被動式節(jié)能策略在公共建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究

趙明哲

華南理工大學建筑設(shè)計研究院有限公司 廣東 廣州 510000

引言

現(xiàn)代經(jīng)濟水平的提升，對于生活環(huán)境提出了較高的要求，致使建筑能源消耗持續(xù)增長。建筑是高能耗產(chǎn)業(yè)，國家在提出節(jié)能減排戰(zhàn)略后，群眾開始認識到高能耗的危害性，要求建筑行業(yè)深入踐行綠色、節(jié)能的發(fā)展理念。建筑節(jié)能包括主動式、被動式。主動式節(jié)能，即采用現(xiàn)代技術(shù)措施降低能源消耗，所以技術(shù)投入、資金投入比較大，經(jīng)濟效益不佳。被動式節(jié)能，是利用建筑布局、環(huán)保材料等方式，提升建筑的節(jié)能性、舒適度，能夠隔離自然與室內(nèi)空間，通過高效采暖空調(diào)設(shè)備，創(chuàng)設(shè)宜人環(huán)境。所以，被動式節(jié)能充分應(yīng)用自然條件，確保建筑適應(yīng)周邊環(huán)境。

1 被動式節(jié)能建筑設(shè)計概述

1.1 基本概述

公共建筑的特點，在于質(zhì)量要求高、內(nèi)部空間大，多采用玻璃幕墻作為外圍護結(jié)構(gòu)。公共建筑的主動式設(shè)計，需要采用現(xiàn)代科技、可再生能源代替常規(guī)能源，以滿足建筑節(jié)能的需求。然而在轉(zhuǎn)化能源時，技術(shù)應(yīng)用要求非常高，資金消耗大，還會增加管理難度。所以在現(xiàn)代建筑節(jié)能研究中，多以被動式節(jié)能為主。被動式節(jié)能，優(yōu)化設(shè)計室內(nèi)規(guī)劃、空間布局，配合外部環(huán)境因素，從而實現(xiàn)節(jié)能效果。由于被動式節(jié)能的操作簡單，因此技術(shù)、資金投入量少，多借助建筑設(shè)計實現(xiàn)節(jié)能效果，為使用者提供舒適環(huán)境，全面滿足人們的生活方式。

1.2 設(shè)計意義

我國屬于典型的溫帶大陸性氣候，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，導(dǎo)致建筑隔熱供暖的難度比較大。在建筑設(shè)計中，要深入考慮地區(qū)氣候環(huán)境問題，如果地區(qū)冬季氣候寒冷，則多采用集中供暖方式，雖然解決了取暖問題，但是資源浪費非常大。通過分析全國能耗占比可知，建筑能耗占比約為30%。

在城市現(xiàn)代化發(fā)展中，各地區(qū)建設(shè)大量的高層、超高層建筑。公共建筑設(shè)計的規(guī)模持續(xù)擴大，導(dǎo)致被動式節(jié)能技術(shù)的需求提升。在設(shè)計公共建筑時，為了處理好環(huán)境、采暖問題，要結(jié)合環(huán)保效益、經(jīng)濟效益，加強建筑節(jié)能效果[1]。

2 被動式節(jié)能策略在公共建筑設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 建筑選址規(guī)劃的應(yīng)用

公共建筑的被動式節(jié)能設(shè)計，必須高度重視選址問題。由于建筑環(huán)境對居民生活的影響大。所以在建筑選址中，要求設(shè)計人員實地考察地形條件，合理應(yīng)用地形中的有利因素，使建筑遠離濕地、農(nóng)田等區(qū)域。在被動式節(jié)能設(shè)計下，建筑選址要關(guān)注以下問題：

第一，光照影響：光照會影響建筑節(jié)能，太陽光的紅外線，可以為建筑提供外部熱源，建筑接受光照時間、強度不同，所以內(nèi)部環(huán)境也不同。在建筑選址中，要深入分析光照影響。

第二，風的影響：當建筑長時間受到太陽照射，則會增加內(nèi)部溫度，降低室內(nèi)空間的舒適度。傳統(tǒng)設(shè)計中，多采用空調(diào)設(shè)備降溫，然而會增加能源消耗。所以要確保室內(nèi)通風條件的適宜性，才可以降低溫度。在被動式公共建筑設(shè)計中，要參考地區(qū)氣候環(huán)境，合理確定建筑朝向，從而發(fā)揮出自然風的作用。然而要注意的是，建筑選址規(guī)避高粉塵區(qū)域的風口。

