被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用

李 磊 (青島中德生態(tài)園管理委員會 山東 青島 266426)

引言

隨著城市的迅速崛起和社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人們有更多的精力和經(jīng)濟(jì)去追求更好的居住環(huán)境。然而,由于居住人口密度增加,碳排放帶來了一系列空氣質(zhì)量和能源消耗問題。能源產(chǎn)出與能源消耗之間的矛盾日益突出,建筑能耗伴隨著建筑總量的不斷攀升和人們對居住舒適度要求的提高,呈急劇上升趨勢。在如此嚴(yán)峻的時(shí)代背景下,被動式超低能耗建筑的相關(guān)技術(shù)迅速迭代成熟,憑借其超低建筑能耗和提供人們舒適的居住環(huán)境,成為了國家支持、開發(fā)商熱衷、購房者首選的市場寵兒,甚至被稱為當(dāng)下居住環(huán)境的終極形態(tài),成為了建筑節(jié)能行業(yè)最熱門的話題之一。被動式超低能耗建筑也稱為被動式房屋、被動屋等,是一種全新的節(jié)能建筑概念,是指僅依靠建筑本身的構(gòu)造設(shè)計(jì),就能達(dá)到舒適的室內(nèi)溫度,滿足冬暖夏涼的要求,不需要單獨(dú)再安裝供暖設(shè)施的建筑,即不需要“主動”提供能量的一種建筑。被動式房屋其內(nèi)涵包括采用各種節(jié)能技術(shù)構(gòu)造最佳的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu),極大限度地提高保溫隔熱性能和氣密性,使熱傳導(dǎo)損失最小化;通過技術(shù)手段盡可能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)舒適的熱濕環(huán)境和采光環(huán)境;最大限度降低對主動式采暖和制冷系統(tǒng)的依賴,如充分利用室內(nèi)生活熱量和可再生能源,實(shí)現(xiàn)舒適的居住環(huán)境,從而大大降低對一次能源的消耗。

1 被動式超低能耗建筑簡介

被動式超低能耗建筑是近些年發(fā)展起來的一種新型建筑。與傳統(tǒng)建筑不同,其在保證建筑使用效果的同時(shí),還能減少能源消耗,因此在近些年受到了人們的廣泛關(guān)注。具體而言,被動式超低能耗建筑的優(yōu)勢主要集中在以下幾個(gè)方面:

(1)可以保證建筑使用者的舒適感受。被動式超低能耗建筑在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中充分利用了當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣骱妥匀粭l件,可以在不使用溫度調(diào)節(jié)裝置的情況下滿足人們?nèi)粘Ｐ枨?。尤其是通過使用一些性能優(yōu)良的透氣材料和隔熱材料,可以提高建筑整體的舒適性。

(2)使用的建筑材料節(jié)能環(huán)保性較強(qiáng)。這一情況與普通建筑存在較大差異。在開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)工作過程中,其會依據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際溫度條件等對建筑材料進(jìn)行調(diào)整,一方面減少建筑材料對人體的傷害,尤其是對一些甲醛等有毒有害物質(zhì)可以進(jìn)行有效控制。另一方面選擇使用的建筑材料節(jié)能環(huán)保,可以循環(huán)使用,降低了對環(huán)境造成的影響。

(3)與傳統(tǒng)建筑之間最大的區(qū)別在于其節(jié)約能源的效果較好。在炎熱的夏季或者寒冷的冬季,被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)可以在不使用各種溫度調(diào)節(jié)裝置的情況下滿足人們的日常生活需求,使得建筑使用者能夠始終保持良好的舒適性。

