被動式超低能耗建筑設(shè)計與應(yīng)用研究

0 引言

當(dāng)下，人們對建筑的需求越來越側(cè)重于自身實(shí)際，有學(xué)者提出，未來建筑必將越來越注重為居住者提供舒適環(huán)境，保障其身體舒適與健康，被動式建筑因具有與環(huán)境自然協(xié)調(diào)、環(huán)保節(jié)能、滿足各種居民生活習(xí)慣等優(yōu)勢而成為未來建筑發(fā)展的必然趨勢。被動式建筑與當(dāng)下“適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀”發(fā)展理念契合，符合人們對健康建筑的指標(biāo)要求。其中，被動式建筑是綠色建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)。從如今研究成果來看，被動式超低能耗建筑在供暖需求地區(qū)更易實(shí)現(xiàn)，其具有的節(jié)能優(yōu)勢被更多民眾接受。被動式超低能耗建筑是利用保溫隔熱性能和氣密性更好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用高效熱回收新風(fēng)技術(shù)，最大程度降低建筑采暖和制冷需求，充分利用可再生能源，適應(yīng)氣候特征和自然條件，以更少能耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境并滿足綠色建筑基本要求的技術(shù)體系。

1 我國應(yīng)用被動式超低能耗建筑的特殊國情

1.1 室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和生活習(xí)慣

我國地域遼闊，各地區(qū)的氣候環(huán)境及民眾的居住特點(diǎn)各不相同，無形中提高了被動式超低能耗建筑設(shè)計的難度。實(shí)際應(yīng)用中，與其他被動式超低能耗建筑技術(shù)水平較高的國家相比，我國在被動式超低能耗建筑設(shè)計中，最難確保的是室內(nèi)溫度及新風(fēng)量達(dá)標(biāo)。歐洲國家為確保送風(fēng)量常通過對建筑氣密性進(jìn)行嚴(yán)格要求，借助機(jī)械通風(fēng)手段確保建筑物新風(fēng)量。在夏季，我國建筑物內(nèi)部環(huán)境溫度要高于歐洲國家，冬季則反之，根據(jù)資料顯示，在冬季嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，我國集中供暖地區(qū)的室內(nèi)溫度一般在18℃，在夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)溫度只有10℃甚至更低，這些區(qū)域因供暖設(shè)施不普及，建筑物內(nèi)部濕度為60%～90%，室內(nèi)濕冷造成居住舒適度較差。在夏季，利用開窗通風(fēng)來降低室內(nèi)溫度是大多數(shù)民眾的首選，室內(nèi)溫度一般為25～32℃。如果在設(shè)計時過度追求歐洲國家提倡的“全空間、全時段”舒適理念則需大幅提升室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，顯然會造成建筑物能耗驟增，與最初設(shè)計理念相違背，故進(jìn)行被動式低能耗建筑指標(biāo)體系設(shè)置時應(yīng)充分考慮我國室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和民眾生活習(xí)慣，營造出適合我國人民生活的舒適室內(nèi)環(huán)境。

1.2 氣候特點(diǎn)

與歐洲一些國家相比，我國橫跨多個氣候帶，各地氣候差異較大。我國部分城市與德國城市間有巨大氣候差異，如表1所示。統(tǒng)一不同區(qū)域能耗要求而不考慮各地區(qū)不同氣候條件顯然不科學(xué)，就緯度上來說，柏林更靠近北極，但從其冬季供暖溫度上來看，其與沈陽更接近，供冷溫度則與哈爾濱接近，簡單來說就是德國同緯度地區(qū)的城市比我國同緯度的城市氣候條件更溫和，供暖為主、空調(diào)需求小。柏林夏季溫度比北京夏季溫度要低，夏季最高溫度低于19℃，故德國大多數(shù)城市在夏季基本不需要空調(diào)，但我國大部分地區(qū)夏季溫度高達(dá)30℃左右，一些城市氣溫甚至高達(dá)42℃，故我國大部分城市在夏季存在空調(diào)需求，另外，從供暖及供冷溫度來看，我國不同區(qū)域的氣候分布差異較大，各地區(qū)城市間的供暖與空調(diào)需求不平衡，故在我國實(shí)施統(tǒng)一的被動式低能耗建筑能耗指標(biāo)不科學(xué)。

1.3 建筑特點(diǎn)

我國建筑特點(diǎn)和歐美國家存在較大差異。目前，我國大多數(shù)城市內(nèi)的住宅建筑多為高層，且高層住宅比例不斷增加，而歐美居住建筑通常在3層及以下，據(jù)資料顯示85%的德國居住建筑為3層及以下，只有15%為中高層公寓。與歐美國家相比，我國建筑密度大、容積率高、公共空間大，導(dǎo)致我國建筑能耗特點(diǎn)與歐美國家不同。據(jù)學(xué)者研究，住宅空置率較高是對我國被動式超低能耗建筑指標(biāo)體系影響較大的另一因素，根據(jù)國家相關(guān)部門公布的資料顯示：我國城市住宅空置率在20%～30%，且有明顯增加趨勢，在2013年北京對50個2011-2016年入住的小區(qū)進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，空置住房占比21．35%，且空置率從市中心向外環(huán)逐漸提高?？罩寐蔬^高會造成各戶之間的傳熱損失大、集中負(fù)荷率低，對建筑能耗產(chǎn)生不良影響，故被動式超低能耗建筑技術(shù)體系應(yīng)充分考慮我國建筑特點(diǎn)。

