被动式超低能耗建筑设计理论及工程运用

城市建筑
建筑节能 2019年8月第16卷总第328期
Urbanism and Architecture
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被动式超低能耗建筑设计理论及工程运用
张所任
（青岛北洋建筑设计有限公司，山东青岛 266101）
摘要：本文针对被动式超低能耗建筑设计进行分析，对建筑设计与应用的要点进行挖掘，最后通过案例分析的方式，对该设计理论在建筑保温设计、通风设计、采光设计中的应用方法加以阐述，力求通过研究提升建筑设计水平，从而真正实现建筑低能耗甚至零能耗的目标。

关键词：被动式；建筑设计；工程运用［中图分类号］ TU201.5
［文献标识码］
A Theory and Engineering Application for the Design of Passive Ultra-Low Energy-Consumption Building
Zhang Suoren
(Qingdao Beiyang Architectural Design Co., Ltd., Qingdao Shandong 266101, China)
Abstract: This paper analyzes the design of passive ultra-low energy-consumption building, excavates the main points of architectural design and application. Finally, through case analysis, the application methods of the design theory in building thermal insulation design, ventilation design and lighting design are elaborated, in order to improve the design level of the architecture and achieve the goal of building low energy-consumption or even zero energy-consumption.Key words: passive; architectural design; engineering application
在自然界中，许多资源具有不可再生性，在经济飞速发展的背景下，自然资源储备量锐减，降低能耗、促进可持续发展已经成为世界性问题。

在建筑行业中，提出了被动式超低能耗建筑设计的理念，并在原有建筑设计方法的基础上进行改进，该理念使资源利用率显著降低，真正实现低能耗的设计目标，并在建筑工程中逐渐普及。

1被动式超低能耗建筑理论依据
被动建筑是根据建筑能耗而定义的，主要是指节能型建
筑物，其具有降低能耗、调节室温等特点，从而降低高能耗电器的应用频率，打破传统被动建筑的弊端，无须主动加热即可自动收集太阳光、人体与家电中产生的热量，将热量汇集到回收装置之中，使室温能够始终处于舒适的状态，改变以往单一热源供给的方式，使热源能耗得到显著降低[1,2]。

被动式超低能耗建筑设计主要根据工程所在地的气候、经济、文化等因素，发挥可再生、环保型资源的作用，实现绿色健康的建筑设计，在保障建筑基本功能与舒适性的同时，达到节能环保的目标。

与以往的建筑设计相比，此类建筑的设计理念有所不同，在以往的建筑设计中，以人工主控环境为主，通过空调、取暖等设备，对周围环境进行调节，对能源的消耗较大，且室内外相互独立，长此以往将危害人类身体健康，而被动设计技术的原理在于利用自然资源实现建筑的通风与取暖，使室内外环境能够有机结合[3]，例如，住宅的最佳室温为18~26 ℃，当室温未处于这一区间时，可通过太阳能进行室温调节，这样不但可使居住环境更加舒适，还可减少能源消耗，实现建筑低能耗的目标。

2被动式超低能耗建筑设计与应用要点
2.1设计要点
被动建筑设计要点主要包括两个方面，一方面是气候环境分析，由于我国幅员辽阔，不同地区之间存在一定的环境差异，当前主要采用图像影响分析法与表格相结合的方式，对气候环境进行分析，结合工程所在地的环境、气候特征，构建完善的分析体系，对气候情况进行准确把握；另一方面，计算有效温度也是被动建筑设计的难点之一。

在设计过程中，应按照室外气候变化情况，对人体热舒适度进行调节，以人体舒适度为指标，进行建筑热环境设计，以环境温湿度为中心分析有效问题。

环境气候解析图的底图中包括焓湿图、有效温度，通过对多个地区环境温度的计算，以计算结果为依据，得出人体最佳感应度与室外气候间的差异，为被动建筑设计提供参考依据。

2.2应用要点
在被动建筑设计过程中，要求设计者对当地地理条件、风俗习惯、气候特征等进行综合分析，了解当地居民的穿衣习惯、房屋利用率、取暖要求等信息，做到“知己知彼，百战不殆”。

例如，某地冬夏温差较大，在建筑设计时应遵循舒适性原则，注意夏季放热与冬季保暖的需求，在建筑物中安装遮阳系统与通风系统。

与当地原有建筑相结合，将以往的主动建筑转变为被动建筑，提高建筑物的舒适度；在设计时，设计者可将需要达成的目标进行排列，针对重点目标，优先进行设计；在选择围护结构时，还要确保做到夏季隔热、冬季保温。

由于被动建筑设计是在主动建筑设计的基础上衍生而成的，在设计时应与主动建筑的设计方式相结合，从多个角度进行思考。

例如，在设计单体层面时，可引入先进的模拟
作者简介：张所任（1975-），男，本科，高级工程师。

研究方向：建筑设计技术及理论。

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24软件，对操作流程进行模拟，使被动设计更加完善，真正达到低能耗甚至零能耗的目标；采暖系统作为建筑设计的要点，在设计中主要利用太阳能资源，应根据冬夏季太阳辐射的特点，合理利用太阳能资源，以求达到最佳的设计效果。

3被动式超低能耗建筑设计的工程运用
在工程建筑中，被动建筑设计的运用应考虑到当地
气温差、人体对温度的敏感度等因素，在此基础上构建人体热适应模型，从而获得较为舒适的温度区间，使建筑各环节的设计更加科学，在确保建筑基本功能与舒适度的同时，有效降低建筑能耗。

3.1建筑保温设计
被动建筑在保温设计过程中，应考虑到我国南北方的温度差异，与南方相比，北方供暖能源的消耗量较大，因此，笔者以北方为例，对被动建筑的保温设计进行分析。

