被動式超低能耗建筑設(shè)計分析

王 斌 張冀友 郭 淳

(華通設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建筑設(shè)計，通過使用熱回收技術(shù)，利用可再生能源，為人們提供舒適、怡人的居住環(huán)境，相關(guān)設(shè)計要符合不同地區(qū)的氣候特征和自然條件，保證建筑的優(yōu)良性能。

1 被動式超低能耗建筑設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 設(shè)計策略

被動式建筑的設(shè)計策略以降低能耗為主，通過節(jié)省照明用電、采暖用電、生活用水等方式，加強(qiáng)能源的利用率，將日常能源需求量降到最低。設(shè)計內(nèi)容要包括濕度方面、空氣質(zhì)量層面和環(huán)境因素等。要通過規(guī)劃合理有效的設(shè)計方案，提高建筑設(shè)計質(zhì)量；要采用自然通風(fēng)采光、外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yàn)。

1.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

對于房屋建筑來說，其體型系數(shù)要控制在0.27～0.49之間，從而有效降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成的熱能損失。內(nèi)部墻體和界面的設(shè)計要保證協(xié)同關(guān)系，要充分利用太陽能，合理規(guī)劃建筑結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)自然能量的轉(zhuǎn)換。被動式建筑要根據(jù)不同地區(qū)制定不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，比如在氣溫較低的東北地區(qū)，要加強(qiáng)地理環(huán)境的運(yùn)用，通過調(diào)整頂板的角度，抵御強(qiáng)風(fēng)貫穿、阻擋寒流涌入室內(nèi)。按照國家制定的設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)手冊，細(xì)化具體內(nèi)容，保證采暖一次能源消耗量不高于15KWh/m2，制冷負(fù)荷不超過11W/m2。在設(shè)計時要運(yùn)用3D建模技術(shù)建立工程模型，幫助設(shè)計人員更直觀的觀察建筑結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，制定詳細(xì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料要求

2 被動式超低能耗建筑設(shè)計的實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)前建筑設(shè)計缺少外部環(huán)境差異的分析，沒有按照地區(qū)的平均氣溫采取針對性的措施，部分地區(qū)能源消耗過高，企業(yè)沒有結(jié)合工程現(xiàn)場情況進(jìn)行設(shè)計調(diào)整，使相關(guān)設(shè)計方案往往不切實(shí)際，因此各建筑企業(yè)需要強(qiáng)化被動式超低能耗建筑設(shè)計的實(shí)際應(yīng)用，提高自然能源的保護(hù)和利用，為人民提供良好的生活環(huán)境。

2.1 保溫系統(tǒng)

首先，技術(shù)人員要加強(qiáng)對保溫、采暖系統(tǒng)材料的選擇，相關(guān)施工材料要嚴(yán)格符合施工標(biāo)準(zhǔn)，確保材料的無污染、綠色化，避免在施工過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題，當(dāng)前大多數(shù)被動式超低能耗建筑選用的材料為無機(jī)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(qiáng)，能夠幫助設(shè)計人員在設(shè)計系統(tǒng)時，提高操作的可行性，提高保溫層的厚度。其次，保溫系統(tǒng)的設(shè)計要注重散熱功能，通過加強(qiáng)墻面的垂直綠化和通風(fēng)墻、蒸發(fā)墻面的設(shè)計，將高溫產(chǎn)生的熱量快速消散。比如：我國的南方地區(qū)在冬季經(jīng)常會出現(xiàn)建筑物室內(nèi)熱量大量流失的問題，建筑企業(yè)可通過使用復(fù)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(qiáng)屋面保溫系統(tǒng)的設(shè)計，傳統(tǒng)的保溫材料已經(jīng)無法滿足時代發(fā)展的需求，相關(guān)企業(yè)要加強(qiáng)建筑的一體化設(shè)計，盡可能加強(qiáng)建筑的使用壽命。在屋面保溫中要進(jìn)行蓄水、種植，將通風(fēng)空氣層夾板放置在隔熱屋面上，促進(jìn)空氣流通，加強(qiáng)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(guān)材料上鋪設(shè)混凝土保護(hù)層，提高保溫系統(tǒng)的保溫效果[1]。

2.2 門窗系統(tǒng)

