋建筑來說，其體型系數要控制在0.27～0.49之間，從而有效降低建筑圍護結構造成的熱能損失。內部墻體和界面的設計要保證協同關系，要充分利用太陽能，合理規劃建筑結構，加強自然能量的轉換。被動式建筑要根據不同地區制定不同的設計標準，比如在氣溫較低的東北地區，要加強地理環境的運用，通過調整頂板的角度，抵御強風貫穿、阻擋寒流涌入室內。按照國家制定的設計技術標準手冊，細化具體內容，保證采暖一次能源消耗量不高于15KWh/m2，制冷負荷不超過11W/m2。在設計時要運用3D建模技術建立工程模型，幫助設計人員更直觀的觀察建筑結構，根據相關設計要求，制定詳細的建筑材料要求。圖1為被動式超低能耗建筑模型，表1即為被動式超低能耗建筑外圍結構材料要求。

圖1 被動式超低能耗建筑模型

表1 被動式超低能耗建筑外圍結構材料要求

2 被動式超低能耗建筑設計的實際應用

當前建筑設計缺少外部環境差異的分析，沒有按照地區的平均氣溫采取針對性的措施，部分地區能源消耗過高，企業沒有結合工程現場情況進行設計調整，使相關設計方案往往不切實際，因此各建筑企業需要強化被動式超低能耗建筑設計的實際應用，提高自然能源的保護和利用，為人民提供良好的生活環境。

2.1 保溫系統

首先，技術人員要加強對保溫、采暖系統材料的選擇，相關施工材料要嚴格符合施工標準，確保材料的無污染、綠色化，避免在施工過程中出現質量問題，當前大多數被動式超低能耗建筑選用的材料為無機保溫砂漿、納米隔熱板和GSE泡沫板，這些材料的可控制性較強，能夠幫助設計人員在設計系統時，提高操作的可行性，提高保溫層的厚度。其次，保溫系統的設計要注重散熱功能，通過加強墻面的垂直綠化和通風墻、蒸發墻面的設計，將高溫產生的熱量快速消散。比如：我國的南方地區在冬季經常會出現建筑物室內熱量大量流失的問題，建筑企業可通過使用復合苯材料，提高墻體夾層的厚度，提高建筑的保溫性能。最后，要加強屋面保溫系統的設計，傳統的保溫材料已經無法滿足時代發展的需求，相關企業要加強建筑的一體化設計，盡可能加強建筑的使用壽命。在屋面保溫中要進行蓄水、種植，將通風空氣層夾板放置在隔熱屋面上，促進空氣流通，加強吸熱能力。在材料選取上，盡可能選擇保溫砂漿和保溫板，并在相關材料上鋪設混凝土保護層，提高保溫系統的保溫效果[1]。

2.2 門窗系統

第一，要加強門窗節點的處理，提高窗框的保溫性能。圍護結構要確保高質量、高強度，并且構造合理，要根據實際工程類型選取適合的窗戶類型。將保溫性良好的窗框材料替代傳統的金屬框架，并做好保溫處理。窗框的材料盡可能以聚氨酯和聚苯為主，將木質框架通過螺栓固定的形式進行連接與安裝，方便后期回收再利用；第二，玻璃的隔熱性要經過系統、嚴謹的計算，使窗框的熱損度降至窗體熱損度的30%。要進一步優化窗體的氣密性，防止內部構件由于空氣流通產生縫隙，通過加設封條或使用彈性優良、組裝牢固的橡膠條進行密封處理，降低室內外空氣的交換，使能源損失量保持在合理的范圍內[2]。

2.3 自然采光與通風

自然采光與通風是被動式超低能建筑工程建設的基礎環節，在設計時要注意工程地點的自然環境條件，收集相關氣候信息數據，根據實際情況分析、研究、確定最優的方案策略。在工程中要對內側的抹灰層進行縫隙封堵，確保氣密性嚴實，同時在內側設置防水膜，進而保證相關使用電線不會被室內的水蒸氣浸泡，出現電路故障，要按照30m2/h的標準風量設置新風系統，保證空氣過濾等級在G4以上，并在進風和排風管道上安裝消音設備，降低通風時產生的噪音。

2.4 節能規劃

首先，要做好建筑工程的平面設計，確定建筑的采光角度、綠化率和相關玻璃界面的反光系數，要確保建筑室內外的壓強值低于1.5Pa。位于迎風面的墻體要提高熱島效應，能夠利用周邊樹木或建筑物有效抵擋強風的侵襲。其次，要提高非透明的圍護結構節能設計，綜合考慮被動式建筑的建筑高度，使用燃燒性能為A級的建筑材料，保證建筑的恒溫性，空調板要使用挑梁式構造，在進行設備管道施工時預留套管，降低線性熱橋。外門的氣密性等級要大于八級，水密性超過六級，這樣才能使結構外表面保持良好的保溫隔熱功能。最后，要采用外掛安裝的方式加強窗框與墻體的連接，通過使用挑梁式結構，使原本的線熱橋變為點熱橋，在首層的外墻基礎上使用粘性塑板，確保在進行隔熱處理時，能夠深入地下至少1m的距離。

