住宅建筑被动式节能设计

蔡银兰

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300070）

1 被动式住宅建筑的具体要求与节能方法

1.1 具体要求

通过有效方式发挥建筑的节约能源成效是被动式住宅建筑的最高要求，单纯利用自然条件无法实现节约能源的效果。开展住宅建筑的被动式节能设计的最终目标是达到理想化建设状态，即在炎热的夏季，室内温度应保持在25℃以下，在寒冷的冬季，室内温度应保持在20℃以上；同时，室内湿度应维持在40%～60%，被动式住宅建筑的室内门窗要求无结露。为使住宅建筑体现节能成效，当前设计应多关注新风、门窗、保温、气密性等方面（见图1）。

图1 被动式住宅技术原理

1.2 节能方法

被动式住宅建筑起源于20世纪90年代的德国著名金融中心城市法兰克福。此类住宅使用超厚的绝热材料和复杂的门窗，主要通过住宅本身的构造做法达到高效的保温隔热性能，并利用太阳能和家电设备的散热为居室提供热源，减少或不使用主动供应的能源，即便是需要提供其他能源，也尽量采用清洁可再生能源（见图 2）。

图2 世界首栋被动式住宅

在被动式住宅建筑建设前期，针对项目周边的气候、地形、温度等条件开展分析工作，择取相对适宜的建设地点，可有效利用自然条件影响降低对能源的消耗量；在被动式住宅建筑建设过程，应用施工举措使所消耗材料发挥出环保成效，并对其建造方法、建筑材料、拆除方式等方面实施严密监测，确保其符合节能要求。

2 具体特征

2.1 朝向合理

为达到节能目的，被动式住宅建筑设计应尽可能减少外墙面积，同时应尽量采用南北朝向以更好地利用太阳能。在实际设计过程中，东西朝向若设计大面积开窗，须有相应的人工或自然遮阳设施。

2.2 密闭性良好

与普通住宅建筑相比，被动式住宅建筑一般无须配备暖气设备。若想达到室内保温效果，应做好密闭性处理。针对住宅建筑开展妥善的保温设计，并对住宅门窗实施特殊的保温及热隔离处理。

2.3 水消耗量低

为降低水消耗量，可通过有效方式收集雨水，并将其用于花园浇灌、冲刷厕所。被动式住宅建筑可利用屋顶的太阳能加热装置实现热水供应，若有更高需求，可额外增设天然气加热装置。从具体消耗量来看，普通住宅建筑每年需使用天然气1 500～2 000L，被动式住宅建筑每年需要天然气150～250L。

2.4 通风性良好

被动式住宅建筑有较强的密闭性，故做好通风处理意义重大，可防止霉变发生，但可能会带来能源损失，故需应用新式设备解决这一问题。同时，利用热循环交换器降低通风热损失。

3 节能设计

3.1 布局设计

被动式住宅建筑布局应充分考虑日照条件及风环境。

1）日照条件 建筑布局应充分考虑日照间距，如我国北方地区的住宅建筑应考虑城市的纬度开展合理化布局。一般而言，大城市住宅建筑冬至日应确保每天至少有2h的日照时长，小城市住宅建筑应确保每天至少有3h的日照时长。值得说明的是，相关数值会受到城市气候区域影响，且日照间距会受到建筑高度以及太阳高度角的影响。由此可见，日照间距确定须参照相关规范针对建筑高度实时调整。若大城市住宅建筑周围存在较多建筑物，日照高度基本稳定，则仅需计算建筑高度就能作出相关调整，进而提出合理的方案。

2）风环境 从自然风的角度来看，一般需考虑下风向以及上风向的影响。为达到受风均匀目的，建筑可应用自由化布局方案以确保其实现冬季防风、夏季通风，利用此法降低建筑能源过多消耗。

3.2 单体设计

建筑采暖能耗会受到建筑形体影响，合理的建筑体形系数可有效控制建筑采暖能源消耗。如我国寒冷的北方地区开展建筑节能设计时，对住宅建筑体形系数有明确规定：1～3层建筑的体形系数为0.50；4～8层建筑的体形系数为0.30；9～13层建筑的体形系数值为0.28；14层及14层以上建筑的体形系数值为0.28以下。由此看出，将被动式节能设计应用于建筑单体时，需对建筑的体形系数加以严格控制。同时，应注重套型设计，单个房间设计需参考具体的环境条件。

3.3 屋面节能设计

倒置式屋面设计方案是于传统建筑屋面构造内将防水层和保温层倒置，保温层材料具有疏水性，故可取得较好的节能效果。倒置式屋面设计方案既能降低房屋造价，又可有效规避防水层变形，延长其使用寿命。

3.4 外墙节能设计

外墙能耗占建筑物总体能耗的40%。外墙节能设计重点在于控制外墙隔热保温系数。热桥效应是降低墙体保温隔热性能的关键要素，故将保温层置于外墙结构的最外侧，可生成建筑高效保温层，降低外界环境对建筑物的影响，减少热桥生成量。同时，其与装饰面之间形成的空气层能有效保护保温层。

3.5 门窗节能设计

建筑物内外热交换最活跃的位置为玻璃。建筑门窗节能设计应以不干扰建筑功能为前提，尽量降低窗墙比。此外，相较于普通中空玻璃，高性能玻璃的保温及隔热性能更佳，能全面减少室内外热传导。外墙应用断桥铝合金窗框以及中空玻璃，全面强化窗框与窗口连接位置的断桥节点，可实现较好的保温隔热效果。同时，提高安装精准度及安装密封条等方式可在原有基础上有效提高门窗的密封性能，降低室内外空气的渗透率。

3.6 自然通风设计

1）地道通风组织 地道风的特征为温度适合、冬暖夏凉。风道造价便宜，可对新风实施预热以及预冷处理。应用地道通风方式可全面减少冬季采暖和夏季制冷的能量消耗。

2）竖井通风组织 竖井又被称为拔风烟囱。竖井上方为玻璃天窗，太阳光照射到玻璃天窗后，会令竖井的温度及热空气流动速度提高，此为热压效应。建筑门窗为进风口，其与竖井玻璃天窗排风口有一定高度差，此类高度差生成风压。热压与风压的耦合作用可进一步强化自然通风流动速度。

3）场地自然通风 场地设计应结合冬季及夏季的自然风向。建筑平面设计利用转折、扭曲等办法，加大朝向夏季主要方向的外立面，同时应规避与冬季主风向生成90°角，合理利用有利风向，规避不利风向对建筑物的不良影响（见图3）。

图3 场地自然通风

4 结语

目前，能源过度消耗已成为阻碍我国建筑行业发展的重要问题，应从污染严重、能源消耗高的行业着手，积极贯彻落实绿色环保理念。推广被动式节能设计、发展绿色住宅建筑是推进我国建筑行业可持续发展的重要方式，可为民众提供良好的生活环境。