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被动式超低能耗建筑设计基础与应用
同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司
高增元
伴随着我国城市化进程的加快，房地产行业得到了迅猛发展。推动城市经济建设的同时，也带来了能源消耗和环境污染问题。从适应可持续发展要求的角度，应该重视节能降耗工作，在实施建筑工程规划设计的过程中，对建筑的基本形式和空间规划进行合理把控，将被动设计融入到建筑设计中，提升设计效果的同时，实现节能降耗的目标，这也是当前建筑行业发展中需要重点研究的课题[1]。
1被动式超低能耗建筑概述
被动式超低能耗建筑是一种特殊的建筑型式，强调在建筑设计中关注当地的自然条件和气候特征，借助具备良好气密性和保温隔热性能的建筑围护结构，搭配新风热回收技术和可再生能源利用技术，为用户提供舒适的室内环境，同时也可以最大限度地减少能源消耗。
被动式超低能耗建筑的优势体现在几个方面：
一是温度恒定。传统住宅中夏季炎热冬季寒冷，即便设置有暖通空调系统，在室内不同区域同样会产生温度和适度的差异，影响体感舒适性。与之相比，被动式超低能耗建筑借助被动式设计，能够将建筑室内空间的温度始终维持在20℃～26℃的区间内，而且室内所有空间的温度基本一致[2]，不存在明显的温度梯度。
二是清洁卫生。被动式超低能耗建筑的门窗具备较高的隔热性和气密性。避免门窗表面结露流水问题的同时，也可以防止热桥现象。良好的保温隔热性能可以有效避免内表面冷敷设给人们带来的不适感，能够规避结露发霉的问题，可以为人们提供一个清洁卫生、健康宜居的环境。
三是安静舒适。相比较普通门窗，被动式超低能耗建筑采用的高气密性门窗有着更加优越的隔音降噪效果，即便室外十分嘈杂，室内也可以保持安静，而且在室内没有空调内机的存在，避免了设备噪声的产生。相关统计数据显示，被动式超低能耗建筑夜间室内噪音一般不会超过30dB，白天室内噪音不会超过40dB，能够为业主提供安静舒适的休息环境。
四是空气洁净。被动式超低能耗建筑本身的高气密性避免了室外污浊空气的进入，而新风设备中设置的净化装置可以保证新风的洁净卫生，将室内空气维持在优良状态。
五是运行成本低廉。被动式超低能耗建筑的维护结构具备良好的保温隔热性能，配合防热桥措施和热回收技术等，被动式超低能耗建筑的节能性可以达到90%以上，能耗仅为普通建筑的1/3左右，能够极大减少运行成本。以120m2的住宅建筑为例，每年的空调采暖运行费用可以节约3000元左右[3]。
2被动式超低能耗建筑设计基础
2.1气候环境分析
在被动式超低能耗建筑设计中，环境气候因素是需要最先考虑的基础性因素。我国幅员辽阔，不同地区有着非常明显的气候差异。尤其是地处热带的海南等地，夏季气温高，对于冷气的需求量极大；而黑龙江等北方省市冬季气温寒冷，需要大量暖气供应。在这种情况下，被动式超低能耗建筑的设计需要对建筑所处区域的气候大环境进行分析，强调因地制宜，选择恰当的设计技术，依照环境条件来对建筑设计方案进行优化调整。
2.2环境特征分析
被动式超低能耗建筑的设计不仅需要考虑气候大环境，还必须做好精准的室内室外环境特征分析，对照当地的气候数据，对一些比较典型的气候要素进行提取，就日照、风速、辐射以及温度、湿度等数据信息进行分析，对照建筑的功能需求和最佳体感舒适度，在充分保证建筑设计合理性和科学性的同时，降低建筑能耗。以长野冬奥会速滑馆的设计为例，其采用了双层可调节式呼吸外墙，设置了空气夹层通道，在冬季和夏季通过开合调控的方式，形成良好的保温隔热效果[4]。错落起伏的屋面上，设置了与用于采光的天窗，自然光在经过折射后可以进入到室内，保证良好照度的同时，也不会形成眩光，避免了对于运动员的负面影响。
2.3推广价值分析
