“被动式”节能技术的运用与启示★

张 辉 肖承志

(湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430068)

0 引言

随着全社会低碳节能意识的提高，建筑的节能正逐渐成为该领域设计发展的大趋势。虽然当前大多数人热衷于先进的节能技术和设备，但我们不能忘却最基本的节能方式——“被动式”节能:通过非机械电器设备等干预手段来降低建筑的能耗。它在实现的过程中，设计手段强于技术手段，而且着重考虑建筑的朝向、周边环境、内部空间结构和外部形体等方面的影响，同时结合材料的构造设计来实现能源节约的愿望。

1 多种技术的综合

建筑节能设计常常需要依靠多项技术的综合运用来实现可观的节能效益，在2010年世博会的阿尔萨斯馆案例的设计中就采用了多种“主动式”和“被动式”的节能手段来达到良好的综合效果。其中较为重要的几项“被动式”节能策略包括:建筑朝向、围护墙体和屋顶设计等，他们在节能技术中有着非常重要的地位。表1列举了阿尔萨斯馆所采用的节能技术以及“被动式”节能手段所占据的比重。

表1 阿尔萨斯馆节能技术与被动式节能手段

这些手段主要涉及设计手法、设计的构造以及建筑材料的选择等方面。其中建筑朝向、屋顶设计的做法属于设计手法的一部分;围护墙体属于材料的选择部分。因此，考虑设计的各个阶段并将其融入到建筑节能设计之中，才能达到良好的综合效果。

2 案例启示

2.1 节能设计的一体化

节能设计的一体化是指在建筑设计之初，就将节能设计的理念充分纳入其中，使之成为建筑设计的重要组成部分。而“被动式”节能手段并不是简单机械地附加于建筑之上，而是通过对空间组织、建筑造型和立面等方面的综合考虑，来达到有机统一的目的。在以往很多案例之中我们可以充分地感受到节能设计思路融入在整体设计之中。一方面将建筑的结构、空间布局与节能设计整合，即在建筑的结构和空间设计时融入“被动式”节能方式，实现技术与建筑和环境的一体化。以哈桑·法斯设计的埃及民居为例(见图1):建筑有着厚重的泥石墙，封闭和半封闭的庭院，穹顶塔，高低窗洞，建筑材料以沙、石为主。建筑的这些特点，是与埃及的地理环境和气候有着密切的关系的。

埃及是典型的沙漠之国，全境95%为沙漠，夏季气温高，昼夜温差较大，全境干燥少雨。每年4月～5月间常有“五旬风”，夹带沙石。厚重的墙体以热容性较差的碎石和泥沙作为主要材料，能够很好地保持室内温度的恒定，同时就地取材，降低了建筑的成本。封闭和半封闭的庭院能与沙漠沉闷的热气流、强烈的太阳辐射形成良好隔绝，形成大量的阴影，辅以良好的通风，可以有效的减弱埃及地区炎热气候的影响。穹顶塔能利用室外强大的热气流发挥“烟囱效应”进行拔风，使室内的空气流动，改善空气的质量。高低的窗洞除了可以直接采光和便捷空气的流动之外，还能够减少室外的热气流进入室内。

图1 哈桑·法斯设计的埃及民居

如图2所示是民居的平面图与剖面图，主要体现的是建筑的布局与室内的空气流动。从平面图上看，风由西北方向吹来，在迎风面只开有一个小窗，能够降低室外环境(热气流、沙石)对室内的影响，因而将建筑的入口都设置在背风的一面。

剖面图主要表现室内空气的流动，它的原理就是下沉式蒸发冷却，具体如下:风从西北方向吹来，在风挡的作用下进入室内，首先会遇到一个装满水的陶罐，使热空气的温度降低，密度变大，就会下沉，会把室内的空气挤出去。再加上高穹顶所产生的强大“扒力”，室内通风和空气流动的效果就越明显(见图2)。

图2 民居的平面图与剖面图

干热地区的中庭要注重隔热，避免过量通风，同时要采用增湿的策略。由于空气干燥，湿度很小，因而需要在中庭内增加水体的设计，并结合通风来进行蒸发制冷和增加湿度，同时充分利用夜间自然通风来降温(如图3所示)。中庭中央的喷泉能为室内降温和增加湿度。

图3 中庭通风增湿示意图

如图4所示，是2010年上海世博会法国阿尔萨斯案例馆，它的正立面由水幕太阳能系统和植被幕墙系统两部分组成。水幕太阳能系统玻璃幕墙从外到内包括三个层面:外层为太阳能电板和第一层玻璃，中间是个可开可闭的空气层，最后一层还是玻璃，上面有水流过，构成水幕玻璃。值得注意的是，每一层玻璃都造得非常厚实，尽可能阻隔因热传导导致的能量损失。外层玻璃本身也是由两层玻璃粘合而成的“超厚”玻璃，厚度达4cm～5cm。

