被动式超低能耗建筑设计基础与应用

曹涛

（山东大卫国际建筑设计有限公司，济南250001）

1 引言

城乡一体化进程的加快带动了我国建筑行业的迅猛发展，在现代建筑施工建设和使用的过程中，往往会消耗大量的能源资源，并不符合可持续发展的要求。对此，在建筑设计中，应重视能耗的控制，借助被动式设计策略，在保障节能效果的同时，为人们提供更加舒适、更加健康的生活与工作环境。

2 被动式超低能耗建筑概述

被动式超低能耗建筑就是在建筑设计、施工和使用的过程中，尽可能地减少能源消耗，通过少用甚至不用主动暖通空调系统的方式来维持室内热环境，是现代建筑顺应自然要求的典范，同时，也是建筑节能发展的主要方向。被动式超低能耗建筑存在3个核心特征，分别是顺应自然、超低能耗和高舒适度。在建筑设计环节，采用被动式设计策略可以借助建筑朝向、遮阳装置、蓄热材料、自然通风等自然因素实现对可再生能源的直接利用，在推动社会可持续发展方面有极其深远的意义。对比现行国家建筑节能标准，被动式超低能耗建筑的供暖和供冷需求能够降低85%～95%，而要达到这一目标，需要满足6个主要技术特征，分别是：高效非透明围护结构保温系统、高节能保温门窗、高效热回收新风系统、良好的气密性、无热桥设计和可再生能源利用[1]。

3 被动式超低能耗建筑设计基础

3.1 理论方法

被动式超低能耗建筑设计理论综合了建筑设计学、建筑气候学和建筑环境学的相关理论知识，以科学实验为支撑，针对人体热舒适气候规律进行研究，形成了多样化的设计模式，是低能耗建筑设计领域的一种创新，满足建筑可持续发展的要求。在被动式超低能耗建筑设计的过程中，设计人员遵循热平衡理论，通过对自然采光、自然通风以及太阳能采暖等要素的合理利用，减少了暖通空调等设备的使用，降低了建筑能耗。在被动式超低能耗建筑设计中，需要对地域性气候资源利用、建筑设计技术应用等问题进行解决，尽量提高对自然资源的利用率，减少人们对设备的需求，取得良好的节能降耗效果[2]。

3.2 环境因素

被动式超低能耗建筑设计基础中的环境因素体现在2个方面。

3.2.1 气候大环境

气候环境因素是建筑设计中需要考虑的一个核心问题，在我国，南北地区的气候差异极其明显，南方（如海南等地）夏季气温高，对于供冷有着非常强烈的需求；北方（如东北三省）冬季气温低，需要大量的暖气供应。基于此，在被动式超低能耗建筑设计的过程中，需要做到因地制宜，选择最为合理的技术，依照气候大环境，做好设计方案的优化调整。

3.2.2 室内外环境

被动式超低能耗建筑设计需要设计人员对照完善、精确的数据，做好室内外环境特征的综合分析[3]。具体来讲，应在充分考虑当地气候特征的情况下，从近几年的气候数据中提取典型要素，做好日照、辐射、风速、温度、湿度等方面的全面分析，对照建筑本身的功能需求进行设计，尽可能降低建筑运行能耗。以长野冬奥会速滑馆为例，采用了双层可调节呼吸外墙，并在墙体中设置了相应的空气夹层，可在冬季和夏季通过开合调控的方式实现冬季保温、夏季隔热的良好效果。在屋面上设置了高低侧采光天窗，通过折射的方式将光照引入室内，满足室内采光需求的同时，也能避免眩光引发的负面影响。

4 被动式超低能耗建筑设计应用

4.1 体型朝向设计

在被动式超低能耗建筑设计中，建筑的朝向应尽量采用南北朝向，这样能有效实现自然通风和采光。为了避免主要功能用房西晒的情况，可以在建筑西侧外墙设置相应的景观廊架，搭配垂直绿化来阻挡夏季西侧强烈的太阳照射，提升室内环境的舒适度[4]。在对建筑体型朝向进行确定时，应从其功能方面进行考虑，不能为了追求立面的变化而一味采用复杂化的设计，导致能耗增加。同时，在对建筑群体进行布置，或者对建筑单体形态进行设计的过程中，需要避免建筑大面积处于风场涡流区的情况，可以通过对风速、风量的合理调节，实现建筑自然通风。

