超低能耗被动式建筑设计方法探讨

韩 凯

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

改革开放以来，我国经历高速发展，综合国力尤其是经济国力明显提升，人民生活水平明显提高。大规模经济发展对资源消耗还是很大的，每年都在提高，因此，建立资源节约型社会已经迫在眉睫了。为提高建筑物的舒适度和安全，减少建筑施工过程与运用中的能耗，有效节约土地资源，在德国率先提出了超低能耗生活绿色建筑的概念之后，和传统建筑物一样，被动型低能耗生活建筑最关键的就是把高效节能的建筑物围护结构技术，太阳辐射和热增益效应等被动型节能相结合。总之，它是一个完全不需要“主动”能源供应的建筑物。

1 超低能耗被动式建筑设计的现状

1.1 被动式超低能耗建筑概述

低能耗的被动式建筑物，是指一个高效、节约、舒适、安全的新型建筑物。它是目前建筑节能发展的主要趋势。不但能在当前科技条件下给人类提供更舒适、更安全的生活环境，同时也可以明显减少建筑能耗，在国内受到了更多的重视。能耗很低的被动式建筑物的主要就是通过应用最新科学技术，比如采用隔热性能良好的建筑物材料，或使用更有效的清洁空气热处理技术等，以减少建筑物的供热和冷却需要，而节能也是建筑物的主要特点之一。若在全年均满足住户的生活需要，年均能耗可以达到85%。由于建筑材料具有稳定的隔热、隔音和耐久性，密封性能非常好，但不影响空气流通。特别是在不同的室内外温度和湿度条件下，人们有着良好的生活体验。由于该建筑配备了高质量的空气循环和过滤系统，不仅可以保证室内外空气循环，还可以保证室内空气质量。

1.2 被动式超低能建筑的发展概况

能耗极低的被动式建筑由自然通风、自然光、热源和冷源组成，维护结构具有高效节能的特点。在20世纪80 年代首次提出了能耗极低的被动建筑概念，自1991 年德国第一座低能耗建筑竣工以来，已经过去了近30 年。事实上，德国是第一个使用低温建筑的国家，在建筑和使用方面积累了很多经验。针对我国的具体形势和国情，建立我国特色的能源消耗建设。另外，为适应经济大开发、不同气候环境以及地区发展不均匀的现状，还需要建设适应不同形势的建筑环境分析方法，以精确捕捉我国的气候特点。所以，大力发展超低能耗建设可望改变我国资源过量消耗的局面。

1.3 被动式超低能耗建筑设计原则

低能耗的被动型建筑物是指为了符合气候特征与自然要求，采用高保温、高密闭的方法并利用洁净空气热处理技术，有效利用可再生能源的建筑物以创造最适宜的室内环境。被动式设计策略，主要用来设计合适的定位、蓄热材料、安全保护设备、自然通风系统等的应用。通常这些策略都被广泛认可，尽可能被动地利用可再生能源建筑，超低能耗的设计，给人类社会创造了一个健康、高效、节约土地资源的经济发展模式。

1.4 超低能耗被动式建筑在设计上的关键点

在超低能耗被动式建筑的设计上，应当最大限度地使用太阳能。对性能极低的被动型建筑物，设计时应当保证结构的最大房间面积，并使隔热、空气密度和隔热层的设计。密封和绝缘层的结构，虽然密封和隔热可以分开或重叠，但在项目开展之前，被动建筑规划必须由内部密封和隔热层包围。一般来说，客厅、卧室、书房、餐厅、浴室、厨房和走廊都安装在保温层上。从经济角度来看，走廊和楼梯不能在密封层框架内考虑。鉴于生活空间之间的差异，为了降低设备和管道要求的复杂性，有必要相应地安排安装空间的布局和平面布置。低能耗建筑的被动通风性能通常是通过一个综合通风装置来实现的，该装置可以保证建筑所有部分的通风要求。为了减少热损失，设备必须安装在卫生间、厨房等特殊屋顶的外壳上。在房间布置上，设备间集中布置较好，因为在输电线路、能量分配和能耗过程中，管道长度最小，通风装置的热损失和冷损失也较少。