第一，要加強(qiáng)門窗節(jié)點(diǎn)的處理，提高窗框的保溫性能。圍護(hù)結(jié)構(gòu)要確保高質(zhì)量、高強(qiáng)度，并且構(gòu)造合理，要根據(jù)實(shí)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(tǒng)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(zhì)框架通過螺栓固定的形式進(jìn)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(jīng)過系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎?，使窗框的熱損度降至窗體熱損度的30%。要進(jìn)一步優(yōu)化窗體的氣密性，防止內(nèi)部構(gòu)件由于空氣流通產(chǎn)生縫隙，通過加設(shè)封條或使用彈性優(yōu)良、組裝牢固的橡膠條進(jìn)行密封處理，降低室內(nèi)外空氣的交換，使能源損失量保持在合理的范圍內(nèi)[2]。

2.3 自然采光與通風(fēng)

自然采光與通風(fēng)是被動式超低能建筑工程建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在設(shè)計時要注意工程地點(diǎn)的自然環(huán)境條件，收集相關(guān)氣候信息數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況分析、研究、確定最優(yōu)的方案策略。在工程中要對內(nèi)側(cè)的抹灰層進(jìn)行縫隙封堵，確保氣密性嚴(yán)實(shí)，同時在內(nèi)側(cè)設(shè)置防水膜，進(jìn)而保證相關(guān)使用電線不會被室內(nèi)的水蒸氣浸泡，出現(xiàn)電路故障，要按照30m2/h的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)，保證空氣過濾等級在G4以上，并在進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)管道上安裝消音設(shè)備，降低通風(fēng)時產(chǎn)生的噪音。

2.4 節(jié)能規(guī)劃

首先，要做好建筑工程的平面設(shè)計，確定建筑的采光角度、綠化率和相關(guān)玻璃界面的反光系數(shù)，要確保建筑室內(nèi)外的壓強(qiáng)值低于1.5Pa。位于迎風(fēng)面的墻體要提高熱島效應(yīng)，能夠利用周邊樹木或建筑物有效抵擋強(qiáng)風(fēng)的侵襲。其次，要提高非透明的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)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(diào)板要使用挑梁式構(gòu)造，在進(jìn)行設(shè)備管道施工時預(yù)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(jié)構(gòu)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(qiáng)窗框與墻體的連接，通過使用挑梁式結(jié)構(gòu)，使原本的線熱橋變?yōu)辄c(diǎn)熱橋，在首層的外墻基礎(chǔ)上使用粘性塑板，確保在進(jìn)行隔熱處理時，能夠深入地下至少1m的距離。

2.5 朝向設(shè)置

被動式超低能耗建筑設(shè)計要注意建筑物的朝向設(shè)置，要盡可能采用南北朝向的設(shè)計方式，從而提高采光度和自然通風(fēng)量，相關(guān)技術(shù)人員要結(jié)合不同地區(qū)的地勢、地貌進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，避免房屋遭受陽光的直射。在建筑型體設(shè)計中，要盡可能體現(xiàn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜化。并且被動式建筑要注意保持合理的風(fēng)速與風(fēng)量，使建筑穿堂風(fēng)能夠有效成型，為后期設(shè)計提供便利。相關(guān)朝向設(shè)計要盡可能保證建筑成本和節(jié)能損耗間的經(jīng)濟(jì)平衡，能夠有效提高各建筑產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，使其符合國家規(guī)定的相關(guān)能源使用標(biāo)準(zhǔn)，為人民群眾提供良好的建筑環(huán)境，提高人民生活質(zhì)量，調(diào)動人們的選購欲望。

3 被動式超低能耗建筑設(shè)計實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)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(nèi)部采用了較多的環(huán)保、綠色材料，在降低能耗的基礎(chǔ)上提高體育場館的實(shí)用性。

3.2 技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 高絕熱維護(hù)結(jié)構(gòu)

該體育場館外墻的平均傳熱系數(shù)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(shù)不僅高于該市的建筑平均節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，甚至高于我國北方地區(qū)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，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(fā)生結(jié)霜問題導(dǎo)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(shè)置了風(fēng)道出口，并加裝了一定量的加熱盤管，保持管內(nèi)的水溫在30℃。該體育場館的樓板結(jié)構(gòu)層中含有一定的混凝土芯層，底板與結(jié)構(gòu)層間為夾層，在夾層中設(shè)置了新風(fēng)管。毛細(xì)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(fēng)管空氣能夠在循環(huán)流動過程中進(jìn)行再次加熱，暖房器能夠誘導(dǎo)夾層氣流對室內(nèi)進(jìn)行有效加溫。

