面向可持续发展的被动式超低能耗建筑设计

2024-05-16缑思佳中煤邯郸设计工程有限责任公司河北邯郸056000

中国房地产业 2024年11期

文／缑思佳中煤邯郸设计工程有限责任公司河北邯郸 056000

引言：

在当前全球追求可持续发展的背景下，建筑行业作为能源消耗巨大的领域之一，其对气候变化、资源耗竭以及环境质量的影响不可忽视。《中国建筑能耗研究报告（2022）》指出，2020 年我国建筑业能耗总量为22.7亿tce，占全国各行业总能耗的45.5%，建筑业碳排放量为50.8 亿tCO2，占全国碳排放总量的50.9%[1]。因此，迫切需要采取有效措施提高建筑能效、减少能源浪费。被动式超低能耗建筑作为一种具有显著节能效果的建筑形式，得到了越来越多的关注。近年来，国家通过采取一系列措施，大力推进被动式超低能耗建筑建设。截至2020年8 月，我国各级政府共颁布115 项低能耗建筑鼓励政策，包括国家层面的13 项，以及21 个省、直辖市、自治区和16 个城市发布的102 项实施细则[2]。这些法规和政策都将被动式超低能耗建筑作为重要发展方向。

被动式超低能耗建筑设计注重充分利用自然通风、自然采光、太阳能辐射以及室内非供暖热源，最大程度地减少对外部能源的依赖，从而显著减少建筑运行阶段乃至整个生命周期内的能源消耗。通过降低碳排放，为碳达峰、碳中和等全球气候目标提供实质性的支持。因此，本文将深入研究被动式超低能耗建筑设计理论，并提出一系列在实际项目中可行的设计策略，为推动建筑行业向更可持续的方向发展提供有力论据。

1.被动式超低能耗建筑设计理论

1.1 被动式超低能耗建筑的概念及起源

被动式超低能耗建筑，又称“被动房”或“近零能耗建筑”，是指充分利用气候特征、自然条件及可再生能源，采用高保温隔热性能和建筑气密性的围护结构，以最少的能源消耗提供舒适室内环境，且其室内环境参数和能耗指标满足标准要求的建筑[3]。其标准为室内恒温（20-26℃、恒湿（40-60%）、恒氧（CO2≤1000ppm）、低噪（夜间≤30dB）、健康（PM2.5 ≤35µg/m3）。“被动房”以极高的节能效率著称，能源消耗仅为普通住宅的1/10 左右，整体节能率达90%以上。这类建筑具有节能环保，舒适宜居的优点，是引领绿色建筑的标杆，代表建筑的未来发展方向。

被动式建筑的概念最早由德国建筑师Wolfgang Feist 在20 世纪80 年代提出，并发展为“passivhaus”（被动房）理念。这一理念强调通过优化绝缘、减小热桥效应等手段，实现建筑在极端温度条件下的极低能耗。1991 年，Feist 建造了世界第一座“被动房”，其独特的设计理念和先进技术成为全球被动房设计的重要参考。被动式超低能耗建筑的理念不仅局限于住宅，还可广泛应用于医院、办公楼、商场和工厂等多种公共建筑类型。

1.2 被动式超低能耗建筑设计原则

被动式超低能耗建筑的设计原则集中体现在被动式原则和超低能耗原则两个方面。这两个原则共同构成了被动式超低能耗建筑设计的核心，旨在通过整合被动手段和高效能源技术，实现建筑的舒适性、高效能源使用和环保目标。

被动式原则是利用建筑自身的特性，通过合理的建筑布局和形态设计，最大限度地利用自然资源，降低对非可再生能源的依赖，实现建筑的舒适性和能源效率。其关键特征包括智能形态设计（包括建筑方位、朝向、形状、体量、窗户位置及窗墙比），以优化太阳能的利用；采用高效的绝缘和保温隔热措施及材料，减少建筑的热量获取和散失；合理设计的自然通风与采光系统，以最大程度地利用环境中的可再生资源；通过合理的室内布局和装饰，提高室内环境的舒适度。因此，在被动式建筑中，门窗、保温、新风和光伏等因素被统称为“被动房四要素”。