新空气系统的通风系统须安装国际通用热处理系统。在建筑设计中，如果热桥系数不大于0.01/（MK），热桥的设计和计算不称为热桥设计。在房屋结构中，一些预埋件的保温性能，如外墙上的钢筋混凝土环远远低于主体的保温性能。由于传热大，内部温度也低于主体温度。在设计热桥节点时，需要确定热桥的各个部分，并借助有限元软件分别计算热桥系数。如果热桥的设计不符合被动式住宅的标准，就必须不断重新设计，以满足被动式住宅的需求。

2 优化超低能耗被动式建筑设计方法

2.1 优化被动式超低能耗控制策略

室内环境管理是极小能耗被动建筑技术的基础，为了提供更安全的室内环境。隔热结构的设计是建筑控制的第一个要点。尤其应采用被动式技术方法，使建筑物不受外界高温环境的影响，室内外温度一直保持在合适的自然环境中。在过去，除开启门窗调整温度之外，还可能设置供暖或中央空调系统，以达到对自然通风未解决的要求。热量和电力的有效利用，提高了房屋的能耗。换句话说，必须以最低的热消耗来实现人类对室内环境舒适度的要求。考虑到我国各个地方的气候条件和自然环境不同，能源很少的被动式建筑的设计都是严格按照国家标准指标限制每年的冷却能力和供热性能。因此，每一次供热、照明和空调系统的年能耗都按标准≤限制在四十五千瓦时/（m2.A）/5.6 （m2.A），气密性为≤0.6。另外，该设计还具备了节水功能，可以有效提高人类的生活环境。特别是通过采用更有效的控制，能够减少建筑物的能耗，从而可以在不同的气候环境中应用。被动式技术还可以降低加热器的能耗，确保寒冷地区室内环境的舒适性。在炎热地区，它适用于低能耗的被动式建筑设计，还可以改善生活的舒适性。通过应用被动式技术，该技术的应用充分结合了太阳能、自然风、植物植被等自然条件，实现了围护结构、低空气密度、高性能条件下的新鲜空气热回收和可调遮阳。在建筑设计过程中，因为建筑设计内容的复杂化，设计者可以提高建筑方法的科学合理性以及新科学技术的运用，从而实现对超低能耗控制的要求。

2.2 被动式超低能耗建筑设计

健康适宜的室内被动式节能建筑，四季的室温可维持在人体最适宜的18～24 ℃之间。当室内外气温过高，可通过调节外墙外窗或遮阳系统使温度控制在20～26 ℃。夏季室内外气温小于28 ℃，相对湿度小于70%。移动冷却系统室内环境温度为≤26 ℃，相对湿度≤60%。在室内供暖区域，不宜采用被动制冷系统，而在天气较好的情况下也不宜采用主动制冷系统。如没有加热，则过热时间为≤10%。建筑热桥的设计和计算基于非热桥的设计，即热桥的热连接数量必须小于0.01W/（MK）。利用有限元软件对热桥进行数值模拟，确定热桥系数。在壳体中，许多预埋件嵌入到外墙中，其隔热性能低于钢筋混凝土环梁。这些部件的传热远大于主要部件的传热，因此内部表面温度低于主要部件的温度。考虑到控制室内的湿度，既要保证人员的舒适性，又要节约能源，需采用一般的热回收方法。由于性能极低的被动建筑具有良好的气密性，通过外壳逸出的空气量相对较小，在通风过程中可以忽略，供气和回风率应为1 ∶1。