2.2 建筑間距設(shè)計的應(yīng)用

在城市規(guī)劃法律中，沒有詳細規(guī)定建筑的間距設(shè)計標準。然而在公共建筑設(shè)計過程中，要求設(shè)計人員高度重視間距問題。為了控制好建筑的間距，要從整體布局入手，確保室內(nèi)采光面積、通風狀態(tài)的良好性。日照間距，即建筑主體外墻間距，會受到季節(jié)、建筑朝向、地形影響。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員要深入分析采光時間、采光面積、通風狀態(tài)，遵循節(jié)能、節(jié)地原則，合理確定建筑的間距，以提升節(jié)能效果。

2.3 規(guī)劃布局中的應(yīng)用

公共建筑的規(guī)劃布局，是設(shè)計工作的第一階段內(nèi)容，保證規(guī)劃布局的合理性，可以充分利用太陽光線，在夏季、冬季通風中，確保室內(nèi)溫度的適宜性，改善通風不暢、散熱快問題，提升建筑室內(nèi)的舒適度。被動式節(jié)能策略中，要深入分析建筑朝向，為了充分使用太陽光線，增加室內(nèi)溫度，要參考地區(qū)氣候條件、季節(jié)風向，將建筑設(shè)計為南北向，減少夏季西曬的影響。在建筑規(guī)劃布局中，建筑朝向、夏季主風向角度小于45°，設(shè)計人員要重視公共綠地布局、空間排布，在夏季主風向作用下，可以促進通風通暢。在設(shè)計鄰近建筑的間距時，也要參考地區(qū)氣候條件、能源使用率、建筑安全問題。在設(shè)計建筑朝向時，雖然與冬季主風向分離，但可以降低冬季室內(nèi)熱量損失，實現(xiàn)節(jié)能效果。

2.4 體型設(shè)計中的應(yīng)用

體型系數(shù)，是建筑與室外接觸的外表面積、建筑體積之比。當建筑體型越大，則建筑分擔的熱損面積越大，消耗的能源越多。在節(jié)能設(shè)計中，對于建筑體型系數(shù)的要求高，要縮小外表面、室外空氣的接觸面積，從而控制散熱。公共建筑的體型系數(shù)，與建筑大小、體型相關(guān)，所以要分析建筑平面布局，減少凹凸造型的使用，縮小外圍面積，多采用簡單造型[2]。

2.5 構(gòu)造設(shè)計的應(yīng)用

公共建筑結(jié)構(gòu)，涉及屋面、門窗、墻體。在規(guī)劃設(shè)計期間，首先要設(shè)計墻體，①確保墻體材料的保溫性、環(huán)保性，滿足節(jié)能設(shè)計標準，多使用外貼擠塑板材料。當外保溫設(shè)計難度較大時，則要使用其他保溫構(gòu)造，確保構(gòu)造性熱橋的溫度。②在設(shè)計保溫構(gòu)造時，還要確保陽臺欄板、裝飾線、空調(diào)機擱板的保溫設(shè)計。門窗框、墻體縫隙，要使用高效保溫材料填充。針對不同材料的縫隙問題，也要做好防水防滲漏設(shè)計。針對洞口部分，要優(yōu)化構(gòu)造防水設(shè)計。在設(shè)計門窗時，由于門窗的能耗損失大，在確保光照、采光、通風條件后，要控制門窗洞口面積，以提升門窗的氣密性，從而阻擋冷空氣進入，加強門窗的保溫功能。在設(shè)置窗墻面積比時，為了實現(xiàn)節(jié)能效果，不能一味擴大窗墻比，以免增加空調(diào)能耗、采暖能耗。通過數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，空調(diào)設(shè)計參數(shù)要達到表1標準，才能夠提升室內(nèi)舒適度。如果設(shè)計人員遵循表1標準設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)，則會明顯增加室內(nèi)的能耗消耗。此外，屋面設(shè)計中，保溫層不能選用高吸水性材料，防止保溫層吸水過多，對屋面保溫效果產(chǎn)生影響。公共建筑的類型比較多，為了滿足多種功能的需求，需要設(shè)置明亮空間，此時就會增加建筑能耗?；诠?jié)能設(shè)計看，不僅要實現(xiàn)采暖、空調(diào)功能，還要限制屋面透明部分，確保面積小于屋面總面積的25%。設(shè)置雙層坡屋面，合理利用太陽能資源，結(jié)合季節(jié)變化、朝向，保證室內(nèi)光線的均勻性，阻擋雨水滲入。