超低能耗设计原则旨在满足建筑功能要求的同时，通过优化建筑设计和采用高效能源技术，将建筑的能耗水平远低于常规建筑。这一设计原则包括最小化能源需求、提高能源效率、利用可再生能源和优化能源管理。通过合理的建筑设计和高效的能源系统，尽可能减少建筑的能源需求；通过采用高效的能源设备和技术，提高能源的使用效率；通过安装可再生能源设备，如太阳能光伏板和风力发电设备，实现可再生能源的利用；通过智能化的能源管理系统，实时监控和调整建筑的能源使用，以达到能源的最优化配置。

2.被动式超低能耗建筑设计策略

建筑设计是一个有机整体，将外在因素（如环境和形态）与内在核心（包括空间、功能、技术和材料）相融合。它综合呈现了功能与空间、材料与建造、环境与场所之间的关系，同时涵盖了建筑内外系统、环境、场地和空间等多种要素。据此，本章结合被动式超低能耗建筑的环保与高效能源利用的设计理念，提出了以下四个方面的设计策略。

2.1 建筑选址与布局设计

建筑选址是建筑设计的第一步，也是决定建筑能源消耗的关键因素。在被动式超低能耗公共建筑设计中，选址的决策应该综合考虑多个因素（气候、区域、场地），以最大程度地提高能源利用效率。首先，应考虑到建筑的日照时间和方向，选择有利于自然通风和采光的地点。例如，在选址时可以选择位于城市规划中的开阔区域，避免高楼密布的区域，确保建筑在白天能够充分接受自然光照。地形也是重要考虑因素，可以选择具有地形高差的地方，通过建筑形态设计引导空气流动，提高通风效果。例如，选址于山坡地形，通过建筑的布局使得冷空气下沉，热空气上升，形成自然通风的气流。同时，周围环境的质量也应纳入考虑。选址靠近公园或绿化带，可以充分利用植被的遮荫效应，减缓环境温度上升的速度。以城市中的建筑选址为例，选择靠近大型绿地的区域，不仅能享受绿化带带来的清新空气，还能降低城市热岛效应。

建筑布局的科学合理是实现能源效益的重要步骤。合理的布局设计应考虑建筑的不同功能区域之间的相互关系。例如，将办公区域布置在需要光照的南向或西向，以最大程度地利用阳光，并提高工作环境的舒适性。而辅助功能区域，如储藏室或设备区，可以布置在北向或东向，减少对主要活动区域的热量影响，降低能耗。在布局设计中还应注重建筑的垂直布局。多层和高层建筑不仅有助于节省用地空间，而且有利于降低体形系数。建筑体形系数是衡量建筑物节能效果的重要指标之一。它是指建筑物外表面积与体积的比值。体形系数越小，建筑的外表面积相对较小，减少了散热面积，从而导致建筑能耗就越低。因此，从降低建筑能耗的角度出发，应尽量将体形系数控制在一个较小的数值。根据计算结果，多层和高层建筑的体形系数较小（一般小于0.25），对节能较为有利[4]。在商业综合体的设计中，可以将商业区域设于底层，办公区域布置在中层，住宅区域位于上层，从而实现多功能区域的合理垂直分布。此外，要注意建筑的体块集散程度，适度的体块集中可以形成紧凑的建筑整体，减少外部墙面，降低体形系数，但是对环境资源的利用较弱。而体块分散对自然资源利用更充分，但可能导致传热问题和功能使用方面的挑战。因此，合理权衡体块集散程度与朝向，也是建筑布局中的关键因素。

2.2 建筑形态与空间设计

在被动式超低能耗公共建筑设计中，应采用简洁的建筑形态，以减少能源消耗。首先，应通过优化建筑的形状和体量，控制建筑的热量获取和散失。平面面积相等、高相等的情况下，体形系数以圆柱形最小，正方形次之，长方形最大。因此，设计时可以考虑采用圆形、椭圆形、正方形或者长方形等外形简洁、体积大的建筑形式，以减少外墙面积和热桥效应。同时，也可以采用高低错落的建筑体量，以利用高墙的蓄热效应和低墙的散热效应。当建筑选址确定以后，通过合理设置窗户和通风口，引导自然气流，实现室内通风与采光。通过考虑风向和气流路径，优化通风系统，减少对空调系统的需求。在窗户的设计中，控制不利朝向的开窗户比例，注意窗户的合理尺寸和位置，适当的窗墙比可以提高建筑的采光率，但过大的窗墙比会增加热量的获取。通过科学的建筑形态设计，旨在最大程度地利用太阳能，实现日照最优化。