新工艺的设计要求如下：该系统为新风热回收系统，供气量为100%M.K。当室内空气通过新风系统加热时，加热器用于安装新风系统，送风温度设计在28～52 ℃。如果厨房配备冲压式黑色排气装置，则必须有独立的供气系统，或排油装置必须配备自己的成品油排气装置。在利用率低、熔断丝用量少的厨房，熔丝和新风机可与风道组合，出风口可由新风单元排出。这种设备适用于小型和中型厨房设计，油烟净化效率不低于98%。补充空气必须直接从外部引入，并进行密封和绝缘。在补风管路进口处设置一个密闭保温阀，电动阀与炉盖连接。如果屏蔽系统未打开，必须关闭良好，不得有任何空气逸出。与传统设计过程相比，增加了初步设计评审。其主要目的在于通过检查初步设计图纸，确认初步设计文件中的问题。审查建筑物外保温层的设计厚度；检查外壳设计是否用于防止热桥，确保大楼有工作区。检查水管和气管的类型是否减少到至少五种，设计质量要求详细设计、详细设计分析和详细能耗计算，以确保节点的计算。计算文件包括：能耗模拟表、外围保护结构功率计算表、室内电器通风计算表及年能耗计算表、能耗模拟表简要，介绍了模拟进入条件（建筑面积、容积、性能参数、各种外壳结构面积、建筑运行条件等），以及气象参考要求和模拟方法。包括了至少每年的供暖要求、年气候要求、每年度供热需要、空调和照明等一次能源。新风系统的最小新风量按照每天的最小新风量、各个房间的卫生排风量以及室内新风的最小通风时间推算，取最大新风量。新风部门的计量表格中要标示房间数量、平均新风指数等技术参数。而针对每个文件中，所选用的新风机组要标明新风排出数、热利用系数、风机出力等技术参数。

2.3 施工方案技术要点

在施工方案中，应注意确保建筑物气密层的健康，在水平面和建筑剖面上清楚标明气密层的位置和方向，并在设计说明中规定气密性低的特殊结构系统的关键部位。在设计说明中注明防水材料名称，在结构节点图中明确设计方法和要求。气密层通常沿着建筑物的外墙、屋顶和内地板铺设。气密材料必须确保一定程度的完整性、灵活性和耐久性，以便在后期不会坍塌。一般由现场混凝土楼板、现场混凝土墙、油漆砂浆、密封包装布、密封胶带组成。墙、板、木板、石膏板、天花板、油漆、通风施工材料和其他拼接材料不能用作防水层的一部分。由于气密性较低，重要的地方包括但不限于安装窗户、外部部件和封闭结构的开口。特别是外平面、窗户布局、洞口支撑结构、屋檐结构、转角结构、机电管道穿墙连接等主要构件的密封处理。为避免损坏密封件，必须协商合适的设计方案。安装系统中考虑热桥和气密性。在建筑工程中，穿越外墙、屋面和基础的管道处理采用低保温、低气密性的工作方式。在施工过程中，安装门窗、安装室内装饰、安装室内装饰后送风门必须至少安装完成后检查两次。

2.4 被动式超低能建筑的未来发展趋势

随着建筑建造的快速发展，带来了许多环境问题，针对我国的具体形势和国情，建立能源消费建设，尽可能被动地利用可再生能源建筑，超低能耗的设计，给人类社会创造了一个健康、高效、节约土地资源的经济发展模式。按照联合国环境署的一个报告，全世界建筑物的总碳排放量目前仅为世界总超临界二氧化碳排放量的32%。但经过这一发展之后，2050 年左右建筑物的总体超临界二氧化碳排放量将达到世界超临界二氧化碳排放量的10.5%。通过应用被动式技术，该技术的应用充分结合了太阳能、自然风、植物植被等自然条件，实现了围护结构、低空气密度、高性能条件下的新鲜空气热回收和可调遮阳。目前，最成熟的建筑技术是被动式低能耗建筑技术，已有部分成功使用案例。同时，节能减排效果好，也有着很重要的推广使用价值。

3 结束语

超低能耗被动式建筑物的设计规范与应用，充分考虑了自然环境、天气条件和建筑物类型等的因素，大大增强了被动型技术的使用效益。在这样的人居环境中，建筑使用者才能完全实现对人类的幸福需求。发挥能耗极低的被动型房屋的建筑与应用效益，增强房屋建筑与应用的节能减排效益。所以，承担重大工程建设的技术人员应当不断实践研究成果，以支持现代经济结构的整体发展。在当前的新经济时期，节能减排已成为经济社会发展的重要主题。而建筑业则成为重点耗能者，同样需要为节约与环保资源作出重大贡献。因此节约能源与资源符合建材行业对节能减排的需要，实践性很强，在建材行业有着良好的前景。