寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)策略研究

李紀(jì)偉 牛炳玲

（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院 河北保定 071002）

0 引言

建筑能耗已經(jīng)占到社會總體能耗的30%以上，建筑采暖、制冷等維持室內(nèi)舒適度的技術(shù)措施，會消耗大量能源，排放出溫室氣體，造成溫室效應(yīng)，使全球平均溫度不斷升高。為了應(yīng)對氣候變化，減少環(huán)境污染，我國開始發(fā)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(fā)展。《河北省被動式超低能耗建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)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(shè)900萬m2。

從建成項(xiàng)目和規(guī)模來看，目前超低能耗建筑的主要建設(shè)地點(diǎn)為北方，這些地區(qū)多處于寒冷地區(qū)。因此，需要根據(jù)寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，有針對性的分析氣候特點(diǎn)對于設(shè)計(jì)的影響，研究出更加適合北方地區(qū)的超低能耗建筑設(shè)計(jì)策略和方法。

1 寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn)

根據(jù)我國的熱工設(shè)計(jì)區(qū)劃，寒冷地區(qū)主要為華北地區(qū)，這些地區(qū)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(dá)5%，夏季濕度較高，可到90%以上。日照輻射較為強(qiáng)烈，總體輻射夏季較強(qiáng)、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(fēng)向?yàn)闁|南，冬季風(fēng)向?yàn)槲鞅盵2]。在進(jìn)行超低能耗建筑設(shè)計(jì)時要充分考慮這些氣候特征，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范才能更好的實(shí)現(xiàn)超低能耗的目標(biāo)。

2 被動式超低能耗建筑性能指標(biāo)要求

2.1 能耗指標(biāo)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(jù)自己的國情，要求寒冷地區(qū)要求冬季采暖指標(biāo)不能高于10kWh/（m2a），夏季制冷能耗不能高于20kWh/（m2a），室內(nèi)氣溫要求也比熱工設(shè)計(jì)規(guī)范高，要求冬季不低于20℃，夏季不高于26℃[3]。

2.2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能要求

圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，主要在傳熱方面有較高要求，一般非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)要求不大于0.15W/（m2·k）。而對于透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)則要求綜合傳熱系數(shù)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(yīng)該達(dá)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(qū)超低能耗建筑設(shè)計(jì)策略

寒冷地區(qū)有自己獨(dú)特的氣候特點(diǎn)，在進(jìn)行超低能耗設(shè)計(jì)時，應(yīng)進(jìn)行充分分析，同時結(jié)合建筑外部環(huán)境來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，才能獲得最佳的節(jié)能效果，具體原則如下：

3.1 建筑總體設(shè)計(jì)

超低能耗建筑在設(shè)計(jì)時應(yīng)從規(guī)劃布局開始，在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時要遵循寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn)，尤其是日照輻射要求進(jìn)行考慮。傳統(tǒng)建筑在設(shè)計(jì)時通常遵循日照設(shè)計(jì)管理規(guī)定進(jìn)行，如日照間距或日照時數(shù)等要求。超低能耗建筑的目標(biāo)是降低對傳統(tǒng)能源的依賴，在太陽能利用方面要求較高，原有的日照規(guī)范要求略顯不足，因此在超低能耗設(shè)計(jì)時要適當(dāng)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(shè)計(jì)

建筑平面設(shè)計(jì)是節(jié)能的關(guān)鍵要素之一，在平面設(shè)計(jì)時，應(yīng)使建筑平面簡潔，減少凹凸，降低體型系數(shù)。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(nèi)部或南側(cè)，溫度要求低的房間放在外部或北側(cè)。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)小，因此需要增加保溫層厚度，通常保溫層可達(dá)200mm以上，這對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高的要求，超低能耗建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)要盡量簡單，減少裝飾，避免裝飾構(gòu)件對圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體性的破壞，影響施工和使用效果。

3.4 無熱橋構(gòu)造設(shè)計(jì)

無熱橋構(gòu)造設(shè)計(jì)是超低能耗建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，熱橋設(shè)計(jì)決定了建筑節(jié)能的最終效果，影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布，濕度分布，如果設(shè)計(jì)不合理可能造成性能的大幅下降。在進(jìn)行無熱橋的構(gòu)造設(shè)計(jì)時，要選用傳熱系數(shù)低的材料作為建筑構(gòu)造的主要材料，如必需使用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，則需增加斷熱構(gòu)造處理。進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)時，盡量不破壞保溫層的連續(xù)性和完整性，減少保溫層兩側(cè)的連接，尤其是剛性連接。

3.5 遮陽設(shè)計(jì)

寒冷地區(qū)，夏季氣溫也較高，日照輻射會加速室內(nèi)溫度升高，增加制冷能耗。因此，盡管處于寒冷地區(qū)，仍然需要進(jìn)行遮陽設(shè)計(jì)。遮陽設(shè)計(jì)時需要根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥?、年氣溫變化等因素考慮遮陽方式。遮陽設(shè)計(jì)時不能單方面考慮夏季遮擋，同時應(yīng)對冬季的采暖進(jìn)行考慮。要求冬季時，遮陽設(shè)施不能影響日照輻射進(jìn)入室內(nèi)。這就要求對遮陽角度與方式進(jìn)行考慮，例如，采用水平遮陽，設(shè)計(jì)時可以根據(jù)春分作為分界。計(jì)算春分時太陽高度角，當(dāng)春分過后，隨著太陽高度角增加，遮陽開始，至夏至?xí)r達(dá)到完全遮陽。通過被動式的遮陽設(shè)計(jì)，可以更加合理的利用日照輻射。

3.6 室內(nèi)空氣質(zhì)量設(shè)計(jì)

由于超低能耗建筑的氣密性較高，因此室內(nèi)空氣流通性較低，室內(nèi)空氣質(zhì)量需要著重考慮。目前多采用新風(fēng)系統(tǒng)來保障空氣質(zhì)量，但在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該更加注重過渡季節(jié)的被動通風(fēng)措施，制定被動通風(fēng)計(jì)劃，最好能夠設(shè)計(jì)自動門窗控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)，控制門窗的開啟，保障室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

4 結(jié)語

超低能耗建筑是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，只有結(jié)合氣候特點(diǎn)，科學(xué)分析，選擇合理的技術(shù)措施，才能達(dá)到設(shè)計(jì)目的。在今后的發(fā)展中，應(yīng)更加注重研究氣候條件對設(shè)計(jì)的影響，以及舒適度對設(shè)計(jì)的要求，使超低能耗建筑更好的實(shí)現(xiàn)自身價值。