浅谈对被动式建筑的认识

赵丽华， 王　琴

(扬州职业大学, 江苏 扬州　225009)



浅谈对被动式建筑的认识

赵丽华， 王琴

(扬州职业大学, 江苏 扬州225009)

摘要:被动式建筑设计本质在于以人为中心,努力通过建筑设计的改变来提高人们生活的质量,建筑功能实现的同时也实现对自然能源的保护,全面促进整个人类社会的可持续性发展。本文以国内外城市建设中被动式住宅建筑为主要研究对象,内容关注建筑发展问题,结合城市发展实际状况,对被动式建筑的产生和发展提出了自己的认识和观点,以期望对被动式建筑设计研究能有所裨益。

关键词:被动式;建筑设计;理念;技术升级

近年来中国经济发展迅速,在实现国家总产值增长的情况下,环境问题日益突出。作为设计行业从业人员,承担着建筑可持续发展的责任,探讨更适合环境更适合时代要求的建筑,成为必然趋势,所以本文就“被动式设计” 、“被动式住房”进行研究,以期望对国内被动式建筑的发展提出一些有效的建议和意见。

一、被动式建筑的提出

“被动”这个词语是相对于“主动”而言的,传统意义上有指待外力推动而行动的意思。但是在建筑设计行业使用的“被动式设计”、“被动式住房”的含义却有着不同的内容。

首次出现“被动式住房”概念是在1988年,当时瑞典的亚当森博教授与德国的沃尔夫冈·菲斯特博士在进行建筑方面专业讨论时候,讨论内容中第一次提到“被动式住房”这个名词,而后在很长一段时间里,德国为了这个概念的建立与推广做出卓越的贡献。对于“被动式住房”通俗易懂的解释就是实现建筑的节能,建筑物在不主动进行或者尽量减少能量消耗的情况下实现建筑物功能最大化。

“被动房”原理并不复杂,通过提高建筑保温、隔热和气密性能,再通过新风系统对热冷进行循环回收,打造出典型的舒适“梦想房”,并实现热循环回收、建筑节能的环保节能效果。[1]它的核心思想与绿色建筑是一致的,绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内,最大限度节约资源,节能、节地、节水、节材、保护环境和减少污染,提供健康适用、高效使用,与自然和谐共生的建筑。

被动式建筑是绿色建筑设计在具体实施过程中的优化典型。绿色建筑以人、建筑和自然环境的协调发展为目标,在利用天然条件和人工手段创造良好、健康的居住环境的同时,尽可能地控制和减少对自然环境的使用和破坏,充分体现向大自然的索取和回报之间的平衡。被动式建筑是现代绿色建筑顺应自然的典范,也是目前建筑领域节能理念和各种技术产品的集大成者,它也将是人类未来居住建筑的趋势。

德国早在19世纪70年代就开始在实验室研究被动式建筑,到2010年为止国内有大量的建筑项目实现被动式,占到整个世界被动式建筑的三分之一。而在中国被动式建筑尚处于初级发展阶段,在这样的背景下,研究被动式建筑设计具有划时代的意义。

二、被动式建筑的设计理念

被动式建筑的核心就是能效,从建筑的根源上分析,建筑是利用建筑材料进行建筑施工活动实现建筑空间,满足人的使用功能和精神需求,实现高能效,可以从建筑材料、建筑施工技术、建筑空间设计等建筑最基本的要素出发,研究分析实现建筑更节能更舒适的目的。

当研究建筑史的时候会发现在不同历史时期,不同国家不同地区使用着不同的建筑材料,土、石、木、钢、玻璃、芦苇、塑料，甚至是冰块等一切可以利用的材料,因地制宜成为不变的原则。被动式建筑也不例外。被动式建筑理念适用于世界各个地方,只是每个国家每个地区要根据气候环境的具体分析规划出适合本地的被动式建筑原则。例如德国被动式建筑的一些参数应用到中国就需要调整,而中国的北方严寒地区和南方的多雨地带实现被动式建筑又不用。但是一条基本理念是因地制宜地尽可能利用自然条件和环境,减少或不用化石能源,通过采用高效的节能措施,增强建筑物的保温性和气密性,同时减少室内热(冷)量的散失,并利用可再生能源实行采暖和制冷。

荷兰一名建筑师公布了就他看来的世上第一个100%绿色的小城市,而这和我们现在所居住的相去甚远。在设计师眼中的未来城市中,人们生活在由回收的木头搭成的楼房中,其表面还几乎被绿叶植物所完全覆盖,以达到冬暖夏凉节约能源的目的。这座绿色的乌托邦小城被建在一个城市的林地中(图1),因此这附近没有丝毫汽车的踪迹,也没有架在空中的各种电线,但其却能在这种情况下保证能源与水源完全地自给自足。这种高大、修长且可拆卸的房屋有着6m×6m×12m的树状结构,使用了三层玻璃窗和太阳能电池板,其拥有壮观的植被立面。该建筑基本上就是阿拉伯数字“1”的形状,但在其内部却设有玻璃大厅、天窗、大窗户和法式大阳台。[2]这一概念普遍适用于现在多数城市以及大自然的设定。

