适应重庆气候的被动房设计策略研究

赵俊刚 王皓月

摘 要：被动房近年来在国内日益受到关注，被动房设计与当地气候特征条件密切相关，探索与地域气候条件相适应的设计策略对于推动被动房技术的发展具有重要作用。梳理被动房建筑的概念、定义、原则和指标，对重庆地区的气候特点进行分析和总结，提出了寻求最佳的规划布局与建筑朝向，控制建筑体形系数，优化建筑平面布局，进行合理的遮阳设计，采用高性能围护结构，无热桥和气密性设计，积极利用可再生能源，采用高性能空气调节系统等设计策略，为重庆地区的被动房建筑设计提供一定的参考。

关键词：重庆;被动房;低能耗;气候条件;设计策略

中图分类号：TU201.5                            文献标识码：A                                       文章编号：2096-6903（2022）09-0101-03

0 引言

“被动房”是一种低能耗高性能的建筑，现已在德国、瑞典、美国等国家获得了较为广泛的运用，目前我国也已建成20多个符合国际水平认证（PHI）的被动式建筑示范项目，但大部分示范项目集中在太阳能、风能资源丰富的地区。因为重庆的太阳能资源相对缺乏，年平均风速很小，其设计经验很难直接在重庆地区使用。因此，如何在重庆的地域气候条件下进行被动房的设计是非常值得研究的课题。

1 被动房概述

1.1 “被动房”建筑的定义

定义一：“被动房建筑是指不通过传统的采暖方式和主动的空调形式来实现舒适的冬季和夏季室内环境的建筑”。这是欧盟委员会支持的欧洲被动房建筑促进项目（Promotion of European Passive Houses）中对“被动房”建筑的定义[1]。

定义二：“被动房是指通过采用先进节能设计理念和施工技术使建筑围护结构达到最优化，极大限度地提高建筑的保温、隔热和气密性能，并通过新风系统的高效热（冷）回收装置将室内废气中的热（冷）量回收利用，从而显著降低建筑的采暖和制冷需求”。这是引自中德合作示范项目手册中对“被动房”建筑的定义。

1.2 “被动房”的原则与标准

一般来说，被动房的设计应遵循5个原则：无热桥设计、高性能窗户、带热回收的新风系统、高保温性能和高气密性的围护结构。

2国内外被动房发展和研究简况

2.1 国外“被动房”发展和研究简况

1996年，菲斯特博士在德国成立了“被动房”研究所，该研究所现在是“被动房”建筑最权威的研究机构之一。如今，欧洲、美洲等发达地区许多国家都出现了“被动房”建筑研究的相关机构。

如今，成千上万的“被动房”实践项目已在欧洲落地开花，“被动房”的概念范围也得到了合理的延展，从过去的仅限于住宅建筑逐渐渗透到各种各样的公共建筑中。

2.2 国内“被动房”发展和研究简况

2009年中国住房和城乡建设部与德国能源署展开合作，推动被动式低能耗建筑在中国的发展。

中国建筑标准设计研究院2017年编制出版了国家建筑标准设计图集《被动式低能耗建筑——严寒和寒冷地区居住建筑》，对严寒地区及寒冷地区的被动式低能耗居住建筑建设起到了指导作用。

截至2020年底，国内已有河北、陕西、湖南、山东、黑龙江等多个省颁布了被动式低能耗建筑节能的设计标准来指导当地的被动式低能耗建筑发展。

3重庆地区气候特点分析

分析当地的气候特点，是进行被动式设计的基础和关键。

重庆属于我国建筑热工设计分区中的夏热冬冷地区，下面从温度、湿度、风环境、日照、降水等几个方面对重庆地区气候特点进行分析。

3.1 温度

重庆年平均气温为18℃。其中在1月气温最低，月平均气温为7℃，有记录的最低气温为零下3.8℃。7、8月气温最高，白天平均气温34℃～36℃，夜晚平均氣温25℃～27℃。重庆气温呈现非常典型的“夏热冬冷”的特点。