2 開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的重要性分析

改革開放以來,我國社會經(jīng)濟(jì)迎來了快速發(fā)展的時(shí)期,人們對生活質(zhì)量的要求也在不斷提升。尤其是對生活環(huán)境和居住環(huán)境的要求也在不斷提高。傳統(tǒng)的建筑雖然可以在很大程度上滿足人們對生活條件的要求,但是需要借助各種設(shè)備。例如,為了確保室內(nèi)溫度,在夏季和冬季需要使用溫度調(diào)節(jié)裝置。而對于一些居住人口密集的大型建筑而言,溫度調(diào)節(jié)裝置的使用需要消耗大量的能源。這一情況就與當(dāng)前我國開展的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相違背,因此近些年低能耗的建筑設(shè)計(jì)成為我國建筑行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步使得當(dāng)前我國建筑行業(yè)迎來了快速發(fā)展的時(shí)期。建筑行業(yè)作為能源密集型產(chǎn)業(yè),其能源消耗一直以來受到了人們的廣泛關(guān)注。尤其是隨著近些年我國積極開展可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以來,環(huán)境保護(hù)問題已經(jīng)成為建筑行業(yè)發(fā)展過程中無法忽視的問題。為了解決這一問題,我國建筑行業(yè)在近些年的發(fā)展過程中積極開展了各種形式的創(chuàng)新,同時(shí)積極引進(jìn)了新型設(shè)計(jì)理念,在能源節(jié)約等方面取得了極大的進(jìn)步。但是,要保證在節(jié)約能源的同時(shí)滿足人們對建筑的各項(xiàng)要求,成為建筑行業(yè)面臨的一個(gè)重要問題。而被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)則可以有效實(shí)現(xiàn)這一問題的解決。與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)理念和模式不同,被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)在開展建筑設(shè)計(jì)階段從設(shè)計(jì)理念到選擇的建筑材料等各個(gè)方面入手,充分利用了當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和氣候條件,有效解決了傳統(tǒng)建筑理念中存在的一些能耗過高等問題。在不使用一些能源消耗設(shè)備的情況下滿足人們對建筑的各項(xiàng)需求,從而實(shí)現(xiàn)低能耗、高質(zhì)量的效果,為我國建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展開辟了新的途徑,為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施提供了有力的支撐。因此,積極開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)研究工作具有重要意義。

3 被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)研究

3.1 應(yīng)用環(huán)境氣候分析,降低建筑使用能耗

較高的能源消耗是當(dāng)前我國建筑行業(yè)發(fā)展過程中需要解決的一個(gè)重要問題。通過采取各種有效的方式降低建筑在使用過程中產(chǎn)生的能源消耗,才能符合當(dāng)前我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的各項(xiàng)要求。被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)作為當(dāng)前低能耗建筑設(shè)計(jì)種類的一個(gè)重要設(shè)計(jì)方向,要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就必須做好環(huán)境分析工作。在實(shí)際開展設(shè)計(jì)工作過程中,必須能夠?qū)夂颦h(huán)境對建筑物產(chǎn)生的影響作為一項(xiàng)重要工作進(jìn)行研究。通過這種方式可以有效降低氣候環(huán)境對建筑舒適度產(chǎn)生的影響,從而降低能源的消耗。因此,在開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)人員必須充分認(rèn)識到氣候與室外氣候條件之間的聯(lián)系,針對當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)開展設(shè)計(jì)工作,從而獲得良好的設(shè)計(jì)效果。但是,從實(shí)際情況而言,當(dāng)前對于環(huán)境氣候?qū)ㄖa(chǎn)生的影響尚未有合適的量化工具和測量手段,因此在開展設(shè)計(jì)工作過程中并不能充分了解氣候條件對建筑產(chǎn)生的影響。

經(jīng)過多年的發(fā)展,我國現(xiàn)階段針對環(huán)境氣候?qū)ㄖa(chǎn)生的影響,其測量方法主要有兩種。一種為圖像影響分析,另一種是表格分析。這兩種分析方法主要是從氣候環(huán)境對人體舒適度造成的影響等方面出發(fā)進(jìn)行的研究。但是,在實(shí)際使用過程中可能受到地域環(huán)境等因素的影響較為嚴(yán)重。尤其是由于我國地域廣大,不同地區(qū)在氣候條件等方面存在的差異較為明顯,因此在實(shí)際開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)過程中要依據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況構(gòu)建合適的分析體系,才能真正實(shí)現(xiàn)對氣候環(huán)境的有效應(yīng)用。但是,當(dāng)前在開展設(shè)計(jì)工作過程中,對環(huán)境氣候分析的難點(diǎn)主要集中在室內(nèi)氣候受室外環(huán)境氣候影響等方面。受到技術(shù)條件等因素的影響,當(dāng)前被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)在這一方面的研究依然存在較多的問題,因此尚需進(jìn)一步的發(fā)展。

