被動式節能技術在綠色建筑設計中的應用研究

李 瑤

(湖南工業大學，湖南 株洲 412000)

1 被動式建筑的背景與概念

1.1 被動式建筑的背景

世界各國為應對全球環境惡化、實現可持續發展等問題，在建筑節能方面進行了大量的探索，并且取得了不錯的成果。歐洲各國在2002年通過并且在2010年修訂完成了《建筑能效指令》，其中該指令要求歐洲各國要在2020年前實現所有建筑接近零能耗，同時歐洲各國也有根據自身國情所制定的建筑節能要求[1]。在此期間，德國“被動房”的提出為零能耗建筑的實現提供了可能，其通過提高其外圍護結構的熱工性能和門窗的氣密性，利用高效的新風系統，采用高效的熱回收技術，將建筑所需能耗降低至15 kWh/(m2·a)[2]。美國就這一系列問題提出2020—2030年實現零能耗建筑可以在技術和經濟上的可行[3]。亞洲地區韓國提出在2025年實現全國境內實現全面零能耗建筑的目標[4]。世界各國都在積極地制定節能技術要求，努力實現超低能耗建筑的全覆蓋。

我國國土面積較大，橫跨氣候區較多，各地區環境復雜，經濟條件和基礎設施差異較大。因此我國各地區無法做到節能技術的全面統一。在這方面我國和世界上的其他國家存在較大差異，但是我國也在努力推進節能技術在全國的應用，各個地區也相應提出了適宜當地氣候環境和自然條件的節能技術指標。我國各地在節約并高效地使用自然資源，不使用或盡量少使用不可再生能源，而更多地使用可再生能源，實現建筑的可持續發展作出了巨大努力。

1.2 被動式建筑的概念

低能耗建筑是指在建筑運行過程中，建筑所消耗的能源遠低于普通建筑的一類建筑物，同時盡可能地使用可再生能源，實現建筑的可持續發展[5]。低能耗建筑在節能技術方面進行不斷的創新和探索，提高材料的性能從而減少建筑物在使用期間所浪費的能量，以此實現減少能耗的目的，這與被動式建筑通過設計以不主動消耗能源，被動地節能有所不同。

被動式建筑是在建筑設計中充分考慮場地內環境資源等因素，采用合適的建筑朝向、先進的蓄熱材料、適合的遮陽裝置、充分的自然通風，盡可能利用自然采光、自然通風和可再生能源，提高建筑保溫性能和門窗氣密性，利用高效節能的新風熱回收系統，實現建筑接近零能耗，降低后期運營所需費用。

2 建筑被動式節能設計

2.1 外部環境節能設計

在建筑節能設計中外部環境因素直接作用于設計，所以在設計過程中應充分考慮外部因素對建筑的實際影響。例如：我國北方地區節能設計主要以保溫為主；而我國南方地區則以隔熱為主。同時我國北方地區受到日照的影響建筑幾乎均為標準的正南正北朝向而在南方地區因為日照充足建筑朝向并沒有那么嚴格的要求。在做建筑節能設計尤其是在進行被動式節能建筑設計時，設計人員更加應該根據當地的氣候、風向、日照等因素綜合考慮，因地制宜，通過大量的數據分析做到最經濟、最節能、最低碳的綠色節能建筑，實現建筑零能耗。

2.2 建筑內部節能設計

在建筑設計中如何減少或直接規避建筑中存在的采光通風不理想的空間正是設計師應該著重考慮的問題。一座建筑或多或少都會存在相對不好使用的空間，那么這些空間是否可以被有效的利用，或者進行特殊設計使這些空間成為建筑中不可多得的亮點空間，建筑師作為空間營造者應該去認真思考并進行深入的探索。

2.2.1 外圍護結構

建筑節能設計在外圍護結構方面進行優化，增加保溫隔熱材料，減少室內外的熱交換，從而降低建筑的耗能量。被動式建筑則是在此基礎上采用提高保溫隔熱材料的性能、增加隔離層、建筑無熱橋等方法，阻斷室內外的空氣熱交換，進一步大幅降低建筑的耗能量，實現建筑的超低能耗甚至零能耗。

2.2.2 外部門窗

建筑中大多數的熱交換是通過門窗部分進行的，所以在節能設計中應在滿足房間采光的要求下盡量減小開窗面積。應根據需要選用具有良好氣密性、水密性、隔聲性、抗風性的門窗，例如：為提高室內采光可采用高透低輻射鍍膜中空斷熱鋁合金玻璃門窗。被動式建筑采用的是被動式窗扇，不可開啟，最大限度地降低門窗部分的能量流失，從而降低建筑整體的耗能量，實現建筑零能耗的目標。

2.2.3 高效新風熱回收系統

大多數建筑為了滿足冬季采暖和夏季降溫的需要都會安裝供暖設施和空調，在部分節能建筑中也裝有新風系統，幫助建筑調節室內溫度，營造舒適的室內環境。綠色建筑節能設計中在過渡季節盡量使用自然通風而在非過渡季節則使用人工干預的方法控制室內溫度和空氣流通。被動式建筑因為窗戶沒有開啟扇，所以室內溫度和空氣流通全部依靠新風系統，因此高效的新風系統是必須的。建筑內部通過新風系統與外部進行氣體交換，也會散失部分熱量，所以在零能耗建筑中熱回收是必須的，將新風系統和熱回收系統相結合，真正做到建筑能量消耗最低化。

2.2.4 新能源的利用

世界能源危機已經讓世界各國認識到可再生能源的利用才是世界未來的主流，所以在綠色建筑節能設計中盡量使用可再生能源已經成為設計熱點，因此太陽能、地熱能、空氣能等在建筑設計中的應用也得到了大力發展?，F在住宅建筑中太能光伏板已經被廣泛地應用，地熱能和空氣能等也在廣泛地推廣中，相信在不久的將來建筑所需均可由可再生能源提供。