其次，应通过灵活的空间布局，提高室内环境的舒适度。合理设置隔断和功能分区，使得常用的空间位于靠近自然光和通风的地方，减少对人工照明和空调的依赖。例如，可以将办公区、公共空间等常使用的区域布置在靠近窗户的位置，以利用自然光和自然通风。通过这种合理设置功能区域，可以实现不同用途空间的有机连接，提高使用效率。此外，也可以设计内院、天井等开放空间，不仅有助于改善室内的视觉感受，还提供了额外的自然通风和采光机会。以住宅为例，引入一个中央庭院，不仅可以让每个房间都能享受到充足的自然光，同时也创造了一个宁静、绿意盎然的休闲空间。空间布局优化是空间设计中的重要一环。对于既有建筑，可以通过重新规划空间布局，调整功能区域的位置，提高空间的适应性和可操作性。

2.3 建筑结构与保温设计

在建筑结构设计方面，被动式超低能耗建筑采用高效保温的围护结构和高性能的门窗，以提高建筑物的保温隔热性能和气密性。首先，应选择具有良好保温性能和绝缘性能的建筑材料，如加气混凝土、岩棉、聚苯乙烯等，有效隔离室内外温度差异，减少能源传递损失。这些隔热材料可以铺设在屋顶、墙壁、楼板和地基，使室内温度保持恒定。其次，窗户是室内外能量交换的关键点，窗户的设计应兼顾通风、采光和隔热效果。选择高性能的窗户，如双层或三层中空玻璃，玻璃间的空隙用惰性气体填充，能够有效隔离温度传导，提高保温隔热效果。采用Low-e（低辐射）中空玻璃窗，Low-E 玻璃对可见光的透射率较高，对红外线有很高的反射率，因而具有良好的隔热性能和节能效果。建筑气密性的提高也是关键，通过增加建筑物的密封性，可以减少冷热空气的交换，从而降低空调和供暖设备的使用。在门窗的安装过程中，通过使用高分子材料防水透气膜来封闭门窗与墙体连接处的内外两侧，隔离水分子而允许气体分子通过，实现防水透气效果。

在保温设计方面，可以采用断桥式的门窗设计和热桥隔离技术，将建筑热桥与建筑外围护结构设计统一起来，对容易产生热桥的节点针对性的加强设计，可以防止热量通过热桥散失。例如，可以在建筑物的梁、柱等部位设置断热材料，防止热量的传递。同时，也可以采用空心墙体或填充空气层的墙体设计，增加保温层厚度，以减少墙体的热量传导。这种设计策略特别适用于北方寒冷地区，能够有效应对极端气温。此外，屋顶绿化也可以有效地保温，在炎热的夏季阻止太阳热辐射，降低室内温度。在冬季通过绿化植物和种植基质形成的保温层，有效减缓屋顶热量的散失。此外，绿色屋顶和立体绿化还具有吸收雨水、减轻城市热岛效应、改善空气质量等多重环境效益。

2.4 建筑设备与系统设计

被动式超低能耗建筑设计追求不仅在结构上节能，更在设备和系统层面实现智能、高效的能源利用。

2.4.1 新风系统

新风系统核心在于通过预热、预冷处理进入建筑的新鲜空气，以保持室内温度的稳定。该系统能够实现高效空气处理，为室内提供更为健康和舒适的空气品质。不仅如此，新风系统的能耗仅为传统空调的六分之一，而功能却是其五倍，在整个建筑的节能方案中起到了至关重要的作用。

新风系统的工作原理涉及风道设计、换气频率控制等多个方面。通过科学的风道设计，可以优化新风的输送路径，最大程度地降低能量损失。同时，采用可调控的换气频率，使系统能够根据室内外环境变化进行智能调整，进一步提高能效。在系统的实施中，选择高效过滤器，能够有效去除空气中的颗粒物，提高空气质量。

