被動式建筑一體化設(shè)計策略研究

【摘要】文中深入研究被動式建筑一體化設(shè)計策略，通過綜合考慮朝向優(yōu)化、隔熱與保溫、遮陽與自然光照、熱負(fù)荷控制等方面的設(shè)計手段，探討如何最大限度地利用自然資源，實現(xiàn)建筑能源的高效利用和環(huán)境友好性。通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)的綜述，剖析成功案例，以及深入分析典型案例，文中系統(tǒng)地總結(jié)了被動式建筑一體化設(shè)計的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。在結(jié)合案例研究的基礎(chǔ)上，提出了一系列面向未來發(fā)展的建議和展望，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了有益的參考。

【關(guān)鍵詞】被動式建筑；一體化；低能耗設(shè)計

【中圖分類號】TU201.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）05-0031-03

0 引言

在當(dāng)前全球能源危機(jī)和氣候變化背景下，建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)務(wù)之急。被動式建筑一體化設(shè)計作為一種有效策略，通過最大化利用自然資源和環(huán)境條件，降低對外部能源依賴，對建筑行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展提出了新思路。文中通過深入研究被動式建筑一體化設(shè)計策略，系統(tǒng)總結(jié)理論基礎(chǔ)、成功案例以及設(shè)計實踐經(jīng)驗，為推動建筑行業(yè)邁向更環(huán)保高效的方向提供有益指導(dǎo)。

1 被動式建筑一體化設(shè)計簡介

1.1 被動式建筑設(shè)計的理論基礎(chǔ)

作為當(dāng)今建筑領(lǐng)域研究熱點，綜合總結(jié)被動式建筑一體化設(shè)計理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，對于推動建筑行業(yè)向可持續(xù)發(fā)展方向邁進(jìn)至關(guān)重要。被動式建筑設(shè)計理論基礎(chǔ)包括建筑朝向優(yōu)化、隔熱與保溫、遮陽與自然光照，以及熱負(fù)荷控制等多個方面。在朝向優(yōu)化方面，通過對太陽軌跡和地理環(huán)境的深入研究，提出了一系列朝向布局的優(yōu)化原則，以最大限度地獲取太陽能，減少對人工能源依賴。針對隔熱與保溫，強(qiáng)調(diào)了合理選擇材料、設(shè)計墻體和屋頂結(jié)構(gòu)的重要性，以降低建筑熱傳導(dǎo)和散失，提高能源利用效率[1]。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外在被動式建筑設(shè)計方面都取得了顯著進(jìn)展。①澳大利亞One Central Park項目通過垂直綠化墻和屋頂花園實現(xiàn)了環(huán)境友好的設(shè)計[2]。英國The Crystal項目采用了雙層透明外墻，最大化自然采光，結(jié)合地?zé)崮茉聪到y(tǒng)和雨水收集系統(tǒng)，實現(xiàn)了能源自給自足[3]。②上海陽城科創(chuàng)中心通過地源熱泵系統(tǒng)和智能百葉窗等技術(shù)手段，采用了雙層幕墻、綠色屋頂和太陽能光伏板，最大限度地利用自然光照降低人工照明需求，成功實現(xiàn)了能源的高效利用。

被動式建筑設(shè)計在不同氣候和地理條件下均可取得顯著效果。國內(nèi)外研究強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計中采用可持續(xù)材料、考慮自然通風(fēng)、雨水收集等策略的重要性。這有助于進(jìn)一步提高建筑環(huán)境適應(yīng)性，減輕對外部能源依賴，為建筑行業(yè)實現(xiàn)綠色低碳目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

綜上所述，被動式策略的提出為后續(xù)被動式建筑一體化設(shè)計策略的深入分析提供了全面而深刻的理論基礎(chǔ)，為解決建筑能源消耗和環(huán)境污染等問題提供了啟示和指導(dǎo)。

2 被動式建筑一體化設(shè)計策略

2.1 朝向和布局優(yōu)化

（1） 太陽能利用。在這方面，建筑朝向和布局被認(rèn)為是至關(guān)重要的因素。①確定建筑主要窗戶的朝向，以最大程度地捕捉日照可使建筑充分獲得陽光，減少冬季取暖能耗。②結(jié)合建筑布局，通過設(shè)計避免陰影，確保室內(nèi)空間獲得最佳的自然光照。最大限度地減少對人工照明需求，減少冬季采暖熱負(fù)荷，提高建筑能源效率。

（2） 自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計。通過設(shè)計，建筑實現(xiàn)空氣有效流通，降低室內(nèi)溫度，減輕對人工空調(diào)系統(tǒng)依賴。合理布局通風(fēng)口和窗戶，利用自然氣流，良好控制建筑內(nèi)部空氣質(zhì)量。注重建筑內(nèi)部微氣候調(diào)節(jié)，通過自然通風(fēng)實現(xiàn)室內(nèi)外溫差的有效利用。目前，被動式低能耗建筑90%的項目位于寒冷地區(qū)，自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計在解決夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖的民生問題上有廣泛討論，雖然可以提供新風(fēng)空氣，但冷量和熱量不足，無法解決夏季和冬季室內(nèi)的負(fù)荷。被動式建筑的提出將對這一問題有大幅度改善[4]。