3.2 室外典型氣候的精細(xì)化表征方法研究

被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)是一門綜合性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)理念,其要將室內(nèi)外氣候分析技術(shù)和人體舒適度相結(jié)合,從而在充分利用室外氣候條件的情況下滿足人們對建筑的實(shí)際需求。因此,在開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)過程中,需要通過各種方式對室外氣候的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行量化,通過這種方式確保能夠在建筑設(shè)計(jì)過程中加以利用,真正實(shí)現(xiàn)降低能耗的效果。但是,從實(shí)際情況而言,我國由于被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)起步較晚,因此在理論分析和模型構(gòu)建等方面依然存在一些不足,尤其是各種節(jié)能技術(shù)的存在較多的問題有待解決,與一些西方發(fā)達(dá)國家相比,在各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用方面依然存在較大差距。雖然我國建筑行業(yè)在近些年的發(fā)展過程中已經(jīng)有意識在室外氣候精細(xì)化表征技術(shù)等方面加以側(cè)重,但進(jìn)展較為緩慢。造成這一情況存在的主要原因是由于當(dāng)前在室外氣候數(shù)據(jù)采集等方面存在一些問題,尤其是在數(shù)據(jù)庫完善性和更新及時(shí)性等方面存在問題較多。這就使得我國建筑行業(yè)在建筑使用能源消耗等方面缺乏足夠的精細(xì)化數(shù)據(jù)。這些情況的存在都在很大程度上限制著我國被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)工作的研究進(jìn)展。但是,隨著近些年我國開展可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,對各個(gè)行業(yè)能源消耗問題的關(guān)注程度較高。同時(shí)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們環(huán)保意識的加強(qiáng),建筑能源消耗精細(xì)化核算工作的進(jìn)展較快,這就為后續(xù)開展建筑室外氣候精細(xì)化表征工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外,隨著近些年我國各地建筑行業(yè)積極開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)工作,其實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也在不斷豐富,因此在后續(xù)的發(fā)展過程中,被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的效果在不斷提升。

3.3 建筑氣候分析技術(shù)研究

建筑本身的溫度、濕度等受到室外氣候的影響較為明顯。因此,在實(shí)際開展建筑設(shè)計(jì)工作過程中,設(shè)計(jì)人員要充分考慮到氣候?qū)ㄖa(chǎn)生的各項(xiàng)影響,從而對其加以利用,實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗的效果。基于這一原因,在實(shí)際開展建筑設(shè)計(jì)工作過程中,建筑設(shè)計(jì)人員要充分考慮到室外氣候條件對室外氣候產(chǎn)生的影響,由此延伸到對人體感官產(chǎn)生的影響,從而在實(shí)際開展設(shè)計(jì)工作過程中通過各種措施強(qiáng)化設(shè)計(jì),提高建筑使用者的舒適度,從而在保證建筑使用效果的情況下滿足低能耗的要求。

3.4 被動式氣候分區(qū)技術(shù)

由于不同地區(qū)的氣候條件差異較大,在實(shí)際開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)過程中,要確定是否符合技術(shù)條件,或者確定需要使用的技術(shù)種類,就必須充分掌握室外氣候條件。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),就必須依據(jù)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn),從氣候的差異性和共性等多個(gè)方面進(jìn)行研究,對其進(jìn)行被動式技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)。例如,在我國南方一些地區(qū),夏季濕熱多雨,為了降低室內(nèi)溫度,就需要通過對建筑的朝向等進(jìn)行設(shè)計(jì),從而降低溫度。而對于我國北方地區(qū),冬季氣溫較低,此時(shí)就需要強(qiáng)化建筑的保溫性能,降低建筑整體的熱量散失,從而確保室內(nèi)溫度能夠滿足實(shí)際需求。其中,太陽能的利用就是被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)典型代表。為了能夠充分利用太陽能滿足建筑運(yùn)行的各項(xiàng)需求,我國建筑行業(yè)積極開展了各項(xiàng)研究。以太陽能供暖為例,為了確保太陽能能夠得到充分利用,必須通過良好的設(shè)計(jì)不斷提高太陽能設(shè)備接受光照的時(shí)間。通過這種方式滿足超低能耗建筑的各項(xiàng)要求。但是,受到地區(qū)氣候差異等因素的影響,一些地區(qū)并不適用太陽能供暖。例如在一些日照時(shí)間短的地區(qū),就需要采取一些新的方式和方法對其進(jìn)行設(shè)計(jì),從而在滿足建筑需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。從這一方面而言,被動式氣候分區(qū)技術(shù)的研究對被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)工作具有重要意義。