图4 法国阿尔萨斯馆案例

图5是水幕太阳能系统的工作原理及示意图。“冬天模式”:所有的玻璃窗全部关闭，使得中间层成为一个密闭空气舱。经过阳光照射以及太阳光在光电板上转换成电并发热，密闭舱里的空气被迅速加热，并源源不断送往风机，就能持续地给室内各个楼面供暖。“夏天模式”时，外层玻璃打开实现通风;同时经位于屋顶的水泵抽送，水幕以每小时48m3的流速不断冲刷着内层玻璃，再加上太阳能板产生的阴影，三管齐下，使得中间空气层的温度有所降低，从而起到给建筑降温的作用。同时太阳能光电板产生的能量将成为水泵的动力来源。

图5 水幕太阳能系统工作状态图

植被幕墙的存在作用不仅起到了良好的遮阳效果，同时吸附浮尘，提高空气质量，极具视觉观赏性还可以起到吸收二氧化硫、甲苯等有害气体的作用。不仅对建筑自身的能量环境有所保护，还可以影响周边环境。

2.2 蓄热体的应用

在传统建筑中，主要通过对空气的直接制冷或加热来调节室内温度，而哈桑·法斯设计的埃及民居作为一座“被动房”与传统温度的控制理念大相径庭。它充分利用了蓄热的作用，即通过围护体的蓄热性能来维持室内温度的相对恒定。这种方法和过去的空调不同，蓄热体通过建筑材料的热惰性来维持室内温度的稳定性。其工作原理如下:白天，具有蓄热作用的围护结构的表面温度低，缓慢向室内提供热辐射，室内温度相对恒定。夜间再通风降温排解蓄热，冬天反之亦然。这样的调温方式温和稳定，相对于空调则拥有更高的宜人性。同时也是一种良好的被动式节能手段，减少甚至免除了因用空调所消耗的能量。

2.3 建筑开窗

开窗一直是建筑设计中的重要环节，早在柯布西耶的新建筑“五要素”中就给开窗以特殊的定义。如今在节能要求的考量下，什么时候开窗，如何开窗有了新的诠释。

首先是出于功能的考虑。以往设计中影响开窗的因素主要有景观、立面造型、通风采光等，因而在我国大部分地区往往采用南向大面积开窗，北向小面积开窗的做法。而阿尔萨斯馆的开窗方式和传统的做法大相径庭:南面为水幕墙和植被幕墙，其余各面为普通玻璃幕墙。其主要原因有以下几个方面:

1)建筑功能。

作为展览性建筑，要避免直射光。

2)使用时间。

作为世博馆，其主要展期为以夏季为主的5月～10月，主要是应对夏季的高温天气和过于强烈的太阳辐射。

3)照度要求。

其次是考虑到节能与采光之间的平衡。

3 “被动式”节能建筑的设计方法

经过多年的继承与探索，“被动式”节能技术主要体现在如下几个方面:

1)场地规划设计。通过场地的利用来遮挡或吸收太阳的辐射;利用或防止主导风向，增加或降低温湿度;利用地形、水体、植被以及群体建筑的布局来实现环境利用的最优化，达到节能的效果［1］。

2)单体设计。通过合理的平面布局来实现自然采光和通风。通过对建筑体形系数的控制达到保温节能的目的。在生态学的观念下，结合各区域气候的特点，利用自然条件和人工构筑物，积极地顺应和组织自然风的流动，利用自然风压、热压和机械辅助等手段实现建筑的自然通风，如果要使用能源，则尽量从太阳能、风能、地热等资源中获取［2］。

3)维护结构的保温隔热。采用保温性能良好的维护材料，降低结构能耗。目前在规范的要求下，国内保温措施日益普及。

4)建筑的遮阳。通过遮阳的设施来阻挡过多的太阳辐射。从过去的遮阳板、遮阳百叶到现在立面的整体设计，建筑的遮阳已成为研究的热点和设计创新的突破点。

5)绿色建材的使用。使用耗能低、可回收、可降解的建筑材料，根据材料的全寿命全周期考量建筑生态节能。目前这一做法在国内还没有被广泛的采纳。

4 结语

节能是在保证人们使用舒适的前提下，尽可能的降低能耗的做法，只有多技术的综合运用才能达到可观的节能效果。其中“被动式”的节能手段具有适应性强和使用便捷的特点。通过对案例的分析和这些案例的启发让我们认识到节能设计的运用离不开特定区域气候环境的制约。“被动式”节能设计应该紧紧的抓住地方气候的特点，采取适应气候、利用气候资源的策略，综合运用各种节能设计的手段，不仅有利于在目前节能目标基础之上更进一步，而且也有利于居民健康，满足亲近大自然的心理需求。

［1］陶漪蓝.被动式节能技术的运用与启示——基于对城市最佳实践区实物案例的考察［J］.绿色建筑，2011(2):75-76.

［2］陈华晋，李宝骏，董志峰.浅谈建筑被动式节能设计［J］.建筑节能，2007(3):47-48.