被动式建筑在西北地区的应用适宜性探讨

赵翔宇， 周海玲

（西南交通大学）

1 引言

随着“双碳”目标的提出，我国节能建筑发展水平还亟待提高，相应政策需尽快补充完善[1]。被动房作为建筑低碳、节能的深入方向，以超低能耗为概念原则[2]，项目范围延伸、涵盖了近零能耗、零能耗与产能建筑（正能量房），是建筑领域推动我国实现碳中和的关键研究课题[3]。本文从气候特征、地理条件、产业结构等因素入手，分析和探讨被动式建筑在我国西北地区的应用适宜性和发展机遇。

2 应用适宜性分析

行政区划概念下，西北地区指陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆五省，简称“西北五省”；自然区划概念下，西北地区指我国西北内陆的一个区域，包含大兴安岭以西，昆仑山——阿尔金山——祁连山和长城一带以北，包括内蒙古自治区、新疆维吾尔自治区、宁夏回族自治区和甘肃省的西北部。

2.1 西北地区气候特征

西北大部地区地处温带大陆性气候，夏季高温，冬季寒冷，气温的日较差和年较差大。根据《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-2016），西北地区被寒冷地区和严寒地区的热工设计分区全部覆盖。其多年最冷月平均气温-8℃～13℃，最热月平均气温20℃～26℃。年平均相对湿度只有50%～55%。主导风向为西北风，年平均风速3-4m/s。日照辐射总量高达6200MJ/㎡·年～7400MJ/㎡·年（见图1）。大部分地区年平均降雨量从东部的400mm左右，往西减少到200mm，甚至50mm以下，年降水少是西北地区的总体气候特征。

图1 1960年～2009年西北地区多年平均太阳总辐射年总量空间分布[4]

被动式建筑(见图2)在西北的应用特点体现为需主要解决冬季保温问题，充分利用太阳能，同时兼顾雨水收集利用和地下水保护。地区适宜的被动式建筑技术重点为：①抱团式建筑体型设计；②提高建筑围护结构材料的热阻R，降低传热系数K[5]；③提高构造节点气密性，防止冬季冷风渗透；④围护结构增加空气间层，充分利用空气的蓄热性能延缓围护结构内外表面热交换；⑤严寒和寒冷地区，建筑总能耗中供暖能耗占比最大，太阳辐射能够有效降低冬季供暖能耗，却会增加夏季制冷能耗，因此适当的遮阳措施需被考虑[6]。可以说，被动式建筑在西北地区的应用不应被当成一种新奇的模式，这种选择其实也是“被动的”，是建筑为适宜西北地区自然气候特点的最佳可行方案[7]。

图2 被动式建筑示意图

2.2 西北地区地理条件

我国西北纬度位置大致在北纬36°以北，北纬53°以南，世界上第一座示范被动式建筑（见图3）所在的德国达姆施塔特克兰尼斯坦区（纬度49.8728253，经度8.6511929）也在这个纬度范围之内。西北地区的地形地貌相当丰富，同时拥有雪山、高原、盆地、平原、草原、沙漠、戈壁、绿洲的地貌特点。然而地面植被由东向西深入内陆呈现逐渐减少的趋势，自然景观从森林草原型过渡至石质戈壁、荒漠型，人类活动的影响加剧了这种减少趋势。中国沙漠总面积约70万km2，如果连同50多万km2的戈壁在内总面积为128万km2，占全国陆地总面积的13%。西北干旱区是中国沙漠最为集中的地区，约占全国沙漠总面积的80%（见图4）。