3.2 湿度

重庆年大部分地区平均相对湿度在78%～83%之间，且冬季较小，夏季最大，为国内高湿地区。

3.3 风环境

重庆地处东亚季风区，受东北、西南向平行岭谷地形影响，冬季多偏北风，夏季南风较强，年平均风速1.12 m/s，静止风频率较多。

3.4 日照

重庆年均日照量相较于全国其他城市较少，年平均日照时数为1 200～1 300 h。7月至8月，月平均日照时数为230 h，其他月份则不足150 h。

3.5 降水

重庆年降雨量在1 000～1 100 ml之间，汛期一般出现在6至8月，夏季三个月的降雨量约为463～506 ml之间。从寒露到立春多雾，年均雾日约60 d。

总的来说重庆的气候特点可以概括为：夏热冬冷，四季分明;空气湿润，降水丰沛;无霜期较长，太阳辐射弱，日照时间短;多云雾，少霜雪;光温水同季，立体气候显著。

4重庆地区被动房设计策略

通过分析现有被动式技术与成功经验，在重庆气候条件下，推广被动房建筑应主要考虑降低建筑能耗需求，改善能源系统和设备效率、充分利用可再生清洁能源等因素[2]，具体来说主要有以下设计策略。

4.1 寻求最佳的规划布局与建筑朝向

建筑的整体规划布局会对建筑能效有较大影响。被动房建筑技术应从规划阶段开始，考虑如何利用自然能源在冬季获得更多的热量，减少热量损失，在夏季减少热量，加强通风。具体而言，夏季应加强自然通风，设置绿化和景觀以减少热岛效应，减少夏季新风负荷，提高空调设备效率;在冬季，应控制建筑的遮挡，加强日照吸热，通过对建筑空间布局的分析，营造适宜的风环境，减少冬季寒风的穿透力。各种方案的对比分析需要计算机软件精确模拟，以获得最佳的布置方案。

建筑物的朝向直接影响其内部的热环境，是节能设计的关键点之一。重庆地区建筑最佳朝向范围为南偏东15°至南偏西5°，并应该尽量避免西晒。在设计中，应将建筑的主要朝向控制在最佳朝向范围内，使建筑在全年获得最合理的日照条件，从而达到以较低成本，充分利用太阳能的被动式建筑设计目的。

4.2 控制建筑体形系数

体形系数是影响建筑能耗最重要的因素之一，控制建筑的体型系数可以减少建筑表面与外界的热交换，降低夏季的制冷和冬季的采暖能耗。在设计中采用较规整的建筑造型，增加建筑进深及高度是减小体形系数、降低空调能耗的有效途径。确定建筑物体形系数时应综合考虑建筑造型、功能布局和采光通风等要求，选择最佳的建筑形态[3]。

4.3 优化建筑平面布局

被动房建筑房间通风好坏与热环境的舒适程度受建筑平面形态影响较大，良好的平面造型设计可以减缓被动房的冷热损失，加快内部污染的扩散，改善室内空气质量，提高人体舒适度，通过优化建筑空间和平面布局，获得良好的自然通风并尽量形成穿堂风，消除室内余热;充分引入自然采光，减少对人工照明的依赖;重庆夏季气温高，日照强烈，应尽量减少西向窗口或幕墙面积，避免西晒引起室内过热[4]。

4.4 合理的遮阳设计

重庆地区夏季炎热，太阳辐射较强，且静风时间较长，建筑遮阳作为一种降低室内温度的有效措施对于该地区具有较大的实用价值。

固定遮阳的设计应综合考虑建筑物的朝向及纬度等因素，并参考当地的太阳高度角与方位角进行日照分析。重庆属于夏热冬冷地区且纬度较低，太阳高度角较大，对南面朝向的窗户来说较小的水平遮阳就可以达到很好的效果。东向和西向应根据具体情况设置垂直遮阳、综合遮阳、挡板遮阳或者活动外遮阳来起到夏季遮阳的作用。

另外，利用落叶植物夏季枝叶茂盛，冬季没有树叶的特性，可充分利用落叶植物对低层及多层建筑、高层建筑的低层部分形成自然遮阳。

4.5 高性能围护结构策略

被动房维护结构一般采用保温材料将外墙、屋面和其他裸露部位全包覆，形成连续完整的保温体系，使得建筑主体围护结构受到全面保护。

从节能保温角度考虑，外围护结构采用外保温系统效果更好，且保温层应连续完整，避免出现热桥;外围护结构的墙体材料宜采用热惰性大的复合墙体结构;宜采用浅色饰面或具有反射隔热功能的涂料饰面;优先选用高性能保温材料，减小保温层厚度;屋面保温材料应具备较低的吸水率、较好的抗压性能、较好的抗温度变形性能。

外门窗型材应采用断桥铝合金、PVC塑料、木材和铝木复合等保温性能好的材料，外窗及阳台门的玻璃应尽量采用三玻双中空玻璃，并采取设置Low-E层、真空层或填充惰性气体层、边部密封构造等加强玻璃保温隔热性能的措施。