被动式超低能耗建筑的设计应该突出本土特征，深入到地域自然和社会现实中，选择恰当的节能降耗措施，这样才能保证良好的节能效果。同时，被动式超低能耗建筑具备一定的推广价值，能够很好地适应可持续发展的要求。以绿色建筑中的“绿屋”为例，其主要是借助温室来培养具备较强生命力的绿色植物，然后通过对绿色植物的合理布设，实现对室内温度的调节。不过这种建筑的建设成本偏高，并不具备实用性，也难以进行市场推广[5]。与之相比，被动式超低能耗建筑具备良好的推广价值。事实上，我国古代很多建筑采用的设计都可以被使用到被动式超低能耗建筑设计中。例如，古代住宅如果进深较大，往往会设置简单的庭院或者天井，对采光、通风、景观等问题进行解决。而在现代建筑设计中，对于一些人流量大、发热量大的区域，可以设置中庭空间或门厅，提供采光、通风场地，在提高过度季节室内空间舒适性的同时，也具备良好的节能效果。
3被动式超低能耗建筑设计应用
某综合性建筑项目位于我国北方地区，占地面积7.13万m2，建筑面积16.38万平方方米，建筑密度为30%，绿地率为35%。项目中1-4#采用了被动式超低能耗建筑设计。
3.1朝向设计
建筑朝向应该尽量采用南北朝向或者接近南北朝向，立面设计必须能够保证自然通风和采光的要求。设计人员还应该从建筑的实际情况出发，对其进行适当调整，避免功能用房西晒问题。例如，可以在西侧外墙设置相应的景观廊架，配合垂直绿化来防范夏季强烈的太阳辐射，提升室内舒适性的同时，降低建筑使用过程中的能耗。另外，在对建筑型体进行设计时，应该关注其合理性和简洁性，不能一味追求里面形态的复杂化，这样会对建筑节能产生影响。而且建筑的单体形态设计和群体布置都应该尽量避开风场涡流区，保证合理的风速和风量分布，这样能够为穿堂风的组织设计提供便利[6-7]。
3.2节能规划
一是应该做好总体的平面设计。确保建筑的采光、通风和绿地率等都能够满足相关要素。户外活动场所可以利用乔木和构筑物来实现遮荫。要求道路路面和屋面的太阳辐射反射系数能够达到0.4以上，这样有利于降低热岛效应。设计人员可以使用CFD实现对于室外风场的有效模拟，确保场地内不存在滞风区域和涡流区域。夏季和过渡季节建筑前后的压差不能小于1.5Pa；冬季除去位于迎风面的建筑，其他建筑前后压差不能超过5Pa；二是应该关注建筑形体设计。减少体形系数，降低建筑能耗。在该工程中，采用被动式超低能耗建筑设计的几栋楼中，楼层高度均为2.9m，建筑体系系数分别是0.26、0.26、0.27和0.28。户型设计充分考虑了室内风对流通道的形成，借助自然通风来降低建筑使用过程中的能耗；三是自然采光设计。通过对户型的调整优化，减少了建筑进深，增加了开敞空间，促进了室内采光系数的提高。而且在除北侧以外的所有外窗全部设置了活动遮阳装置，有效降低夏季制冷负荷的同时，可以在冬季引入太阳辐射，提高室内温度。
3.3围护节能
一是非透明围护结构（墙体、屋面等）的节能设计。考虑所有建筑的高度都超过了27m，在建筑围护结构外保温设计中，选择了燃烧性能A级的材料，不需要设置耐火窗，保温材料统一使用岩棉板。外墙设计中，采用厚度为20mm的抹灰来保障气密性。对于预制混凝土墙板和楼板之间的缝隙，设备管道穿越外墙时的预留套管等，全部使用气密胶带进行封堵。对于段热桥的处理，托架选择不锈钢材料，空调板则使用了挑梁式构造，能够降低线性热桥。在上下两侧设置有100mm厚度的保温层。屋面设计中，在女儿墙底部进行了挖空处理，能够降低线性热桥。内侧包括了厚度达到200mm的保温板，顶部保温板的厚度同样达到了100mm，出屋面排气管以挤塑板进行包裹，厚度为200mm；二是门窗节能设计。在工程中，外窗采用了塑钢型材，窗体的传热系数不超过0.8W/（m2?K），以三玻两腔Low-E惰性气体暖边玻璃为核心，保证其具备良好的保温隔热性能。外窗使用了内平开内倒开启的设计，窗框和窗扇之间设置了三道密封，每一个开启窗都设置有两个锁点。在对外窗进行安装时，采用了外挂安装的方式，要求窗框内表面能够与结构的外表面齐平，这样能够有效减少安装热桥。窗框内侧设置有防水隔汽膜，外侧则利用防水透气膜做好密封处理。单元门选择低槛门，传热系数在1.0W/（m2?K）以内。玻璃同样选择三玻两腔Low-E惰性气体暖边玻璃。外门整体的气密性等级不低于8级，水密性等级不低于6级。在其内侧和外侧分别使用防水隔汽膜和防水透气膜进行密封处理[8]。