4 被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

4.1 被動式保溫隔熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

受到地域差異的影響,我國不同地區(qū)建筑設(shè)計(jì)對保溫隔熱的需求存在較大的不同。以我國北方大部分地區(qū)為例,北方地區(qū)四季分明,夏季炎熱多雨,而冬季寒冷干燥。因此,在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的過程中,既要保證房屋具有良好的隔熱性能,減少夏季外界溫度升高造成的影響,又要強(qiáng)化做好保溫工作,降低冬季由于熱量散失造成室內(nèi)溫度下降。因此,在開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)過程中,要強(qiáng)化對保溫隔熱的設(shè)計(jì)工作,降低由于室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)而產(chǎn)生的能耗,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。當(dāng)前,在對建筑保溫隔熱性能進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中一般采用B1級的EPS材料。但是,在材料使用過程中要依據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。例如在東北地區(qū),雖然冬季氣溫較低,但是建筑墻體較厚,這就使得其本身就具有較好的保溫性能。我國西北地區(qū),日照時(shí)間較長,因此在添加保溫隔熱材料的基礎(chǔ)上還要覆蓋紫外線吸收材料,降低墻體受到的熱輻射。同時(shí)對地板要采用雙層結(jié)構(gòu),從而提高其保溫防水性能。

4.2 強(qiáng)化可再生資源的應(yīng)用

積極開展可再生資源的應(yīng)用,是實(shí)現(xiàn)被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)效果的重要基礎(chǔ)。因此,在實(shí)際應(yīng)用過程中,各種可再生能源的應(yīng)用已經(jīng)成為開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要途徑。以太陽能為例,當(dāng)前我國很多地區(qū)都積極強(qiáng)化了對太陽能的利用。例如,通過在屋頂加裝太陽能系統(tǒng),可以將其轉(zhuǎn)化為電能或者直接利用其熱能供建筑使用。

5 被動式超低能耗建筑發(fā)展展望

被動式超低能耗建筑作為當(dāng)前我國建筑行業(yè)發(fā)展過程中的一個(gè)重要方向,其符合綠色建筑發(fā)展的思路,與我國現(xiàn)行的可持續(xù)發(fā)展展露而相契合,因此對我國建筑行業(yè)而言具有重要意義。為了滿足現(xiàn)階段我國建筑行業(yè)的發(fā)展需求,被動式超低能耗建筑在后續(xù)的發(fā)展過程中其研究方向主要集中在以下兩個(gè)方面:首先,以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,要充分發(fā)揮被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的效果,就必須在了解不同地區(qū)氣候特征的實(shí)際情況基礎(chǔ)上開展工作。同時(shí),鑒于現(xiàn)階段在開展實(shí)際應(yīng)用過程中存在的各種不足,在后續(xù)開展工作過程中必須積極強(qiáng)化技術(shù)研究工作,針對當(dāng)前室內(nèi)外溫度精細(xì)化表征和聯(lián)系之間的問題開展技術(shù)攻關(guān),從而為后續(xù)開展被動式低能耗建筑設(shè)計(jì)工作奠定理論基礎(chǔ)。其次,要緊跟發(fā)展前沿開展被動式低能耗建筑的研究工作。例如,在一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開展了零能耗建筑設(shè)計(jì)的研究工作。因此,在后續(xù)開展工作過程中要進(jìn)一步降低建筑能耗的應(yīng)用,從而不斷提高建筑的節(jié)能水平,實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的整體進(jìn)步。

總結(jié)

被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)作為當(dāng)前我國建筑行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向,在后續(xù)開展工作過程中必須強(qiáng)化技術(shù)研究,依據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際情況加以應(yīng)用,從而實(shí)現(xiàn)建筑能耗的降低,促進(jìn)我國建筑行業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。