3.3 空調(diào)與地源熱泵

該體育場館保溫性能良好，建筑物內(nèi)冷熱負(fù)荷較小，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)保地源熱泵的有效使用。依據(jù)綠色環(huán)保等要求，該體育場館在選擇地源熱泵機(jī)時，重視建筑物冷熱負(fù)荷的相關(guān)特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)對地?zé)豳Y源的合理、科學(xué)利用，選擇的是熱量為52kw、制冷量為46kw熱泵機(jī)組，有效實(shí)現(xiàn)夏季空調(diào)冷負(fù)荷和冬季采暖熱負(fù)荷。

3.4 特殊制冷方式

地源熱泵機(jī)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(nèi)場館溫度保持均勻、無噪聲，提高了室內(nèi)場館的舒適程度。配置適量的風(fēng)機(jī)盤管有助于在夏季提供一定冷量的同時加強(qiáng)除濕效果。

3.5 熱回收新風(fēng)系統(tǒng)

頂層設(shè)備的用房內(nèi)設(shè)置了新風(fēng)機(jī)組，新風(fēng)機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)超過95%以上的熱回收率。同時，熱風(fēng)機(jī)組含有兩個加熱段，能夠確保夏季與冬季的溫度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用風(fēng)道實(shí)現(xiàn)熱量的有效傳遞。場館內(nèi)部設(shè)置的對流供暖裝置能夠有效誘導(dǎo)室內(nèi)空氣進(jìn)行反復(fù)循環(huán)，再通過混凝土芯層進(jìn)行二次加熱。

4 被動式超低能耗建筑發(fā)展趨勢

4.1 彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)不足

當(dāng)前，我國被動式超低能耗建筑方面存在技術(shù)成熟度不夠、技術(shù)水平參差不齊以及建筑標(biāo)準(zhǔn)不一等問題。因此，在未來的被動式超低能耗建筑中應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)的研究，重視人力、物力以及財力的投入，為技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新提供支持與保障，不斷完善技術(shù)性能，提升技術(shù)水平。作為建筑設(shè)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(fēng)能等綠色環(huán)保能源，提高保溫材料的應(yīng)用能力，優(yōu)化與完善建筑保溫圍護(hù)以及無熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計。除此之外，應(yīng)重視太陽能輻射采暖的應(yīng)用，強(qiáng)化先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用效果，滿足被動式超低能耗施工。應(yīng)從因地制宜等角度出發(fā)，以建筑施工地區(qū)的實(shí)際情況為主，制定具有針對性的被動式超低能建筑設(shè)計方案和要求，確保被動式超低能耗建筑施工規(guī)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(shè)計中，為進(jìn)一步降低施工建設(shè)成本，需要重視被動式超低能耗建筑整體建設(shè)效果，采用性能完善、質(zhì)量較高的本土材料。以就地取材的方式，降低材料的整體運(yùn)輸成本，最大程度降低建筑工程項(xiàng)目成本。被動式超低能耗建筑受到各界的廣泛關(guān)注的同時，作為政府應(yīng)發(fā)揮自身的主體作用，加強(qiáng)各建筑單位、建筑材料企業(yè)以及科研單位的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的資源共享。鼓勵建筑企業(yè)積極引進(jìn)先進(jìn)的材料技術(shù)，通過加大自主研發(fā)的力度從而獲得更優(yōu)質(zhì)的材料產(chǎn)品。除此之外，我國應(yīng)重視國際質(zhì)量管理體系的應(yīng)用，建立相關(guān)被動式超低耗能材料相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證體系，嚴(yán)格落實(shí)建筑材料的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)目錄的有效編制。禁止不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的材料進(jìn)入施工現(xiàn)場以及市場。

5 結(jié) 論

綜上所述，通過分析被動式超低能耗建筑設(shè)計基礎(chǔ)以及當(dāng)前建筑設(shè)計存在的內(nèi)外環(huán)境差異大、缺少實(shí)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(shè)計在保溫系統(tǒng)、門窗系統(tǒng)、自然采光與通風(fēng)、節(jié)能規(guī)劃、朝向設(shè)置等方向上的應(yīng)用，從而推動我國建筑行業(yè)發(fā)展，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長。