2.2 隔熱與保溫

（1） 材料選擇與性能。在隔熱與保溫方面，采用高效隔熱材料，如高密度聚苯乙烯（XPS）等，可以有效減少建筑內(nèi)外熱量交換。此外，材料導(dǎo)熱系數(shù)和保溫性能需要得到足夠重視，以降低建筑能耗，提高能源利用效率。

（2） 墻體和屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計。這項設(shè)計直接影響建筑隔熱效果。采用多層保溫結(jié)構(gòu)，結(jié)合適當(dāng)?shù)耐L(fēng)設(shè)計，形成保溫層，有助于防止熱能散失。此外，墻體和屋頂建筑材料也很關(guān)鍵，如反射材料的使用，可以有效減緩夏季高溫對建筑的影響，實現(xiàn)隔熱與保溫雙重效果。

2.3 遮陽與自然光照

（1） 遮陽措施的選擇與效果。遮陽設(shè)計旨在減少建筑內(nèi)部日照，降低夏季室內(nèi)溫度。合理選擇遮陽材料，如百葉窗、遮陽板等，可以防止過量陽光直射，同時保持室內(nèi)明亮。通過控制遮陽結(jié)構(gòu)角度和位置，調(diào)整建筑內(nèi)部光照環(huán)境，提高居住舒適度。

（2） 自然光照最大化。通過采用大面積窗戶和透光材料，最大化利用自然光照，減少對人工照明依賴。在建筑內(nèi)部創(chuàng)造開放、明亮的空間，提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，同時降低了室內(nèi)用電需求，符合綠色低碳的設(shè)計理念。

2.4 負(fù)荷控制與能效

（1） 建筑形狀與顏色設(shè)計。這是熱負(fù)荷控制的重要方面。通過科學(xué)合理的建筑形狀設(shè)計，最大程度地減少表面積，降低建筑在高溫季節(jié)的受熱面積，減緩室內(nèi)溫度上升速度。此外，選用反射率較高的外墻涂料或材料，降低吸熱，有助于控制建筑表面溫度。

（2） 空調(diào)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)降低策略。為減輕空調(diào)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，建筑設(shè)計可以采用新型供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)。例如，應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)。通過利用地下穩(wěn)定的溫度實現(xiàn)冷暖空氣交換，提高冬季供暖系統(tǒng)和夏季空調(diào)系統(tǒng)能效。使用智能溫控系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要調(diào)整室內(nèi)溫度，減少不必要的能源浪費[5]。

以上四大方面的設(shè)計策略對于構(gòu)建低碳節(jié)能環(huán)保體系意義重大，其主要設(shè)計策略見圖1。對于外窗和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注重保溫和舒適，新風(fēng)系統(tǒng)的回收可以節(jié)約能耗及成本，氣密性是室內(nèi)不必要散熱或散冷的可靠保證，無熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計避免了能量傳遞，因此實現(xiàn)了對自然資源的最大程度利用，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴，使建筑在環(huán)保、高效能源利用和舒適性等方面取得了顯著成果。

綜合設(shè)計理念為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有益經(jīng)驗和啟示。此外，國家出臺了各項政策加以扶持，在北京、山東、四川、浙江等地出現(xiàn)了10萬平方米以上被動式低能耗建筑社區(qū)。

3 典型案例分析及效果評估

3.1 典型案例

案例1：One Central Park，澳大利亞悉尼。

案例詳情：One Central Park是位于悉尼的綜合性建筑項目，由建筑師Jean Nouvel和植物設(shè)計師Patrick Blanc合作設(shè)計，以獨特的垂直綠化墻和屋頂花園著稱。建筑主要窗戶朝向北側(cè)，最大化采光，綠植覆蓋墻面和屋頂提供了自然隔熱效果。通過智能系統(tǒng)控制植物灌溉，實現(xiàn)了雨水收集和再利用，大面積區(qū)域被植物環(huán)繞效果明顯。

案例2：珠江城市廣場，中國廣州。

珠江城市廣場位于中國廣州市珠江新城，由美國建筑事務(wù)所設(shè)計，是一座超高層綜合性商業(yè)辦公大樓，于2013年完工。設(shè)計中采用先進(jìn)的隔熱與保溫設(shè)計策略。建筑外墻為雙曲面玻璃幕墻，隔熱性能良好，表面納米涂層實現(xiàn)了高效的陽光反射。建筑外墻空氣層設(shè)計有效隔絕了外部溫度對內(nèi)部空間影響，形成了一個高效隔熱層。

