被動式超低能耗建筑在夏熱冬冷氣候區(qū)應(yīng)用分析

劉逸靈

蘇州大學(xué)建筑學(xué)院 江蘇 蘇州 215123

最近幾年，伴隨著全球氣候不斷變暖，節(jié)能減排就成為最為熱門的一個(gè)話題。建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展就是圍繞這一個(gè)問題在不斷的發(fā)展，原本的建筑已經(jīng)無法匹配現(xiàn)階段人們對于健康生活的實(shí)際需求。伴隨著綠色節(jié)能理念的不斷深入，人們對于居住環(huán)境的需求也在持續(xù)的轉(zhuǎn)變，綠色建筑比重逐漸的增加。那么，設(shè)計(jì)出環(huán)境舒適的，同時(shí)又能以自然氣候作為基礎(chǔ)的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對藝術(shù)和技術(shù)的整合的綠色節(jié)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(yīng)氣候和自然條件為基礎(chǔ)，利用氣密性和隔熱性都較高的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)，能夠保障室內(nèi)環(huán)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(shè)計(jì)為核心，以此來降低對于空調(diào)、取暖器等實(shí)際的依賴度，這樣就可以實(shí)現(xiàn)高舒適性、低成本的具體要求[1]。

1.1 超低能耗建筑技術(shù)要求高標(biāo)準(zhǔn)

基于技術(shù)控制分析，被動式建筑主要有兩套控制指標(biāo)的存在：能耗指標(biāo)以及室內(nèi)舒適度指標(biāo)。為了能夠滿足這兩種指標(biāo)的要求，對于建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料以及設(shè)備技術(shù)本身的要求較高。其本身的技術(shù)主要是包含了被動式建筑外窗、高效外保溫系統(tǒng)、無熱橋設(shè)計(jì)設(shè)備。

1.2 超低能耗建筑運(yùn)行能耗低

被動式超低能耗建筑強(qiáng)調(diào)使用無熱橋設(shè)計(jì)和性能好的外保溫層、氣密性良好的外圍結(jié)構(gòu)，相對于普通建筑能夠滿足90%的節(jié)能，同時(shí)通過一定的技術(shù)的新建筑物，也可以滿足75%以上的節(jié)能要求。

1.3 超低能耗建筑舒適性

最初設(shè)計(jì)被動式超低能耗建筑就是為了提供房屋保暖保障，設(shè)計(jì)保暖層則是讓室內(nèi)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(nèi)涼爽舒適的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，這屬于建筑設(shè)計(jì)的一大突破。

2 發(fā)展被動式超低能耗建筑的思考

2.1 技術(shù)上的規(guī)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(shù)上的規(guī)范與提高。對于技術(shù)指標(biāo)而言，國內(nèi)從1986年提出設(shè)計(jì)節(jié)能建筑的標(biāo)準(zhǔn)，30%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)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(qū)，《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》就要求節(jié)能75%的執(zhí)行，實(shí)際的外窗傳熱系數(shù)為1.5~2.0 W/（m2·k）。同時(shí)，在2015年，中國有關(guān)被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的第一部標(biāo)準(zhǔn)提出外窗傳熱系數(shù)≤1.0 W/（m2·k）的要求?，F(xiàn)如今國內(nèi)的被動式建筑設(shè)計(jì)建造技術(shù)和國外先進(jìn)技術(shù)相比依舊存在差距，所以就需要懂得引入一些更先進(jìn)的技術(shù)手段，向發(fā)達(dá)國家借鑒經(jīng)驗(yàn)，有效培訓(xùn)國內(nèi)建筑人才，最終提升被動式建筑的技術(shù)水平[2]。

在推廣被動式建筑方面，技術(shù)規(guī)范的支持也是不可或缺的，完善的技術(shù)體系以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，就可以引導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工的實(shí)施、優(yōu)化。盡管如今在建筑規(guī)范中尚未針對被動式建筑構(gòu)建完善的評價(jià)體系，但是對各氣候區(qū)建筑的設(shè)計(jì)到具體的實(shí)施以及后續(xù)的使用拆除，都構(gòu)建了評價(jià)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(dǎo)出來的導(dǎo)則之中大部分是針對居住型建筑，因?yàn)楣步ㄖ愋洼^為廣泛，而辦公樓和醫(yī)院以及學(xué)校等建筑物的實(shí)際耗能存在較大的差異，再加上不同區(qū)域的氣候特點(diǎn)存在一定的差異性，所以就很難使用相同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。國內(nèi)公共建筑對應(yīng)較高的能源指標(biāo)，總量也較大，因而有必要研究與各區(qū)域被動式超低能耗建筑更加匹配的公共建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，更有效地引導(dǎo)公共建筑的節(jié)能與高效建設(shè)、運(yùn)作。

2.2 地域性建設(shè)