2.4.2 太阳能供电

太阳能供电系统的核心组成部分包括光伏电池板、逆变器和储能设备。光伏电池板通过将光能转化为电能，实现对建筑电力需求的自给自足。逆变器负责将直流电转化为交流电，以满足建筑内部设备的需求。储能设备则用于存储白天充电得到的多余电量，以确保在夜间或阴天仍能够继续供电。

除了直接供电外，太阳能供电系统还有助于减少对传统电网的依赖，从而减少电费支出。其环保特性也符合现代建筑绿色发展的理念，是被动式超低能耗建筑不可或缺的一部分。

2.4.3 地源热泵

地源热泵技术是一种可再生能源利用技术，通过利用地下的地热能量进行空调、供热和热水等能源利用。这项技术的运行费用仅为普通中央空调的40%～60%，能效高出40%以上。地源热泵系统不仅在能源效益上具有显著优势，而且对环境的影响相对较小。

地源热泵系统的核心原理是通过在地下埋设换热器，利用地下相对稳定的温度进行换热。在制冷和供热时，该系统能够更高效地提供舒适的室内环境。由于地下温度相对较为稳定，地源热泵系统在运行过程中无热污染和二氧化碳排放，对环境影响较小[5]。系统的实施中，需要对地热资源进行深入勘测，并根据实际情况进行地下管道的布置。合理的地热井深度和布局是确保系统正常运行的重要因素。此外，通过与建筑外围护结构设计统一，可以进一步防止热量通过热桥散失，提高能源利用效率。

2.4.4 智能建筑管理系统

智能建筑管理系统通过实时数据监测和调整建筑内外环境，实现对能源使用的精细化控制。这一系统不仅关注单一设备的运行，更注重各个设备之间的协同工作，以最大程度地降低不必要的能源浪费。

系统的核心功能包括能源监测、设备调控、故障诊断等。通过建立传感器网络，实时监测建筑内外的温度、湿度、光照等参数，系统能够根据这些数据智能调整采光、温度和湿度等参数。系统还能够对设备的运行状况进行实时监测，及时发现和处理异常，提高设备的使用寿命。

在系统的实施中，需要与其他设备和系统进行有效的整合，确保各个部分的协同工作。为实现智能化控制，系统应支持远程监控和调整，使运维人员可以通过云平台实时管理建筑设备，从而及时响应不同需求和环境变化。此外，系统还可以通过学习算法逐渐优化控制策略，提高系统的自适应性和效率。

2.4.5 节能照明系统

节能照明系统通过选择LED 等高效照明设备，结合智能光控系统，能够实现智能调整照明亮度，以适应室内光照需求。

选择LED 照明设备是出于其高能效、长寿命、低耗电等特点。LED 照明相较于传统的白炽灯和荧光灯，能够显著减少能源消耗，同时降低光污染。为了进一步提高能效，系统还应根据不同区域和时间的光照需求，智能调整照明亮度，避免过度照明造成的不必要能耗。智能感应器也可以用于控制照明系统的开关，确保只有在需要的时候才使用照明设备，进一步提高节能效果。

2.4.6 高效水管理系统

通过采用低流量水龙头、节水冲洗设备等，系统可以显著减少水资源的浪费。选择低流量水龙头能够有效降低用水量，尤其是在洗手间和厨房等频繁使用水的场所。配合智能水管理系统，可以实现对用水系统的智能监测和控制。通过采集雨水、处理废水等手段，实现水资源的再利用。系统设计关键在于减少漏水现象，采用高质量管道和阀门，定期检查和维护设备。实施高效水管理系统显著降低建筑用水成本，对水资源环境产生积极影响，为被动式超低能耗建筑增添绿色元素。

在被动式超低能耗建筑设计中，以上所述的设备和系统并非独立存在，而是相互关联、相互支持的整体。通过合理的整合和协同运作，这些设备和系统能够共同为建筑提供更为智能、高效的能源解决方案，从而实现可持续发展的目标。