案例3：The Crystal，英國倫敦。

The Crystal位于英國倫敦，是一座可持續(xù)發(fā)展辦公大樓，由WilkinsonEyre建筑事務(wù)所設(shè)計，于2012年完工。建筑外立面采用高性能智能玻璃，具有調(diào)光功能，可以根據(jù)外部光照強(qiáng)度自動調(diào)整透光率。建筑南立面設(shè)置挑篷和自動可調(diào)控遮陽裝置，在夏季，最大程度地遮擋陽光，減少室內(nèi)熱量；在冬季，通過調(diào)整遮陽裝置角度，允許更多陽光進(jìn)入建筑，提高室內(nèi)自然光照。

案例4：上海中心大廈，中國上海。

上海中心大廈位于中國上海浦東新區(qū)，是一座超高層摩天大樓。由上海建筑設(shè)計研究院設(shè)計，于2015年竣工。是一座標(biāo)志性綠色建筑。在熱負(fù)荷控制與能效方面采用了創(chuàng)新設(shè)計策略。①建筑外墻采用了雙層幕墻，形成空氣層，降低外墻傳熱，有效隔熱。②建筑外墻設(shè)置了三個螺旋形透明玻璃幕墻，形成“雙皮”結(jié)構(gòu)，既隔熱又利用了陽光。③建筑內(nèi)部設(shè)有空氣井，通過空氣自然循環(huán)，實現(xiàn)室內(nèi)外溫差的自然調(diào)節(jié)。④不對稱錐形建筑輪廓和圓角設(shè)計使建筑風(fēng)荷減少了24%，節(jié)能效果明顯，如圖2所示。

3.2 應(yīng)用被動式一體化設(shè)計策略的效果評估

（1） One Central Park。通過朝向和布局優(yōu)化巧妙地利用了自然光照和綠植的隔熱效果。建筑內(nèi)部充滿活力綠色環(huán)境提高了居住生活質(zhì)量，同時通過自然通風(fēng)和太陽能應(yīng)用，有效降低了對人工能源依賴。因此，在悉尼的氣候條件下取得了顯著的能效和環(huán)保效果。

（2） 珠江城市廣場。其隔熱與保溫設(shè)計在實際應(yīng)用中取得了顯著效果。①雙曲面玻璃幕墻的采用降低了外墻傳熱系數(shù)，減緩了室內(nèi)外溫度傳導(dǎo)。②表面納米涂層通過反射大部分陽光，有效降低了建筑受熱表面溫度，減輕了空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷。為建筑創(chuàng)造了一個相對穩(wěn)定的室內(nèi)溫度環(huán)境，減少了對人工空調(diào)系統(tǒng)依賴。

（3） The Crystal。遮陽與自然光照設(shè)計策略取得了顯著效果。運用智能玻璃和自動遮陽裝置，使得建筑能夠在不同季節(jié)和天氣條件下實現(xiàn)自動化光照控制。提高了室內(nèi)空間舒適性，減少了對人工照明和空調(diào)系統(tǒng)需求，有效降低了建筑能耗，實現(xiàn)了綠色低碳的設(shè)計目標(biāo)。

（4） 上海中心大廈。其熱負(fù)荷控制與能效設(shè)計策略取得了卓越效果。雙層幕墻和“雙皮”結(jié)構(gòu)有效減緩了室內(nèi)外溫度傳導(dǎo)，降低了對人工空調(diào)系統(tǒng)依賴?？諝饩O(shè)計使建筑內(nèi)部空氣能夠通過自然通風(fēng)實現(xiàn)良好流通，進(jìn)一步減少了能源消耗，為上海中心大廈創(chuàng)造了一個能效卓越、環(huán)保節(jié)能的建筑環(huán)境。

4 發(fā)展與展望

當(dāng)前研究仍存在一些局限性。①大多數(shù)研究集中在建筑的設(shè)計階段，對建成后的實際效果缺乏長期跟蹤和評估。②對于在不同氣候和地理條件下的被動式建筑設(shè)計策略的通用性研究仍然有待深入。③對于新興科技在被動設(shè)計中的應(yīng)用，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等，尚未充分探討其對被動式建筑一體化設(shè)計的影響。

未來研究方向應(yīng)包括深入挖掘被動式建筑一體化設(shè)計的長期效果，開展更多不同地區(qū)氣候條件下的實證研究，借助新技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步提高設(shè)計策略的智能化水平。此外，建筑與城市規(guī)劃的整體融合也是一個重要的方向，通過更全面的角度來考慮城市層面的被動設(shè)計策略，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

5 結(jié)語

綜上所述，被動式建筑一體化設(shè)計策略是可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。通過合理利用自然資源，提高建筑能效性，創(chuàng)造更舒適、環(huán)保的建筑環(huán)境。然而，仍需深入研究其長期效果和通用性，并結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行不斷創(chuàng)新。在未來，期待被動式建筑一體化設(shè)計能夠更好地與城市規(guī)劃相融合，為打造更宜居、可持續(xù)的城市環(huán)境貢獻(xiàn)更多的智慧和創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡介]倪宏瑞（1981—），女，河北懷來人，大學(xué)本科，研究方向：建筑設(shè)計。