“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(xué)土木工程與建筑學(xué)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(shè)計發(fā)展的大趨勢。雖然當(dāng)前大多數(shù)人熱衷于先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和設(shè)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(jī)械電器設(shè)備等干預(yù)手段來降低建筑的能耗。它在實現(xiàn)的過程中，設(shè)計手段強(qiáng)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(shè)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(shè)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(shè)計中就采用了多種“主動式”和“被動式”的節(jié)能手段來達(dá)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(hù)墻體和屋頂設(shè)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(shè)計手法、設(shè)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(shè)計的做法屬于設(shè)計手法的一部分;圍護(hù)墻體屬于材料的選擇部分。因此，考慮設(shè)計的各個階段并將其融入到建筑節(jié)能設(shè)計之中，才能達(dá)到良好的綜合效果。

2 案例啟示

2.1 節(jié)能設(shè)計的一體化

節(jié)能設(shè)計的一體化是指在建筑設(shè)計之初，就將節(jié)能設(shè)計的理念充分納入其中，使之成為建筑設(shè)計的重要組成部分。而“被動式”節(jié)能手段并不是簡單機(jī)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(dá)到有機(jī)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(shè)計思路融入在整體設(shè)計之中。一方面將建筑的結(jié)構(gòu)、空間布局與節(jié)能設(shè)計整合，即在建筑的結(jié)構(gòu)和空間設(shè)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?！しㄋ乖O(shè)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(fēng)”，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(qiáng)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(fēng)，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(qiáng)大的熱氣流發(fā)揮“煙囪效應(yīng)”進(jìn)行拔風(fēng)，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(jìn)入室內(nèi)。

圖1 哈?！しㄋ乖O(shè)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(fēng)由西北方向吹來，在迎風(fēng)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(shè)置在背風(fēng)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(fēng)從西北方向吹來，在風(fēng)擋的作用下進(jìn)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(qiáng)大“扒力”，室內(nèi)通風(fēng)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(fēng)，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(shè)計，并結(jié)合通風(fēng)來進(jìn)行蒸發(fā)制冷和增加濕度，同時充分利用夜間自然通風(fēng)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(fēng)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(dǎo)導(dǎo)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(dá)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?！岸炷Ｊ健?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(fēng)機(jī)，就能持續(xù)地給室內(nèi)各個樓面供暖?！跋奶炷Ｊ健睍r，外層玻璃打開實現(xiàn)通風(fēng);同時經(jīng)位于屋頂?shù)乃贸樗?，水幕以每小時48m3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(hù)，還可以影響周邊環(huán)境。

2.2 蓄熱體的應(yīng)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(shè)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(hù)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(hù)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(fēng)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(shè)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(shè)計中影響開窗的因素主要有景觀、立面造型、通風(fēng)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(yīng)對夏季的高溫天氣和過于強(qiáng)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(shè)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(shè)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(dǎo)風(fēng)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(dá)到節(jié)能的效果［1］。

2)單體設(shè)計。通過合理的平面布局來實現(xiàn)自然采光和通風(fēng)。通過對建筑體形系數(shù)的控制達(dá)到保溫節(jié)能的目的。在生態(tài)學(xué)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(yīng)和組織自然風(fēng)的流動，利用自然風(fēng)壓、熱壓和機(jī)械輔助等手段實現(xiàn)建筑的自然通風(fēng)，如果要使用能源，則盡量從太陽能、風(fēng)能、地?zé)岬荣Y源中獲?。?］。

3)維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱。采用保溫性能良好的維護(hù)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(shè)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(shè)計，建筑的遮陽已成為研究的熱點和設(shè)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(dá)到可觀的節(jié)能效果。其中“被動式”的節(jié)能手段具有適應(yīng)性強(qiáng)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(rèn)識到節(jié)能設(shè)計的運用離不開特定區(qū)域氣候環(huán)境的制約?！氨粍邮健惫?jié)能設(shè)計應(yīng)該緊緊的抓住地方氣候的特點，采取適應(yīng)氣候、利用氣候資源的策略，綜合運用各種節(jié)能設(shè)計的手段，不僅有利于在目前節(jié)能目標(biāo)基礎(chǔ)之上更進(jìn)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(lán).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(shè)計［J］.建筑節(jié)能，2007(3):47-48.