2.2.5 新技術的提升

可調節的遮陽板、導光板、導光筒等在解決建筑室內采光問題上發揮了主要作用。裝配式屋頂綠化和墻體垂直綠化不僅減輕了綠化本身的重量、降低建筑荷載，也減少了施工的工作量。BIM系統的應用也在一定程度上減少工程浪費和工程造價，技術的不斷提升也在不斷減少建筑垃圾的產生。智能人工系統在建筑運營中的應用也進一步降低了建筑在后期的能量消耗，例如：電梯群控，智能照明系統等。

3 被動式建筑案例分析

3.1 喬托莫被動式節能學校

該項目位于波蘭喬托莫，于2013年竣工。根據當地的環境和風土民情，設計師彼得·恰爾內茨基采用了“村落式”獨棟建筑模式，并因考慮成本問題建筑使用均是最基本的建筑材料和簡單的用色。此設計中將整個建筑進行拆分，由大小不一的多個小建筑組成，因此獲得了一系列有趣的內部空間，因為建筑是相對獨立的多個建筑，每棟建筑之間通風良好并且日照充足。將教室部分拆散分布在各個小單元中，利用其他空間讓教室獲得天然的隔熱效果。每個教室還配備了獨立的通風設備，并且安裝了二氧化碳感應器和高效的空氣新風系統，使得每一個教室都可以擁有足夠的新鮮空氣。此設計采用全封閉建筑表皮是為了盡量減少建筑內外熱量交換，實現耗能最小化。建筑供暖和降溫系統采用地下熱交換器，共60個孔洞，每個孔洞深85 m，擁有良好的供熱制冷效果。建筑內光源全部采用節能LED燈，實現建筑最低能耗。節能設施如圖1所示。

圖1 喬托莫被動式節能學校節能設施示意圖

3.2 比科住宅樓

該項目位于美國加利福尼亞州，于2014年竣工，設計師是摩爾·樂伯·約德及其事務所。此建筑包括33套住宅以及住宅下方的配套商業零售空間和社區服務空間等。建筑中間是一個經過精心設計的庭院，所有功能房間圍繞中間庭院布置，這樣的設計使得建筑擁有良好的自然采光和自然通風。此建筑最主要的設計亮點在其使用的材料方面，其中，玻璃纖維絕緣材料中至少20%是回收利用的材料，地基材料中采用15%以上的粉煤灰或礦渣混凝土，外立面保護層使用壽命至少50年，此建筑在材料使用方面盡可能地使用回收利用材料，同時在施工過程中進行廢棄物管理，盡可能的減少材料的浪費。節能措施如圖2所示。

圖2 比科住宅樓節能措施示意圖

3.3 清華大學超低能耗示范樓

該項目是2008年奧運建筑的前期示范工程，主要作為推廣節能、生態、智能技術等在建筑中應用的暫時功能使用。此項目在設計期間進行了多種圍護結構的模擬測試，包括最基本的耗能量和傳熱系數等計算，用數據有利地說明了不同的維護結構自身存在的差異。通過設計充分利用自然通風和自然光照滿足室內基本的照明和通風需求，同時利用熱壓通風和風壓通風等方式，使室外空氣在壓力的作用下貫穿流過室內。該項目中裝有四臺超低能耗的新風機組，通過這些機組可以自由地調控建筑室內的濕度和溫度，為了達到室內空氣質量，新風系統的耗能量是非常巨大的，但此項目中新風系統自帶有熱回收率超過80%的熱回收系統，充分利用熱能的同時保證室內空氣質量。該項目中還利用了BCHP系統、地源熱泵、太陽能光伏板、智能化控制系統等，在一個項目中同時體現這么多的節能技術是前所未有的新嘗試，為我國發展超低能耗建筑提供了模板，同時為我國零能耗建筑的開發奠定了強有力的基礎。如圖3所示。

圖3 清華大學超低能耗示范樓節能技術示意圖

4 被動式建筑的未來發展問題探索

我國被動式建筑的發展時間還較短，但是成果已經較為顯著。因為我國南北跨度大，最南部城市和最北部城市氣候相差較大，所以我國對建筑節能設計只能是較為籠統地總結要求，而無法做到細致入微，雖然每個省都有相應的建筑節能設計的相關要求，但是偏遠地區對相關規定的執行力較弱，大多數的建筑仍然沒有進行節能設計。被動式建筑在造價上比普通節能建筑高，所以被動式建筑發展受到了一定的阻礙。

被動式建筑外圍護部分都是封閉的，為了更好地提高窗扇的氣密性，窗扇是不可開啟的，室內空氣交換全部依靠新風系統，這樣的形式對于很多人來說是不能接受的。人們會考慮停電后室內空氣是否會混濁甚至悶熱難耐，雖然被動式建筑中的電能一般并不是全部利用城市電網，但是人們對被動式建筑的了解并不深，并不知道被動式住房的供電系統是如何組成的，所以許多居民對被動式住宅仍然持觀望態度。國家在大力扶持綠色建筑的開發過程中，也應該加大宣傳力度，讓人們可以深入地了解被動式住宅，并且在心理上接受。

5 結 語

綠色建筑在我國的發展已經進入高速發展階段，在此階段中不止需要專家學者在技術方面的努力探索，同時需要國家繼續大力支持高新技術開發和利用，在此基礎上還需要國家在宣傳力度上下功夫，讓更多的人認識并且了解被動式建筑，在心理上接受被動式建筑。在此發展情形下，以期在不久的將來我國可以實現全面綠色建筑的目標。

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