2.5 朝向設置

被動式超低能耗建筑設計要注意建筑物的朝向設置，要盡可能采用南北朝向的設計方式，從而提高采光度和自然通風量，相關技術人員要結合不同地區的地勢、地貌進行適當調整，避免房屋遭受陽光的直射。在建筑型體設計中，要盡可能體現建筑的合理性、簡潔性，不能一味的追求低耗能源策略而使建筑結構復雜化。并且被動式建筑要注意保持合理的風速與風量，使建筑穿堂風能夠有效成型，為后期設計提供便利。相關朝向設計要盡可能保證建筑成本和節能損耗間的經濟平衡，能夠有效提高各建筑產業的經濟效益，使其符合國家規定的相關能源使用標準，為人民群眾提供良好的建筑環境，提高人民生活質量，調動人們的選購欲望。

3 被動式超低能耗建筑設計實例分析

3.1 項目概況

某市體育館為被動式建筑。該體育館能夠有效降低建筑外部能源的消耗。場館內部采用了較多的環保、綠色材料，在降低能耗的基礎上提高體育場館的實用性。

3.2 技術應用

3.2.1 高絕熱維護結構

該體育場館外墻的平均傳熱系數為0.14W/(m2·K)，墻體厚度為598mm，由280mm的混凝土、160mm的礦物保溫織物以及130mm的飾面磚共同組合而成。該體育場館的外墻傳熱系數不僅高于該市的建筑平均節能標準，甚至高于我國北方地區的建筑節能標準，具有較好的保溫與隔熱作用，能夠最大程度的避免外墻墻體發生結霜問題導致能耗增加。

3.2.2 對流式供暖

該體院館一到三層沿墻沿窗下方設置了風道出口，并加裝了一定量的加熱盤管，保持管內的水溫在30℃。該體育場館的樓板結構層中含有一定的混凝土芯層，底板與結構層間為夾層，在夾層中設置了新風管。毛細管在冬天的水溫為熱水，混凝土芯層為熱輻射板，使得夾層新風管空氣能夠在循環流動過程中進行再次加熱，暖房器能夠誘導夾層氣流對室內進行有效加溫。

3.3 空調與地源熱泵

該體育場館保溫性能良好，建筑物內冷熱負荷較小，能夠實現環保地源熱泵的有效使用。依據綠色環保等要求，該體育場館在選擇地源熱泵機時，重視建筑物冷熱負荷的相關特點，為實現對地熱資源的合理、科學利用，選擇的是熱量為52kw、制冷量為46kw熱泵機組，有效實現夏季空調冷負荷和冬季采暖熱負荷。

3.4 特殊制冷方式

地源熱泵機房在夏季能提供20℃左右的冷凍水，從而使得天花板形成冷輻射板，在熱氣上升后迅速冷卻并下沉。該種方式能夠保證能量在傳輸中無需動力，使得室內場館溫度保持均勻、無噪聲，提高了室內場館的舒適程度。配置適量的風機盤管有助于在夏季提供一定冷量的同時加強除濕效果。

3.5 熱回收新風系統

頂層設備的用房內設置了新風機組，新風機組能夠實現超過95%以上的熱回收率。同時，熱風機組含有兩個加熱段，能夠確保夏季與冬季的溫度符合相關標準，利用風道實現熱量的有效傳遞。場館內部設置的對流供暖裝置能夠有效誘導室內空氣進行反復循環，再通過混凝土芯層進行二次加熱。

4 被動式超低能耗建筑發展趨勢

4.1 彌補現有技術不足

當前，我國被動式超低能耗建筑方面存在技術成熟度不夠、技術水平參差不齊以及建筑標準不一等問題。因此，在未來的被動式超低能耗建筑中應加強技術的研究，重視人力、物力以及財力的投入，為技術的研發和創新提供支持與保障，不斷完善技術性能，提升技術水平。作為建筑設計人員需要積極樹立正確的被動式超低能耗建筑理念，在建筑施工過程中充分使用太陽能、風能等綠色環保能源，提高保溫材料的應用能力，優化與完善建筑保溫圍護以及無熱橋結構設計。除此之外，應重視太陽能輻射采暖的應用，強化先進技術的應用效果，滿足被動式超低能耗施工。應從因地制宜等角度出發，以建筑施工地區的實際情況為主，制定具有針對性的被動式超低能建筑設計方案和要求，確保被動式超低能耗建筑施工規劃更加合理。

4.2 提高本土材料性能

在被動式超低能耗建筑設計中，為進一步降低施工建設成本，需要重視被動式超低能耗建筑整體建設效果，采用性能完善、質量較高的本土材料。以就地取材的方式，降低材料的整體運輸成本，最大程度降低建筑工程項目成本。被動式超低能耗建筑受到各界的廣泛關注的同時，作為政府應發揮自身的主體作用，加強各建筑單位、建筑材料企業以及科研單位的結合，實現高質量的資源共享。鼓勵建筑企業積極引進先進的材料技術，通過加大自主研發的力度從而獲得更優質的材料產品。除此之外，我國應重視國際質量管理體系的應用，建立相關被動式超低耗能材料相關產品質量認證體系，嚴格落實建筑材料的規范標準，實現目錄的有效編制。禁止不符合質量標準的材料進入施工現場以及市場。

5 結 論

綜上所述，通過分析被動式超低能耗建筑設計基礎以及當前建筑設計存在的內外環境差異大、缺少實際情況分析、能耗高等不足之處，提高被動式超低能耗建筑設計在保溫系統、門窗系統、自然采光與通風、節能規劃、朝向設置等方向上的應用，從而推動我國建筑行業發展，促進社會經濟穩定增長。