被動式超低能耗建筑能夠與所在區(qū)域的氣候條件、自然環(huán)境等匹配，據(jù)此進(jìn)行房屋設(shè)計(jì)，尤其是針對降低建筑物的供暖空調(diào)負(fù)荷這一要求，需要通過選擇氣候來實(shí)施。對于建筑設(shè)計(jì)師而言，在被動式建筑設(shè)計(jì)中，除開對于技術(shù)原理與相關(guān)特性的了解之外，還要對地區(qū)不同的被動式建筑的有關(guān)技術(shù)參數(shù)、實(shí)際效果等有所了解，利用專業(yè)技術(shù)和區(qū)域氣候環(huán)境相互作用，進(jìn)而以被動式建筑關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，與本地實(shí)際環(huán)境相結(jié)合，構(gòu)建出具有鮮明地域特色的被動式建筑。

當(dāng)然，在制定標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，還需要考慮到建設(shè)被動式建筑示范工程的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，在不同區(qū)域選擇建筑材料、優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)以及運(yùn)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(qū)氣候特征分析

對夏熱冬冷區(qū)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(fēng)速等，由此可以確定設(shè)計(jì)策略來滿足氣候，進(jìn)而提出對應(yīng)的建筑策略。

3.1 夏熱冬冷地區(qū)日平均干球溫度氣候特征分析

在夏熱冬冷區(qū)域，夏季溫度較高，并且悶熱、潮濕，而冬季陰冷，并且夏季時(shí)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(qū)日總輻射量氣候特征分析

夏熱冬冷的地區(qū)，夏季有著相對強(qiáng)烈的太陽輻射，但是冬季較弱。所以，設(shè)計(jì)就需要考慮到太陽輻射本身對于建筑能耗本身產(chǎn)生的影響，通過科學(xué)有效地控制玻璃窗的面積、建筑色彩和遮陽等，就可以實(shí)現(xiàn)能耗的降低[4]。

3.3 夏熱冬冷地區(qū)日平均風(fēng)速氣候特征分析

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

基于上述的分析，對于夏熱冬冷的氣候區(qū)特征，其主要表現(xiàn)如下：

第一，在夏季，室外溫度是較高的，冬季室內(nèi)溫度則較低，需要在進(jìn)行被動式建筑設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)籌兼顧的考慮到冬季采暖以及夏季制冷，進(jìn)行綜合的考慮與分析。

第二，冬季西北盛行風(fēng)較強(qiáng)，夏季風(fēng)較弱，所以就需要保障冬季的防風(fēng)。

第三，無論是夏季還是冬季，潮濕環(huán)境會對舒適度產(chǎn)生一定的影響。所以，在長江中下游地區(qū)，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(qū)域的氣候條件、自然環(huán)境等，合理利用隔熱、通風(fēng)、太陽能與除濕等，就成為設(shè)計(jì)之中主要考慮的因素。

3.4 夏熱冬冷地區(qū)建筑形成的環(huán)境因素及特征

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

4 夏熱冬冷地區(qū)被動式超低能耗建筑應(yīng)用分析

4.1 總體規(guī)劃及建筑形體應(yīng)用設(shè)計(jì)

在夏熱冬冷地區(qū)的建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)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(nèi)，盡可能的減少空調(diào)的能耗，所以居住的建筑最好是設(shè)置為南偏向東或者是南偏向西的15°夾角。另外，在設(shè)計(jì)規(guī)劃之中還要考慮水體蒸發(fā)能夠吸收熱量的情況，對于熱季進(jìn)入到室內(nèi)的風(fēng)需要做好預(yù)冷，以此來減少降溫設(shè)施的能耗，比如空調(diào)，同時(shí)有效改善夏熱冬冷區(qū)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(shè)計(jì)中，還可以選擇凹進(jìn)平面的手法，通過擴(kuò)大迎風(fēng)面或者是減少進(jìn)深的方式來直接形成穿堂風(fēng)[5]。在豎向體形設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，主要是通過底層架空、退臺式、局部開洞等方式，從而實(shí)現(xiàn)對室外人行高度對應(yīng)風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化。

4.2 建筑遮陽隔熱應(yīng)用設(shè)計(jì)

針對被動式建筑而言，室內(nèi)人群在冬季開展活動產(chǎn)生的熱量和太陽輻射熱都能夠?qū)档蜔嶝?fù)荷發(fā)揮積極的作用，但是夏季的時(shí)候會產(chǎn)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(diào)等設(shè)施控制冷負(fù)荷，所以就要求通過被動式設(shè)計(jì)的手法來加以分析。

4.2.1 合理設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)后面設(shè)置窗戶，當(dāng)太陽光照射進(jìn)入到室內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)就會將其遮擋，達(dá)到遮陽的效果。比如上海同濟(jì)大學(xué)的中德學(xué)院就選擇的這樣的方式。因?yàn)橄募久媾R較強(qiáng)的太陽輻射，所以直接將窗戶斜向設(shè)置，并輔助挑出結(jié)構(gòu)與透明磨砂玻璃，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對于進(jìn)入室內(nèi)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(huán)境。