图1　100%绿色城市

政府作为整个社会发展的规划者,应该扮演主要推动者的角色,如果政府出台政策要求严格按照国家规定的被动式建筑规范,明确指出被动式建筑采用的具体施工标准,同时一系列经济扶持政策跟上,那么对于地方被动式建筑的发展将起到积极作用。建议政府能够提供相关咨询指导,更重要的是政府提供更优惠的低息利率政策, 以吸引开发商等对被动式建筑进行开发设计。

三、被动式建筑实现的主要技术指标

理解被动式建筑关键技术可以用下面一个小例子解释。一只不锈钢的水杯和一只紫砂水杯,同时放进同样温度的热水,在一定时间后,测试发现两个杯子水温不同,即外部材料的保温能力决定了散热情况的不同,如果让温度较低的水杯提高温度那么需要继续加热,这就是主动式了,而利用材料本身降低散热就是被动式。再接着这个例子继续,如果两个水杯材料相同,但是一个杯子的盖子很严密,而另一个口径则有空隙,也决定了散热的不同。用这个例子就很容易理解被动式建筑的关键技术是杰出的保温墙体、创新的门窗技术、高效的建筑通风、电器节能。

例如在斯德哥尔摩以北80公里地区建造的被动式房屋,其围护结构热工性能达到了相当高的水平。在保温方面,被动式节能房匹配了一系列的技术和材料系统,其外墙外保温铺装厚度超过20cm,屋顶保温层是超过30cm,并且两层之间楼板均铺设有保温板,阳台与外墙之间也进行了保温分隔。由此可见,当围护结构达到如此优异的性能后,室内外的热交换被降到最低。[3]

对于门窗技术,首先是窗框材料的选择,窗框体采用超级保温复合框体,而窗户采用的玻璃,被动式建筑也有明确要求。玻璃采用三玻两腔结构使其具有超强的保温性能。值得庆幸的是,目前国内已经与德国相关行业联合研制出符合国内被动式建筑发展需要的房屋用窗标准的产品——森鹰PASSIVE120。

在中国青岛的建筑项目“在水一方”15#楼可以说是在中国的首个被动式建筑案例,该项目玻璃采用复合真空玻璃和三层双中空充氩气的结构,它的传热系数0.65～0.88W·(m2K)-1, g=0.5;外窗框采用多腔塑料型材,传热系数1.5W·(m2K)-1,整窗K=1.00W·(m2K)-1。[4]

在2010年上海世博会上,中国馆以低碳为核心,采用了LOW-E双层中空钢化玻璃。这是一种新型节能安全玻璃,可以阻挡阳光中的大部分热能和紫外线,可见光的透射率则高达80%。在炎热的夏天,既降低了制冷能耗,又保证了充足阳光(图2)。

图2　2010年上海世博会中国馆

上述给建筑物穿“衣服”的做法是保持室内自然恒定气温的一种方式,而在建筑中有意设置“通风廊道”也是一种保持冬暖夏凉的重要方法。不论是北京的侨福芳草地还是杭州的低碳科技馆,它们都在大楼内部保持高挑宽大的中庭,安排流线型的通风走廊与通风竖井,从而引导自然风,减少空调能耗。

地道通风技术的应用也普及开来,这一绿色建筑技术在贵安新区清控人居科技示范楼中也有所应用。基于建筑冷热负荷分析和能耗模拟软件以及地道通风模拟程序,设计和模拟了该地道通风系统的运行效果,该建筑设计地道采用长度为150m、内径为1m的高密度聚乙烯通风圆管,最高风量设计为5000m3·h-1,管内设计风速为1.77m·s-1。关于地道通风系统的运行,冬季采用定风量,即最小新风量(项目设计为50人,1500m3·h-1),夏季采用3档变速。夏季的运行策略为:根据当日预报最高气温和前一天地道出风温度进行高、中、低档风量调节。该策略的物理意义在于:当日预报最高气温预测当日的负荷,预测的最高气温越高,当日负荷越大,需要增加新风量,从而增加供冷量;前一天地道出风温度描述了地道的制冷能力,前一天地道出风温度越高,说明地道制冷能力越弱,需要增加新风量,从而保证项目需要的供冷量。[5]

这些被动式建筑运用通风换气系统的原理。为了保持室内的新鲜空气,要求及时与废旧空气进行交换,同时保证新鲜空气的温度与室内相适应,被动式建筑的能量回收通风系统,将废气中的大部分热量留住,加热进入室内的新鲜空气。预热的新鲜空气,通过管道线路,送到各个房间，热量回收之后的废气,通过管道线路排到室外，用建筑自身的能量为建筑本身提供支持。