表1 空調(diào)設(shè)計參數(shù)

2.6 室內(nèi)通風設(shè)計的應(yīng)用

建筑設(shè)計要深入考慮建筑室內(nèi)的通風問題，改進建筑機構(gòu)、門窗位置，從而產(chǎn)生不同的氣壓變化。以加強自然風方式，減少電力能源的使用。優(yōu)化室內(nèi)布局、通道，可以促進空氣對流，改變區(qū)域風向，使風流向人體舒適區(qū)域。改變樓梯通道的開口設(shè)計，能夠引導(dǎo)自然風流向室內(nèi)。建筑內(nèi)部使用熱壓原理，可以促進自然風對流，從而實現(xiàn)通風效果。此外，公共建筑通風設(shè)計中，也會采用空間優(yōu)化方式促進室內(nèi)氣流流動，比如中庭設(shè)置。中庭采用頂部天窗導(dǎo)風，連通上下空間，加快局部空氣流通。在中庭設(shè)計中（圖1），如果不考慮自然采光，則中庭面積大小基本不會影響通風效果，只要合理安排風路，設(shè)置天窗，就無須設(shè)置大的集中中庭。通風塔也是公共建筑常用的通風方式，是高出屋面并用作抽拔風的設(shè)計。利用開口設(shè)置，能夠使空氣快速通過并形成負壓，加強風壓對室內(nèi)氣流的抽拔作用。增加通風塔高度，可以加大熱壓效應(yīng)，改善建筑通風效果[3]。

圖1 中庭通風設(shè)計

2.7 采光導(dǎo)光設(shè)計中的應(yīng)用

圖2 導(dǎo)光管采光示意圖

人工照明產(chǎn)生的電能消耗大，所以在設(shè)計公共建筑的照明方式時，要綜合考慮天然采光、導(dǎo)光程序。建筑室內(nèi)空間，不能選用大縱深布局法，要確保室內(nèi)光線滿足日間采光需求，同時要控制太陽光的照射強度。所以在規(guī)劃設(shè)計中，要確保室內(nèi)縱深的合理性。在設(shè)計地下空間時，無須考慮大的光線強度，通過采光窗井、導(dǎo)光設(shè)計，提升室內(nèi)亮度。比如在公共建筑采光設(shè)計中，可以應(yīng)用導(dǎo)光管系統(tǒng)，利用采光罩采集自然光線，經(jīng)過導(dǎo)光管傳輸之后，利用漫射裝置，將自然光照射到室內(nèi)需光區(qū)域（圖2為導(dǎo)光管采光示意圖）。再比如采光天窗系統(tǒng)，多是建筑頂面天窗，設(shè)計人員要按照建筑造型需求開設(shè)天窗。天窗的采光效率高、自然光影變化明顯，并且與外部景觀相連接。在近幾年發(fā)展中，采光彈窗技術(shù)更新速度快，相應(yīng)提升了密封性能。

2.8 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用

合理控制室內(nèi)環(huán)境溫度，有助于降低電能損耗。將室內(nèi)溫度控制在合理范圍內(nèi)，可以降低室外環(huán)境對溫度的影響，減少制冷、采暖消耗。設(shè)置外墻保溫隔熱層，通過高保溫隔熱材料，可以減少室內(nèi)外的熱量交換，控制額外能耗。優(yōu)化建筑布局、形狀、表面積系數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能效果。同時，積極防控“熱橋”現(xiàn)象，既可以降低熱損失，還可以減少潮濕影響。固定外遮陽設(shè)施，多為不可調(diào)節(jié)的遮陽設(shè)施，比如遮陽板，所以要設(shè)計活動式外遮陽[4]。

3 結(jié)束語

綜上所述，公共建筑規(guī)劃色劑中，被動式節(jié)能手段能夠降低能源消耗，無須引入先進設(shè)備，即可實現(xiàn)節(jié)能目標。本文詳細分析被動式節(jié)能在公共建筑設(shè)計中的應(yīng)用，從建筑選址、平面布局、體型構(gòu)造設(shè)計、通風設(shè)計、采光設(shè)計等角度入手，詳細介紹公共建筑被動式節(jié)能，嚴格控制建筑能源消耗，提升公共建筑的綠色、節(jié)能水平，實現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。