图3 德国达姆施塔特第一座示范被动式住宅（图片来源：网络）

图4 西北地区典型荒漠化地貌（图片来源：电影《一秒钟》剧照）

地理条件的严酷导致西北的生态环境异常脆弱，任何生态破坏造成的影响都只会加深生态向恶化的趋势发展，而无法被自然环境自我调节和消化。如果继续按照过去“大手笔、大项目”的粗放发展模式，建筑业持续地以高耗能建筑为主，忽视了建筑业全流程总能耗对环境的影响，忽视了低能耗建筑对西北地区生态和经济上长期发展而“省出来”的效益和其影响下产生的特色产业。在今天全国生产力发展水平仍处于不平衡的背景下，西北地区将难以走出荒漠化和人口外流的趋势，还可能使全社会对西北防沙治沙环保公益工作所做的贡献事倍功半。

2.3 西北地区供暖情况

近年来，随着农村人口向城市迁移和集中，以及生活居住条件的改善，传统低效的采暖方式被逐步取代为具有动力泵的集中供暖系统和主要依靠天然气或电能的分户式采暖系统。改进的采暖方式大大避免了对室内空气质量的污染，易于操控管理，易于监测维修，在环保和安全性方面性能更优。尽管传输距离变长、传送过程的热损失以及初期的建设安装成本意味着比传统方式更高的能耗和运行费用，但从长周期来看，随着不断优化的能效成本，运行费用有逐步降低的趋势。当前，在“碳中和”和大力支持新能源发展的背景下，供暖能源经历由非再生能源、产生二氧化碳的二次能源制品→可再生清洁能源的转变过程，西北地区引进先进供热设备，如2021年西北首个投产的“多能互补”型供热站——幸福林带供热项目全面建成（见图5），利用天然气、太阳能及地热能的互补作用，回收烟气中90%以上水蒸气，发挥余热供暖，预计每年减少二氧化碳排放量8032t，节约天然气成本951万元，助力低碳发展[8]。

图5 幸福林带项目效果图

3 西北地区建立被动式建筑研究中心的机遇

资源型工业和传统农业构成主要的西北地区经济结构，主要支柱产业离不开能源开采、文化旅游和农业。独特的气候和地理特征从根本上限制了西北地区从低利润的农业向一些高新产业进行转型升级，使经济依然过度依赖自然条件。较为落后的基础设施建设、广袤的不适宜居住的沙漠地区、缺乏产业完整性、产业支撑的城市集群也难以吸引国内沿海地区的高新产业和技术人才向纵深内陆转移。既然无法搭上眼前的顺风车，这就逼迫西北地区必须以长远的眼光、较长的回报周期考虑，在以保护生态为基础上建立特色产业。自然环境造就的生存策略反映在文化上，就包含西北人勤奋刻苦的性格特点、朴素节俭的生活习惯和普遍重视教育、尊师重道的良好社会风气等；反映在建筑上，则是以生土建筑、夯土建筑为主的传统民居，如新疆“阿以旺”，陇东土坯合院、陕北窑洞等，都是就地取材、成本低廉而且生态友好的建筑形式。在国内被动式建筑发展刚刚起步的阶段，整个理论框架与产业链上下游面临许多空白。尤其是缺少项目实践的当下，再加上被动式建筑技术原理的季节性及气候区域局限性[9]，西北地区尤其应是被动式建筑最好的试验场和最该被重视及推行的开发热土。西北地区应该抓住机遇，尽快普及被动式建筑有关知识，研究建设成本与后期经济效益的关系，积极申请政府扶持补贴，加快制订被动式建筑的地方规范，建立国产化被动式建筑材料生产基地，主导形成全国范围内从设计到建筑全寿命周期维护的完整产业链，培养定向化的相关设计和施工技术人才，优先建立起我国的被动式建筑研究中心。

4 结语

西北地区地处中国建筑气候分区中的寒冷地区和严寒地区，与被动房节能技术较为发达的德国均处于温带气候和相似的纬度区域下。生态环境的脆弱使西北地区对高耗能建筑的承载力极弱，也限制了西北地区的经济发展和产业转型。在国家提出碳中和庄严承诺及推动建筑节能进一步发展的背景下，西北地区应当把被动式建筑作为适宜本地区自然特点的“被动式”选择，积极建立起中国的被动式建筑研究中心。