4.6 无热桥设计

被动房建筑中的热桥影响会远远超过普通节能建筑，减少热桥是实现超低能耗目标的关键因素之一。热桥现象常出现在外墙板、外门窗的安装节点，进出建筑物的管道口及传统混凝土结构的梁柱等处，需要在这些部位进行重点处理;外围结构的保温层如果能保持连续完整，就可以最大程度地避免出现结构热桥。

外门窗的安装方式应根据墙体的保温形式进行单独设计。当墙体采用外保温系统时，外门窗应整体外挂式安装。门窗框内表面应与基础墙外表面齐平，门窗应位于外墙外保温层内。外门窗与基础墙的连接处应采取封堵措施以便减少热桥的影响。

4.7 高气密性设计

建筑物气密性是影响建筑空调能耗和供暖能耗的重要因素，对实现超低能耗目标来说，由于其维护结构较好的保温隔热，由单纯围护结构传热导致的能耗较小，相反气密性如果不好，能耗的比例将大幅提升，因此建筑气密性能对被动房来说比一般建筑更加重要。良好的气密性可以减少冬季室外冷空气和夏季室外热空气的渗透，同时可以避免因湿气侵入而引起的霉变、结露和建筑物损坏，减少外部噪声及空气污染对室内环境的影响，提高建筑物的舒适性。

对于被动房来说，在正常设计施工条件下，外门窗的气密性对建筑整体气密性影响较大。设计时，应选用气密性等级高的外门窗，并在外门窗与门窗洞口的连接间隙处进行气密性处理;对各类洞口、水电管线贯穿点、不同围护结构的连接点等可能影响气密性的部位，如排风设备、围护结构的边界点等，应进行有效封堵，并同时确保封堵材料的耐久性。

4.8 可再生能源利用

目前，许多发达国家都重视开发、利用和推广各类可再生能源。我国家用太阳能系统产品发展迅速，太阳能热水系统是投资回收期最短、节能效益最好的系统，技术成熟，有生活热水需求的居住建筑推荐安装太阳能热水系统。但重庆各地区的日照条件不尽相同，应根据建筑物的位置、气候条件和建筑形式等因素综合考虑，选择合适的类型和位置安装使用，并应与建筑物造型及环境相协调。当太阳能热水系统需要辅助加热时，宜采用空气源热泵等。对于重庆的多数地区，夏季日照丰富而冬季日照不足，不太适合采用太阳能热水系统。但是可以采用太阳能发电系统，夏季发电较多，可有效降低夏季用电高峰的峰值。

重庆水源较为丰富，很多地方有条件采用地源热泵系统。采用地源热泵系统集中供冷、供暖时，如果地埋管换热器的出水温度、地下水或地表水的温度满足末端进水温度需求时，可直接利用。项目实施过程中应注意选用高能效水源热泵机组，提高能效。

4.9 通风和空气调节策略

被动式建筑由于围护结构保温、隔热、密封性能优异，通过围护结构产生的空调冷、热负荷在总负荷中占比很少，新风负荷是主要负荷。可采用带热回收功能的新风空调一体机，即可满足室内供冷、供暖、除湿需求，通过加强对新风和回风的热、湿和过滤处理，实现对室内空气的温湿度及洁净度等的有效控制。该空调方式目前已较为成熟，可在被动式建筑中大量推广。

5结语

通过分析被动房的基本概念，梳理国内外“被动房”发展和研究状况，分析重庆地区的气候特征，运用建筑性能模拟软件Ecotect Analysis对重庆地区与被动式设计策略进行研究，提出了寻求最佳的规划布局与建筑朝向，控制建筑体形系数，优化建筑平面布局，进行合理的遮阳设计，采用高性能围护结构，无热桥和气密性设计，可再生能源利用，采用高性能空气调节系统等策略，希望能给对重庆地区被动房设计提供一定的参考，对促进被动房在重庆及气候条件接近西南地区的发展贡献绵薄之力。

参考文献

[1] 周正楠.对欧洲“被动房”建筑的介绍与思考[J].建筑学报， 2009（5）：10-13.

[2] 张丽娜，季亮，方舟.长三角夏热冬冷气候下的被动式绿色设计策略及其量化效果分析[J].建筑技艺，2020（7）：102-105.

[3] 任志刚，张强，涂警钟，等.基于气候适应性分析德国被动房概念在中国的实现[J].建筑科学，2017（4）：150-157.

[4] 宋晔皓，王嘉亮，朱宁.中国本土绿色建筑被动式设计策略思考[J].建筑学报，2013（7）：94-99.