蔡銀蘭
(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,天津 300070)
通過(guò)有效方式發(fā)揮建筑的節(jié)約能源成效是被動(dòng)式住宅建筑的最高要求,單純利用自然條件無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的效果。開(kāi)展住宅建筑的被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是達(dá)到理想化建設(shè)狀態(tài),即在炎熱的夏季,室內(nèi)溫度應(yīng)保持在25℃以下,在寒冷的冬季,室內(nèi)溫度應(yīng)保持在20℃以上;同時(shí),室內(nèi)濕度應(yīng)維持在40%~60%,被動(dòng)式住宅建筑的室內(nèi)門窗要求無(wú)結(jié)露。為使住宅建筑體現(xiàn)節(jié)能成效,當(dāng)前設(shè)計(jì)應(yīng)多關(guān)注新風(fēng)、門窗、保溫、氣密性等方面(見(jiàn)圖1)。
圖1 被動(dòng)式住宅技術(shù)原理
被動(dòng)式住宅建筑起源于20世紀(jì)90年代的德國(guó)著名金融中心城市法蘭克福。此類住宅使用超厚的絕熱材料和復(fù)雜的門窗,主要通過(guò)住宅本身的構(gòu)造做法達(dá)到高效的保溫隔熱性能,并利用太陽(yáng)能和家電設(shè)備的散熱為居室提供熱源,減少或不使用主動(dòng)供應(yīng)的能源,即便是需要提供其他能源,也盡量采用清潔可再生能源(見(jiàn)圖 2)。
圖2 世界首棟被動(dòng)式住宅
在被動(dòng)式住宅建筑建設(shè)前期,針對(duì)項(xiàng)目周邊的氣候、地形、溫度等條件開(kāi)展分析工作,擇取相對(duì)適宜的建設(shè)地點(diǎn),可有效利用自然條件影響降低對(duì)能源的消耗量;在被動(dòng)式住宅建筑建設(shè)過(guò)程,應(yīng)用施工舉措使所消耗材料發(fā)揮出環(huán)保成效,并對(duì)其建造方法、建筑材料、拆除方式等方面實(shí)施嚴(yán)密監(jiān)測(cè),確保其符合節(jié)能要求。
為達(dá)到節(jié)能目的,被動(dòng)式住宅建筑設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減少外墻面積,同時(shí)應(yīng)盡量采用南北朝向以更好地利用太陽(yáng)能。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,東西朝向若設(shè)計(jì)大面積開(kāi)窗,須有相應(yīng)的人工或自然遮陽(yáng)設(shè)施。
與普通住宅建筑相比,被動(dòng)式住宅建筑一般無(wú)須配備暖氣設(shè)備。若想達(dá)到室內(nèi)保溫效果,應(yīng)做好密閉性處理。針對(duì)住宅建筑開(kāi)展妥善的保溫設(shè)計(jì),并對(duì)住宅門窗實(shí)施特殊的保溫及熱隔離處理。
為降低水消耗量,可通過(guò)有效方式收集雨水,并將其用于花園澆灌、沖刷廁所。被動(dòng)式住宅建筑可利用屋頂?shù)奶?yáng)能加熱裝置實(shí)現(xiàn)熱水供應(yīng),若有更高需求,可額外增設(shè)天然氣加熱裝置。從具體消耗量來(lái)看,普通住宅建筑每年需使用天然氣1 500~2 000L,被動(dòng)式住宅建筑每年需要天然氣150~250L。
被動(dòng)式住宅建筑有較強(qiáng)的密閉性,故做好通風(fēng)處理意義重大,可防止霉變發(fā)生,但可能會(huì)帶來(lái)能源損失,故需應(yīng)用新式設(shè)備解決這一問(wèn)題。同時(shí),利用熱循環(huán)交換器降低通風(fēng)熱損失。
被動(dòng)式住宅建筑布局應(yīng)充分考慮日照條件及風(fēng)環(huán)境。
1)日照條件 建筑布局應(yīng)充分考慮日照間距,如我國(guó)北方地區(qū)的住宅建筑應(yīng)考慮城市的緯度開(kāi)展合理化布局。一般而言,大城市住宅建筑冬至日應(yīng)確保每天至少有2h的日照時(shí)長(zhǎng),小城市住宅建筑應(yīng)確保每天至少有3h的日照時(shí)長(zhǎng)。值得說(shuō)明的是,相關(guān)數(shù)值會(huì)受到城市氣候區(qū)域影響,且日照間距會(huì)受到建筑高度以及太陽(yáng)高度角的影響。由此可見(jiàn),日照間距確定須參照相關(guān)規(guī)范針對(duì)建筑高度實(shí)時(shí)調(diào)整。若大城市住宅建筑周圍存在較多建筑物,日照高度基本穩(wěn)定,則僅需計(jì)算建筑高度就能作出相關(guān)調(diào)整,進(jìn)而提出合理的方案。