4.2 自然能源利用

以自然能源代替常规能源是被动式超低能耗建筑设计的一个重要体现，通过对太阳能、风能、地热能等的合理利用，能够有效减少建筑使用环节对传统能源的消耗，促进节能降耗目标顺利实现。以太阳能技术为例，太阳能是一种绿色、清洁、可再生的能源，具备持续再生以及零污染的特性，其在被动式超低能耗建筑设计中得到了广泛应用，一般是通过在建筑顶部设置太阳能热水器或者太阳能电池板的方式，为建筑提供热水和电能，满足建筑的使用需求[5]。

4.3 保温系统设计

在保温系统设计中，需要重点关注以下3个方面的问题。

4.3.1 保温材料

从被动式超低能耗建筑设计的角度，在对保温材料进行选择的过程中，应充分考虑建筑本身的功能需求，保证材料的性能、规格合理，如果条件允许，应优先选择绿色环保节能材料。而在对建筑保温隔热系统进行设计的过程中，应重视新型保温材料的合理应用，如无机保温砂浆、保温装饰一体化板、纳米隔热板、EPS泡沫板以及泡沫玻璃等，确保其在发挥良好保温隔热效果的同时，满足绿色环保的要求。

4.3.2 外墙保温

对于被动式超低能耗建筑，外墙保温系统设计是一个非常重要的内容，也是实现被动式超低能耗建筑节能的关键环节，可采用保温设计和隔热、散热设计相结合的方式，同时，将区域气候条件考虑在内。在我国不同地区，外墙隔热设计采用的技术存在一定的差异性，例如，在南方地区，夏季气候炎热，冬季相对温和，外墙保温系统一般会选择无机保温材料，或者墙面垂直绿化、淋水被动蒸发以及比较独特的通风墙、干挂通风幕墙等；在北方地区，夏季气候炎热，冬季寒冷干燥，建筑外墙保温设计的目的是防止室内热量散失，一般会利用苯板复合材料设置相应的墙体保温夹层，或者在墙体外部设置保温隔热层，相比混凝土材料和砖瓦材料，复合材料有更好的保温隔热效果[6]。

4.3.3 屋面保温

屋面保温与外墙保温类似，大多采用绝热挤塑聚苯板、泡沫玻璃等保温材料，设置通风隔热屋面，也可以设置附带通风空气层的金属夹层隔热屋面，相比外墙保温，屋面空间的可利用性大，屋面保温的形式更加多样化，还可以设置蓄水屋面、种植屋面等。以种植屋面为例，可以在屋面设置一定厚度的土层用于种植绿色植被，不需要另外设置保温层，就可以起到良好的保温隔热效果，还可发挥降尘、减噪、提高空气质量的效果，也能够营造出更加丰富的城市空中景观。不仅如此，种植屋面能够在一定程度上对雨水进行截流，有效缓解城市排水系统的压力。地板保温设计是北方房屋保温系统的一个重要组成部分，一般采用保温板和保温砂浆，通过在保温材料上设置配筋细石混凝土保护层的方式提高其保温效果[7]。

4.4 门窗系统设计

在对建筑门窗进行设计的过程中，应将建筑所处区域的气候、主导风向、温度、湿度等因素全部考虑在内，例如，在南方地区，应在南北朝向设置大窗，为通风和采光提供便利，东西朝向则应适当缩小窗体面积，同时，对窗体的位置和数量进行准确计算，确保室内空气能够形成对流。还应确定进风口和出风口的尺寸，以实现对室内气流速度和气流流场的有效控制，也可以通过设置挑檐、遮阳等具备一定导风功能的构件，对窗口的正负压进行区分，进一步增强空气流动性。在东西侧外窗需要设置相应的遮阳措施，在考虑天然采光效果的情况下，可以采用2种不同的遮阳方式：固定式遮阳和可调式遮阳。在保证采光的同时，避免眩光的影响。相比较而言，推拉窗比平开窗有更好的气密性。另外，应控制好门窗和建筑整体的比例，因为其会直接影响建筑整体的保温隔热效果。对于东向和北向建筑，门窗比应在20%以下；对于西向建筑，门窗比应在30%以下；对于南向建筑，门窗比不能超过35%，这样才能切实保证门窗系统的节能降耗效果[8]。

5 结语

对比主动式节能建筑，被动式超低能耗建筑不仅节能效果更好，而且还具备绿色环保的特点，在建筑工程领域得到了广泛应用。在新的发展环境下，有关部门应加大对被动式超低能耗建筑的研究，明确其设计基础和应用策略，确保被动式超低能耗建筑能更好地符合我国环境特征，实现良好的节能降耗效果，以此来推动我国建筑行业稳定健康发展。