北方地区属于寒冷地区，在保温设计时可构建以下气候适应模型：
（1）T n =0.12T 0+21.49式中，T n 代表的人体最佳舒适温度；
T 0代表室外月均温度，其中T n 的取值范围在16.3~26.2 ℃。

在设计过程中，还应提高建筑的保温度与气密性，在取暖与制冷方面达到低能耗的目标。

与北方地区供暖特征、气候环境相结合，采用恰当的材料提高各个构件保温隔热性，但是，如若保温厚度不同，很可能会形成集中热流，进而出现热桥，因此，建筑主体结构、阳台板等均应通过填充保温材料的方式，以免出现热桥。

对于非透明的保温隔热结构来说，应与外围结构中的传热均值相结合，有针对性地选择材料；对于地面、外墙、地下室顶板等结构，在材料选择时传热系数应
低于0.15 W/（m 2·K）。

根据以上要求，在外墙保温设计方面，最好采用B1级别的模塑聚苯板，厚度控制在200~250 mm
即可，材料传热系数应低于0.032 W/（m 2·K）
，内部采用红外吸剂，可对热辐射进行有效的反射和吸收。

在建筑防火方面，可设置环绕型隔离带，长度在300 m 左右；地板保温可采用双层保温板，利用胶粉聚苯颗粒对缝隙进行密封处理；对于首层楼板来说，应先铺设防水层，再铺设保温层，最后浇筑水泥，水泥厚度在60 mm 左右即可。

地下室外墙与地坪相比，高出500 mm 左右，应选择防水、耐腐蚀的保温材料，如挤塑聚苯板等，在应用过程中，先对地上外墙进行粘贴，后对地下外墙进行粘贴，在屋面、外墙与地下室等处，应铺设防水隔汽膜；在楼梯间与分隔墙处，保温传热系数应与室内外温差相结合，例
如，楼梯间的热值应在0.30 W/（m 2·K）
左右，温差约为0.5，应在折减之后利用泡沫玻璃等进行粘贴。

3.2建筑通风设计
在建筑通风方面，空调等设备消耗了大量能源，但夏季炎热的地区室外温度较高，需要使用空调系统对室内温度进行调节，以广州地区为例，在被动建筑设计中可构建以下气候适应模型：
T n =0.55T 0+10.58（2）式中，T n 代表的人体最佳舒适温度；T 0代表室外月均温
度，其中T n 的取值范围在16.3~28.3 ℃。

可见，在被动建筑设计中，对通风系统的要求较高，可为每户单独设计新风与排
风系统，室内新风量最低要超过30 m 3/人，
排风量应达到新风的90 %~100 %。

为了达到降低能耗的目标，需要对通风设计方案进行完善，采用短风管，室内主风管内的风速设置为2~3 m /s，支管为2 m/s，回风口的风速为2~3 m/s，进出口的风速在3~4 m/s，且管道之间的距离应超过4 m ，以防止杂物进入。

由于进风与出风通道交错设计，建筑的开口宽度应为开间开度的50 %，开口大小为底板面积的15 %~25 %，以达到最佳通风目标。

在外观设计方面，可设置双层玻璃幕墙，实现自然通风；在建筑结构方面，应采用错列、斜列等方式，方便自然风倾斜着进入建筑群中，增强通风效果。

3.3建筑采光设计
在采光设计方面，应遵循被动建筑设计原理，将室内外环境有机结合，以达到最佳采光目标。

在建筑设计过程中，强化对自然光的利用可为居民提供更加舒适、温馨的环境。

与北方地区相比，南方地区属于温带，太阳光充足，可将其灵活应用到被动建筑设计中，以满足建筑采光要求。

例如，在杭州某住宅的建筑设计中，由于当地冬季寒冷、夏季炎热，全年光照充足，可构建以下气候适应模型：
T n =0.33T 0+16.86（3）式中，T n 代表的人体最佳舒适温度；T 0代表室外月均
温度，其中T n 的取值范围在16.5~27.8 ℃。

在采光设计过程中，可与性能目标相结合，制定自然采光策略，选择外窗玻璃材料，制定人工照明策略。

与建筑所在地的气候条
件相结合，保障玻璃传热数值低于0.8 W/（m 2·K）
，太阳投射超过0.35，避免夏季室温过高。

在材料的选择上，可采用PVC 塑料材料，将发泡芯材填充于其中，与Loe-E 三玻两腔玻璃相结合，使采光要求得到充分满足；还可采用导光板，此种材料吸光性较弱，可对高频光源进行反射，使光线能够从建筑顶层开窗处直接进入室内，使室内光照得到有效调节，在减少光能耗的同时，还能避免出现刺眼现象。

与其他材料相比，导光板不但实用性强，在经济性方面也具有较大优势，可广泛应用于被动建筑设计中。

在光照较强的情况下，板内片状金属环具有遮阳效果，可避免人体受光照辐射而受损；在光线较弱的情况下，导光板可对光源进行垂直收集，使室内采光需求得到充分满足。

4结语
综上所述，在节能环保的政策号召下，被动式超低能
耗建筑设计获得了广阔的发展空间，设计者可根据工程所在地的环境特征、气候特征、人文习惯等信息计算人体热舒适度，在此基础上运用被动设计技术，实现降低建筑物能耗的目标，在为居民提供舒适环境的同时，贯彻落实可持续发展观，促进城市文化的传承与发展。

参考文献
[1] 籍存德．浅谈被动式超低能耗建筑设计的基础及其应用
[J]．门窗，2016（03）：58-59．
[2] 徐世源．被动式超低能耗建筑设计理论及工程应用探讨
[J]．中国房地产业，2017（27）：90，92．
[3] 周明磊．浅析被动式超低能耗建筑设计基础及具体运用
[J]．江西建材，2017（07）：24，27．
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