四、被动式建筑关注新能源利用

2015年米兰世博会,中国馆展出的“中国梦花园”里呈现这样一个场景:园里有集水装置将雨水转化为饮用水，水流冲刷而下呈现水幕电影……而这美妙图景的呈现并不需要额外供电。屋顶上的那一层薄膜能持续吸收光,转化为电能为花园里各项设备供电。花园里采用的就是太阳能薄膜,其厚度只有数微米,而转化为电能的比例则高达13%。比起传统太阳能电池板,它重量轻、可塑性强、成本低、转换率高(图3)。[6]

图3　2015年米兰世博会,中国馆展出的“中国梦花园”

国外也有优秀案例: 总部位于伦敦的sbotic建筑事务所在建筑集成聚光太阳能发电方面取得了进展,提出了“六大城市太阳能高层建筑”方案。这种零排放的都市塔楼采用一种透明的球形太阳能聚光镜与串联的微型的光热接收器来生成供住宅使用的能源。根据建筑所处的地理位置,这一能源总额只需要25年就能够完全抵消掉这个初期建设成本。这个有着太阳能发电装置的建筑外墙创造了很大的收益,同时使建设总成本降低了40%(图4)。

图4　球形太阳能聚光镜

在实施被动式建筑的关键技术中提到了太阳能的利用,中国也已经发展到一定阶段。特别值得一提的是扬州地区,扬州是太阳能晶硅生产基地,例如扬州大学附属中学0.45808MW太阳能光电建筑应用示范项目,扬州市级机关事务管理局973.5KW太阳能光电建筑应用示范项目,扬州市体育馆1034.6KW太阳能光电建筑应用示范项目等。扬州太阳能的研发制造已形成产业优势,为江苏乃至全国的被动式建筑发展奠定了良好的基础。

五、结语

由世博会引入的德国汉堡之家是中国第一座经过认证的被动式建筑,对于推动国内节能建筑发展,包括能源标准的发展和市场政策的导向,也具有一定的示范作用。我国的被动式低能耗建筑还在起步阶段,目前,住房和城乡建设部提出:“加强中德超低能耗绿色建筑技术研究和试点示范,促进建筑节能与绿色建筑深入发展。总结中德秦皇岛和哈尔滨示范工程经验,有序扩大试点范围和试点建筑种类”。扩大更高水平节能标准的实施范围,研究启动“建筑能效提升工程”。 因此,秉承现阶段中国建筑可持续性发展的理念,在建筑设计和建筑施工技术应用方法进行积极探索,研究出被动式建筑实现的可能性。这是新时期对建筑行业发展的新要求与必然趋势。

[参考文献]

[1]曹和勋,被动建筑的节能可能性和设计技术[J].门窗,2014(12):25.

[2]佚名.100%绿色的未来城市设计[EB/OL].(2015-07-15)[2015-08-01].http://www.landscape.cn/news/events/project/foreign/2015/0715/174920.html.

[3]周辉,董宏.瑞典被动式建筑节能技术措施及启示[J].建设科技,2013(9):37-40.

[4]刘甜甜,唐健正.绿色建筑门窗系统中玻璃的优化解决方结论案真空玻璃[J].建筑建材装饰,2014(4):79-82.

[5]宋晔皓,金龙林，孙青芬，等.贵安新区清控人居科技示范楼可持续整体设计思考[J].生态城市与绿色建筑,2015(2):36-40.

[6]佚名.充分利用太阳能,塔楼变为能源生产者[EB/OL].(2015-07-01)[2015-08-01].http://www.cnwb.net/html/XW-News-2-17761.html.

(责任编辑：杨洁)

On the Passive-form Architectural Design

ZHAO Li-hua, WANG Qin

(Yangzhou Polytechnic College, Yangzhou 225009, China)

Abstract:The passive-form architectural design lies in the people-centered essence, striving to improve the quality of people’s lives by changing the architectural design, achieve natural energy protection as well as architectural functions and comprehensively promote the sustainable development of human society. In this paper, the emergence and the development of passive-form buildings are analyzed by taking passive-form houses in urban construction at home and abroad as the research target, with focus on the building development. Combined with the actual situation of urban development, the authors’own understandings and opinions are proposed on the emergence and development of the passive construction, hoping to be helpful for the research into passive-form architectural design.

Key words:passive-form; architectural design; concept; technology upgrading

中图分类号：TU 201.5

文献标识码:A

文章编号:1008-6536(2015)04-0027-04

作者简介：赵丽华(1978—) 女,扬州职业大学土木工程学院讲师,硕士。

收稿日期：2015-09-01