表1 我國部分城市與德國城市間供暖日度數(shù)和供冷日度數(shù)

1.4 建筑能耗特點(diǎn)

我國建筑的舒適度及保證率較低，出現(xiàn)不同年代建筑能耗強(qiáng)度差異大的現(xiàn)象。資料顯示：英國、法國、德國、意大利4國民用住宅的建筑每年單位面積能耗是35kg標(biāo)準(zhǔn)煤，一次能源消耗量約285（kW·h）/標(biāo)準(zhǔn)煤，而我國城鎮(zhèn)居住建筑每年單位面積能耗僅為14．5kg標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，一次能源消耗量約118（kW·h）/標(biāo)準(zhǔn)煤，滿足德國被動房一次消耗能源120（kW·h）/標(biāo)準(zhǔn)煤的要求。隨著人們生活條件改善，我國建筑能耗強(qiáng)度將會進(jìn)一步提升，但目前來說，其他歐美國家被動房指標(biāo)體系中的一次能源消耗量是與我國建筑需求不符。

2 被動式超低能耗建筑設(shè)計的應(yīng)用

2.1 建筑保溫設(shè)計

對被動式超低能耗建筑進(jìn)行建筑保溫設(shè)計時應(yīng)結(jié)合不同地區(qū)供暖需求，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)最大限度提升建筑的氣密性與保溫效果。在寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，外保溫常使用擠塑聚苯板或硬泡聚氨酯板等高效保溫材料，以降低保溫層厚度；夏熱冬冷地區(qū)多考慮使用自保溫系統(tǒng)，運(yùn)用蒸汽加氣混凝土砌塊、復(fù)合保溫墻體等。例如，哈爾濱辰能·溪院B4號樓項(xiàng)目處于嚴(yán)寒地區(qū)，其屋面、外墻及地下室頂層均使用厚300mm的石墨聚苯板；成都天府新區(qū)工業(yè)園項(xiàng)目位于夏熱冬冷地區(qū)，該項(xiàng)目外墻使用陶粒發(fā)泡混凝土復(fù)合板，公寓整體為裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，使用預(yù)制復(fù)合夾心保溫作外墻板，同時在墻體內(nèi)側(cè)刷1層超薄保溫隔熱以提升公寓熱工性能。

2.2 門窗安裝應(yīng)用

在建筑中，房屋門窗對通風(fēng)、照明及保溫效果有重要影響，門窗安裝材料常可采用未增塑聚氯乙烯塑料、木材等保溫性能較好的窗框材料，泡沫膠、Low-E玻璃等，在一些嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)玻璃應(yīng)使用3層，其他地區(qū)一般使用雙層玻璃即可。例如，哈爾濱辰能·溪院B4號樓項(xiàng)目外窗采用單框雙層中空Low-E玻璃（內(nèi)充氬氣）平開鋁包木窗，U值為0．8W/m2；珠海興業(yè)太陽城研發(fā)樓項(xiàng)目玻璃墻全部采用細(xì)條豎狀玻璃，功能如百葉窗有利室內(nèi)通風(fēng)，且可見光透光率25%，遮陽不影響自然采光。在夏季高溫時，80%熱量被隔絕在室外，室內(nèi)保持舒適溫度。

2.3 太陽能利用

太陽能具有清潔無污染優(yōu)點(diǎn)，故在被動式超低能耗建筑中常通過太陽能技術(shù)來達(dá)到節(jié)能降耗目的。通常通過在屋頂設(shè)置太陽能系統(tǒng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能為屋內(nèi)電氣設(shè)備供電。例如2016年珠海興業(yè)太陽城研發(fā)樓項(xiàng)目被稱為“冬暖夏熱”地區(qū)最具代表的被動式超低能耗綠色建筑。該項(xiàng)目使用40余項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)與10多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在建筑上設(shè)置光伏幕墻，光伏系統(tǒng)年均可產(chǎn)生電力15萬kW·h，可旋轉(zhuǎn)式通風(fēng)光伏遮陽構(gòu)件兼具通風(fēng)、遮陽與光伏發(fā)電功能，冬季可將光伏板加熱的熱空氣引入室內(nèi)，將光伏幕墻如微型發(fā)電裝置設(shè)置于陽光集中區(qū)域，對無陽光照射處進(jìn)行綠化，室內(nèi)溫度可常年保持在20～26℃。在杭州某社區(qū)建筑改造中，利用鋁制材料導(dǎo)光板，既減少室內(nèi)光伏能源消耗，又避免陽光刺眼。在室外光線較強(qiáng)條件下，導(dǎo)光板上的片狀金屬環(huán)可遮擋光源，以免人體因光照性輻射強(qiáng)烈而受損。在室外光線較弱的情況下，利用導(dǎo)光板的垂直收集功能收集光源，以滿足室內(nèi)采光需求。

3 結(jié)語

被動式超低能耗建筑設(shè)計和傳統(tǒng)建筑設(shè)計原理不同，更注重與建筑所處環(huán)境的結(jié)合，通過對建筑所處環(huán)境的氣候及自然條件加以利用，在滿足居住舒適性的基礎(chǔ)上，確保建筑的節(jié)能環(huán)保，更注重室內(nèi)、外環(huán)境的交換與融合，不僅能為人們提供舒適的居住環(huán)境，而且能減少建筑能耗，是我國未來建筑發(fā)展的必然趨勢。