4.2.2 合理設(shè)置挑檐等固定的外遮陽構(gòu)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(nèi)遮陽構(gòu)件，外遮陽構(gòu)件能夠阻隔到70%-85%的太陽輻射熱，節(jié)能效果良好。直接在建筑物屋頂進(jìn)行巨大挑檐的設(shè)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(qiáng)烈的夏熱冬冷區(qū)域，是很好的例子之一。檐部出挑深遠(yuǎn)，盡管不能根據(jù)太陽的高度自動調(diào)整角度，但是也能發(fā)揮良好的太陽輻射遮擋作用。同時(shí)，接建筑氣質(zhì)來進(jìn)行對應(yīng)的設(shè)計(jì)，就可以將遮陽隔熱的作用完全發(fā)揮出來，并且還可以發(fā)揮出文化作用，有效強(qiáng)化建筑物的視覺效果。

圖1 上海大劇院

4.2.3 設(shè)置外裝式百葉等可調(diào)式外遮陽構(gòu)件來遮陽隔熱

利用挑檐不同等固定外遮陽構(gòu)件有助于提高遮陽效果，但這在夏熱冬冷地區(qū)不是最佳解決方案，原因主要在于在夏季冷負(fù)荷降低的同時(shí)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(diào)的方式，外遮陽構(gòu)件可調(diào)，伴隨太陽移動位置和不斷改變室內(nèi)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(yè)養(yǎng)老基金會的設(shè)計(jì)，托馬斯·赫爾佐格就使用了這一種方式。在陰天，構(gòu)件以利用頂光反射到板底樓底提供照明為主。當(dāng)光照強(qiáng)烈時(shí)，會直接旋轉(zhuǎn)為遮陽的最佳角度，據(jù)此實(shí)現(xiàn)建筑物室內(nèi)舒適性的提高[7]。

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)

針對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱和保溫，對室內(nèi)環(huán)境會產(chǎn)生直接的影響。所以，需要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分具備的冬季保溫性能、夏季隔熱性能。只是現(xiàn)階段夏熱冬冷區(qū)域的居住建筑中設(shè)計(jì)節(jié)能維護(hù)結(jié)構(gòu)的意識還相對薄弱。

4.3.1 開口設(shè)計(jì)

窗墻比的合理以及開口位置的恰當(dāng)，屬于開口設(shè)計(jì)的基本要求。對于條件允許的情況下，需要對于建筑進(jìn)出風(fēng)口成對設(shè)計(jì)加以考慮，如果只能夠單側(cè)通風(fēng)，那么就需要對于迎風(fēng)面的開口加以考慮。但是單個(gè)的房間能夠滿足多個(gè)開口的時(shí)候，就能考慮相鄰開口之間的距離，這樣能促進(jìn)空氣的流動。

4.3.2 外墻設(shè)計(jì)

目前，建筑節(jié)能保溫墻體主要涉及到自保溫墻體、復(fù)合保溫墻體。從經(jīng)濟(jì)性的角度來分析，發(fā)現(xiàn)自保溫墻體不能得到有效使用，復(fù)合保溫墻體的應(yīng)用則越來越多。為了預(yù)防外墻外保溫技術(shù)阻礙夏熱冬冷地區(qū)建筑業(yè)的發(fā)展，在建筑節(jié)能降耗上起到反作用，應(yīng)在其住宅建筑中考慮使用外墻內(nèi)保溫技術(shù)。與此同時(shí)，對于不同朝向墻體，其設(shè)計(jì)和構(gòu)造不能一概而論，比如對冬季主導(dǎo)風(fēng)向迎風(fēng)面的外墻要實(shí)施加厚處理。

4.3.3 透光構(gòu)件設(shè)計(jì)

針對窗框和玻璃等透光構(gòu)件材料，應(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)相對較低的材料，并考慮對節(jié)能玻璃的選擇和使用。針對被動式建筑，南向窗是集熱構(gòu)件，然而東西北向不屬于集熱窗，在東西墻過量開窗，會導(dǎo)致夏季室內(nèi)過于的炎熱，北向過量開窗又會進(jìn)一步在冬季加重?zé)釗p失。因此，就需要做好各個(gè)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(fēng)滲透。

4.3.4 屋面設(shè)計(jì)

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(nèi)傳熱劇烈，這樣就會對室內(nèi)溫度產(chǎn)生較大的影響，在夏季尤其的明顯。在夏熱冬冷的地區(qū)，建造屋頂花園，就可以披上天然的保護(hù)層。在夏季溫度較高的時(shí)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(shí)候，植物可以作為天然的“被子”來發(fā)揮保溫的作用。并且建造屋頂花園，不僅可以發(fā)揮保溫隔熱的作用，同時(shí)也可以讓居住的人員充分的參與到種植之中，以此來增強(qiáng)人們對于這一個(gè)空間的親近感。

5 總結(jié)

總而言之，建筑節(jié)能問題會對建筑的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生直接的影響。在當(dāng)前能源緊張的大環(huán)境下，做好建筑的改革是至關(guān)重要的。考慮到夏熱冬冷地區(qū)氣候條件的特殊性，就需要通過合理有效的措施進(jìn)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(xù)發(fā)展需求。