被动式节能技术在绿色建筑设计中的应用研究

2022-10-28李瑶

四川建材 2022年10期

李瑶

(湖南工业大学，湖南株洲 412000)

1 被动式建筑的背景与概念

1.1 被动式建筑的背景

世界各国为应对全球环境恶化、实现可持续发展等问题，在建筑节能方面进行了大量的探索，并且取得了不错的成果。欧洲各国在2002年通过并且在2010年修订完成了《建筑能效指令》，其中该指令要求欧洲各国要在2020年前实现所有建筑接近零能耗，同时欧洲各国也有根据自身国情所制定的建筑节能要求[1]。在此期间，德国“被动房”的提出为零能耗建筑的实现提供了可能，其通过提高其外围护结构的热工性能和门窗的气密性，利用高效的新风系统，采用高效的热回收技术，将建筑所需能耗降低至15 kWh/(m2·a)[2]。美国就这一系列问题提出2020—2030年实现零能耗建筑可以在技术和经济上的可行[3]。亚洲地区韩国提出在2025年实现全国境内实现全面零能耗建筑的目标[4]。世界各国都在积极地制定节能技术要求，努力实现超低能耗建筑的全覆盖。

我国国土面积较大，横跨气候区较多，各地区环境复杂，经济条件和基础设施差异较大。因此我国各地区无法做到节能技术的全面统一。在这方面我国和世界上的其他国家存在较大差异，但是我国也在努力推进节能技术在全国的应用，各个地区也相应提出了适宜当地气候环境和自然条件的节能技术指标。我国各地在节约并高效地使用自然资源，不使用或尽量少使用不可再生能源，而更多地使用可再生能源，实现建筑的可持续发展作出了巨大努力。

1.2 被动式建筑的概念

低能耗建筑是指在建筑运行过程中，建筑所消耗的能源远低于普通建筑的一类建筑物，同时尽可能地使用可再生能源，实现建筑的可持续发展[5]。低能耗建筑在节能技术方面进行不断的创新和探索，提高材料的性能从而减少建筑物在使用期间所浪费的能量，以此实现减少能耗的目的，这与被动式建筑通过设计以不主动消耗能源，被动地节能有所不同。

被动式建筑是在建筑设计中充分考虑场地内环境资源等因素，采用合适的建筑朝向、先进的蓄热材料、适合的遮阳装置、充分的自然通风，尽可能利用自然采光、自然通风和可再生能源，提高建筑保温性能和门窗气密性，利用高效节能的新风热回收系统，实现建筑接近零能耗，降低后期运营所需费用。

2 建筑被动式节能设计

2.1 外部环境节能设计

在建筑节能设计中外部环境因素直接作用于设计，所以在设计过程中应充分考虑外部因素对建筑的实际影响。例如：我国北方地区节能设计主要以保温为主；而我国南方地区则以隔热为主。同时我国北方地区受到日照的影响建筑几乎均为标准的正南正北朝向而在南方地区因为日照充足建筑朝向并没有那么严格的要求。在做建筑节能设计尤其是在进行被动式节能建筑设计时，设计人员更加应该根据当地的气候、风向、日照等因素综合考虑，因地制宜，通过大量的数据分析做到最经济、最节能、最低碳的绿色节能建筑，实现建筑零能耗。

2.2 建筑内部节能设计

在建筑设计中如何减少或直接规避建筑中存在的采光通风不理想的空间正是设计师应该着重考虑的问题。一座建筑或多或少都会存在相对不好使用的空间，那么这些空间是否可以被有效的利用，或者进行特殊设计使这些空间成为建筑中不可多得的亮点空间，建筑师作为空间营造者应该去认真思考并进行深入的探索。

2.2.1 外围护结构

建筑节能设计在外围护结构方面进行优化，增加保温隔热材料，减少室内外的热交换，从而降低建筑的耗能量。被动式建筑则是在此基础上采用提高保温隔热材料的性能、增加隔离层、建筑无热桥等方法，阻断室内外的空气热交换，进一步大幅降低建筑的耗能量，实现建筑的超低能耗甚至零能耗。

2.2.2 外部门窗

建筑中大多数的热交换是通过门窗部分进行的，所以在节能设计中应在满足房间采光的要求下尽量减小开窗面积。应根据需要选用具有良好气密性、水密性、隔声性、抗风性的门窗，例如：为提高室内采光可采用高透低辐射镀膜中空断热铝合金玻璃门窗。被动式建筑采用的是被动式窗扇，不可开启，最大限度地降低门窗部分的能量流失，从而降低建筑整体的耗能量，实现建筑零能耗的目标。

2.2.3 高效新风热回收系统

大多数建筑为了满足冬季采暖和夏季降温的需要都会安装供暖设施和空调，在部分节能建筑中也装有新风系统，帮助建筑调节室内温度，营造舒适的室内环境。绿色建筑节能设计中在过渡季节尽量使用自然通风而在非过渡季节则使用人工干预的方法控制室内温度和空气流通。被动式建筑因为窗户没有开启扇，所以室内温度和空气流通全部依靠新风系统，因此高效的新风系统是必须的。建筑内部通过新风系统与外部进行气体交换，也会散失部分热量，所以在零能耗建筑中热回收是必须的，将新风系统和热回收系统相结合，真正做到建筑能量消耗最低化。