2)風(fēng)環(huán)境 從自然風(fēng)的角度來(lái)看,一般需考慮下風(fēng)向以及上風(fēng)向的影響。為達(dá)到受風(fēng)均勻目的,建筑可應(yīng)用自由化布局方案以確保其實(shí)現(xiàn)冬季防風(fēng)、夏季通風(fēng),利用此法降低建筑能源過(guò)多消耗。
建筑采暖能耗會(huì)受到建筑形體影響,合理的建筑體形系數(shù)可有效控制建筑采暖能源消耗。如我國(guó)寒冷的北方地區(qū)開(kāi)展建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)住宅建筑體形系數(shù)有明確規(guī)定:1~3層建筑的體形系數(shù)為0.50;4~8層建筑的體形系數(shù)為0.30;9~13層建筑的體形系數(shù)值為0.28;14層及14層以上建筑的體形系數(shù)值為0.28以下。由此看出,將被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用于建筑單體時(shí),需對(duì)建筑的體形系數(shù)加以嚴(yán)格控制。同時(shí),應(yīng)注重套型設(shè)計(jì),單個(gè)房間設(shè)計(jì)需參考具體的環(huán)境條件。
倒置式屋面設(shè)計(jì)方案是于傳統(tǒng)建筑屋面構(gòu)造內(nèi)將防水層和保溫層倒置,保溫層材料具有疏水性,故可取得較好的節(jié)能效果。倒置式屋面設(shè)計(jì)方案既能降低房屋造價(jià),又可有效規(guī)避防水層變形,延長(zhǎng)其使用壽命。
外墻能耗占建筑物總體能耗的40%。外墻節(jié)能設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于控制外墻隔熱保溫系數(shù)。熱橋效應(yīng)是降低墻體保溫隔熱性能的關(guān)鍵要素,故將保溫層置于外墻結(jié)構(gòu)的最外側(cè),可生成建筑高效保溫層,降低外界環(huán)境對(duì)建筑物的影響,減少熱橋生成量。同時(shí),其與裝飾面之間形成的空氣層能有效保護(hù)保溫層。
建筑物內(nèi)外熱交換最活躍的位置為玻璃。建筑門窗節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)以不干擾建筑功能為前提,盡量降低窗墻比。此外,相較于普通中空玻璃,高性能玻璃的保溫及隔熱性能更佳,能全面減少室內(nèi)外熱傳導(dǎo)。外墻應(yīng)用斷橋鋁合金窗框以及中空玻璃,全面強(qiáng)化窗框與窗口連接位置的斷橋節(jié)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)較好的保溫隔熱效果。同時(shí),提高安裝精準(zhǔn)度及安裝密封條等方式可在原有基礎(chǔ)上有效提高門窗的密封性能,降低室內(nèi)外空氣的滲透率。
1)地道通風(fēng)組織 地道風(fēng)的特征為溫度適合、冬暖夏涼。風(fēng)道造價(jià)便宜,可對(duì)新風(fēng)實(shí)施預(yù)熱以及預(yù)冷處理。應(yīng)用地道通風(fēng)方式可全面減少冬季采暖和夏季制冷的能量消耗。
2)豎井通風(fēng)組織 豎井又被稱為拔風(fēng)煙囪。豎井上方為玻璃天窗,太陽(yáng)光照射到玻璃天窗后,會(huì)令豎井的溫度及熱空氣流動(dòng)速度提高,此為熱壓效應(yīng)。建筑門窗為進(jìn)風(fēng)口,其與豎井玻璃天窗排風(fēng)口有一定高度差,此類高度差生成風(fēng)壓。熱壓與風(fēng)壓的耦合作用可進(jìn)一步強(qiáng)化自然通風(fēng)流動(dòng)速度。
3)場(chǎng)地自然通風(fēng) 場(chǎng)地設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合冬季及夏季的自然風(fēng)向。建筑平面設(shè)計(jì)利用轉(zhuǎn)折、扭曲等辦法,加大朝向夏季主要方向的外立面,同時(shí)應(yīng)規(guī)避與冬季主風(fēng)向生成90°角,合理利用有利風(fēng)向,規(guī)避不利風(fēng)向?qū)ㄖ锏牟涣加绊懀ㄒ?jiàn)圖3)。
圖3 場(chǎng)地自然通風(fēng)
目前,能源過(guò)度消耗已成為阻礙我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展的重要問(wèn)題,應(yīng)從污染嚴(yán)重、能源消耗高的行業(yè)著手,積極貫徹落實(shí)綠色環(huán)保理念。推廣被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)、發(fā)展綠色住宅建筑是推進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方式,可為民眾提供良好的生活環(huán)境。