3.4热桥处理
一是外窗位置的热桥处理。从削弱窗框和外墙之前热桥的角度，可以采用外挂安装的方式来对外窗进行安装，同时在外窗与墙体连接位置，借助密封胶、防水透气膜等进行密封；二是空调板热桥处理。可以采用挑梁式结构，利用两根钢梁挑出，上方搭板，确保板与外墙完全隔离，降低线性热桥，还可以通过在钢梁周围实施保温喷涂的方式来削弱热桥的影响；三是女儿墙热桥处理。在屋面以2.5m为间隔，设置方柱来对女儿墙进行支撑，方柱之间的女儿墙底部需要挖空，与屋面完全断开，将原本的线热桥转变为点热桥，内侧和顶部设置保温层，檐口造型则需要使用保温材料进行制作；四是首层和地下层相邻楼板热桥处理。可以在楼板下侧设置厚度为200mm的岩棉板。在内外墙交接位置设置厚度为100mm的岩棉板，确保其能够沿墙体两侧向下延伸1m左右。首层外墙的基础位置可以通过粘贴挤塑板（厚度200mm）的方式来实现保温隔热，确保其深入地下至少1m。
3.5气密性措施
在该工程中，外墙属于重质结构，在内侧设置有厚度为20mm的抹灰层，因此具备较好的气密性，不过预制墙板和现浇楼板之前若施工不当，可能会产生足以影响外墙气密性的缝隙，对此，施工人员应该利用气密胶带来对缝隙进行封堵，同时在内侧设置防水隔汽膜。外墙使用两层气密膜做好密封处理，构建起连续的气密层，避免室内水蒸汽从缝隙进入保温层。对于电气接线盒等设施，需要尽量安装在内墙，这样不会破坏围护结构的气密性，所有穿过维护结构的管道，如设备管线、热水器排烟管等，都必须做好气密性处理，于室内设置气密套管，外侧则可以粘贴防水透气膜。
3.6新风系统
工程项目中，依照30㎡/(h.人)的标准对新风量进行设计，新风机组的运动可以分为三档，分别是55%、80%和100%，配合全热回收装置，设备焓回收效率可以达到70%以上。设置具备较高效率的空气净化装置，在送风系统中设置了过滤等级为F7的过滤装置，排风系统中过滤装置的等级为G4。新风主机噪声为43dB，设置在吊顶中，在进风和排风管道上都设置了消声装置，能够将客厅、卧室的噪声减小到25dB以下，厨卫的噪声也不超过30dB。新风与空调系统采用了分户式的一体机。每户设置一个空调板。主机则被设置在厨房吊顶中，用户可以根据实际需求来对温度和新风进行自行控制。新风系统中，送回风的组织形式根据不同的区域设置了不同的方式。例如，卧室、起居室、餐厅等设置为只送不回，卫生间设置为只回不送，厨房则设置为不回不送。这样，新风在进入卧室等功能房间后，会通过门缝经过渡区，最终由卫生间统一排走。在对新风设备进行选择时，优先考虑了带有旁通功能的全热交换机，可以显著降低过渡季节的机械通风能耗。
4结语
总而言之，在可持续发展理念不断深化背景下，建筑行业节能降耗的重要性越发凸显，受到了社会各界的广泛关注。被动式超低能耗建筑能够借助被动设计来降低建筑使用过程中的能耗，其不需要使用复杂的设备，而且节能效果良好，具备相当明显的优势。将其应用到建筑工程设计中，能够有效地降低建筑能耗，推动建筑行业的绿色发展。
参考文献
[1]宋敏,韩金玲.被动式超低能耗建筑设计与应用研究[J].绿色环保建材,2019,(11):85.
[2]刘晓林.被动式超低能耗建筑设计理论及工程应用探讨[J].工程建设与设计,2019,(20):25-26.
[3]田琪,丁沫,蒋航军.被动式超低能耗建筑工程设计应用[J].建筑技艺,2019,(10):100-105.
[4]张延国.被动式超低能耗建筑设计与应用[J].工程技术研究,2019,4(15):157-158.
[5]王丽纯.被动式超低能耗建筑设计分析[J].山西建筑,2019,45(14):142-143.
[6]晋晶.被动式超低能耗建筑设计与应用研究[J].城市住宅,2019,26(06):69-71.
[7]曹森,张建涛,陈先志.“界面—腔体”作为能量核心的被动式超低能耗建筑设计实践——以五方科技馆为例[J].中外建筑,2019,(01):159-162.
[8]韦干玉.探究被动式超低能耗建筑设计的基础与应用[J].低碳世界,2018,(11):185-186.