2.2.4 新能源的利用

世界能源危机已经让世界各国认识到可再生能源的利用才是世界未来的主流，所以在绿色建筑节能设计中尽量使用可再生能源已经成为设计热点，因此太阳能、地热能、空气能等在建筑设计中的应用也得到了大力发展。现在住宅建筑中太能光伏板已经被广泛地应用，地热能和空气能等也在广泛地推广中，相信在不久的将来建筑所需均可由可再生能源提供。

2.2.5 新技术的提升

可调节的遮阳板、导光板、导光筒等在解决建筑室内采光问题上发挥了主要作用。装配式屋顶绿化和墙体垂直绿化不仅减轻了绿化本身的重量、降低建筑荷载，也减少了施工的工作量。BIM系统的应用也在一定程度上减少工程浪费和工程造价，技术的不断提升也在不断减少建筑垃圾的产生。智能人工系统在建筑运营中的应用也进一步降低了建筑在后期的能量消耗，例如：电梯群控，智能照明系统等。

3 被动式建筑案例分析

3.1 乔托莫被动式节能学校

该项目位于波兰乔托莫，于2013年竣工。根据当地的环境和风土民情，设计师彼得·恰尔内茨基采用了“村落式”独栋建筑模式，并因考虑成本问题建筑使用均是最基本的建筑材料和简单的用色。此设计中将整个建筑进行拆分，由大小不一的多个小建筑组成，因此获得了一系列有趣的内部空间，因为建筑是相对独立的多个建筑，每栋建筑之间通风良好并且日照充足。将教室部分拆散分布在各个小单元中，利用其他空间让教室获得天然的隔热效果。每个教室还配备了独立的通风设备，并且安装了二氧化碳感应器和高效的空气新风系统，使得每一个教室都可以拥有足够的新鲜空气。此设计采用全封闭建筑表皮是为了尽量减少建筑内外热量交换，实现耗能最小化。建筑供暖和降温系统采用地下热交换器，共60个孔洞，每个孔洞深85 m，拥有良好的供热制冷效果。建筑内光源全部采用节能LED灯，实现建筑最低能耗。节能设施如图1所示。

图1 乔托莫被动式节能学校节能设施示意图

3.2 比科住宅楼

该项目位于美国加利福尼亚州，于2014年竣工，设计师是摩尔·乐伯·约德及其事务所。此建筑包括33套住宅以及住宅下方的配套商业零售空间和社区服务空间等。建筑中间是一个经过精心设计的庭院，所有功能房间围绕中间庭院布置，这样的设计使得建筑拥有良好的自然采光和自然通风。此建筑最主要的设计亮点在其使用的材料方面，其中，玻璃纤维绝缘材料中至少20%是回收利用的材料，地基材料中采用15%以上的粉煤灰或矿渣混凝土，外立面保护层使用寿命至少50年，此建筑在材料使用方面尽可能地使用回收利用材料，同时在施工过程中进行废弃物管理，尽可能的减少材料的浪费。节能措施如图2所示。

图2 比科住宅楼节能措施示意图

3.3 清华大学超低能耗示范楼

该项目是2008年奥运建筑的前期示范工程，主要作为推广节能、生态、智能技术等在建筑中应用的暂时功能使用。此项目在设计期间进行了多种围护结构的模拟测试，包括最基本的耗能量和传热系数等计算，用数据有利地说明了不同的维护结构自身存在的差异。通过设计充分利用自然通风和自然光照满足室内基本的照明和通风需求，同时利用热压通风和风压通风等方式，使室外空气在压力的作用下贯穿流过室内。该项目中装有四台超低能耗的新风机组，通过这些机组可以自由地调控建筑室内的湿度和温度，为了达到室内空气质量，新风系统的耗能量是非常巨大的，但此项目中新风系统自带有热回收率超过80%的热回收系统，充分利用热能的同时保证室内空气质量。该项目中还利用了BCHP系统、地源热泵、太阳能光伏板、智能化控制系统等，在一个项目中同时体现这么多的节能技术是前所未有的新尝试，为我国发展超低能耗建筑提供了模板，同时为我国零能耗建筑的开发奠定了强有力的基础。如图3所示。

图3 清华大学超低能耗示范楼节能技术示意图

4 被动式建筑的未来发展问题探索

我国被动式建筑的发展时间还较短，但是成果已经较为显著。因为我国南北跨度大，最南部城市和最北部城市气候相差较大，所以我国对建筑节能设计只能是较为笼统地总结要求，而无法做到细致入微，虽然每个省都有相应的建筑节能设计的相关要求，但是偏远地区对相关规定的执行力较弱，大多数的建筑仍然没有进行节能设计。被动式建筑在造价上比普通节能建筑高，所以被动式建筑发展受到了一定的阻碍。

被动式建筑外围护部分都是封闭的，为了更好地提高窗扇的气密性，窗扇是不可开启的，室内空气交换全部依靠新风系统，这样的形式对于很多人来说是不能接受的。人们会考虑停电后室内空气是否会混浊甚至闷热难耐，虽然被动式建筑中的电能一般并不是全部利用城市电网，但是人们对被动式建筑的了解并不深，并不知道被动式住房的供电系统是如何组成的，所以许多居民对被动式住宅仍然持观望态度。国家在大力扶持绿色建筑的开发过程中，也应该加大宣传力度，让人们可以深入地了解被动式住宅，并且在心理上接受。