深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司 廣東深圳 518031

摘要：21世紀(jì)，隨著我國的資源消耗問題日益嚴(yán)峻，節(jié)能減排是現(xiàn)代社會發(fā)展的必然要求，也是現(xiàn)代化發(fā)展的重要組成部分，我國現(xiàn)階段對于被動式節(jié)能建筑尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，更缺乏可操作執(zhí)行的適應(yīng)我國各地域氣候特征的判定方法和指標(biāo)。本文主要針對被動建筑在我國現(xiàn)階段的應(yīng)用狀況，通過對建筑耗能的來源、種類及特征的研究，對比分析了被動節(jié)能技術(shù)與主動節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用方式與作用，說明主動節(jié)能技術(shù)對于輔助協(xié)調(diào)被動節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)建筑總體的一次能源消耗量指標(biāo)和建筑室內(nèi)環(huán)境舒適度參數(shù)指標(biāo)的必要性和可行性。簡要介紹了被動建筑中采用的部分主要主動節(jié)能技術(shù)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計；被動式節(jié)能；技術(shù)；建筑自身能量；可再生能源

1、動式節(jié)能設(shè)計概念

一般而言，被動式節(jié)能建筑的兩個重要判定指標(biāo)：一個是建筑總體的一次能源消耗量指標(biāo)，另一個是建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適度參數(shù)指標(biāo)。而建筑節(jié)能就是指采用特定的技術(shù)在建筑周期范圍內(nèi)達(dá)到節(jié)能目的，在這個過程中涉及到建筑構(gòu)造、材料的獲取和使用、施工現(xiàn)場的操作以及建筑的運行維護(hù)。而被動式節(jié)能，是指采用非機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)手段，對建筑節(jié)能技術(shù)進(jìn)行干預(yù)。具體表現(xiàn)在對建筑的朝向問題和建筑結(jié)構(gòu)的保溫隔熱技能方面上的節(jié)能設(shè)計。建筑的采暖通風(fēng)和空調(diào)的節(jié)能降耗都與建筑的朝向相關(guān)，所以在進(jìn)行建筑設(shè)計的時候要著重注意這些問題。被動式節(jié)能設(shè)計方法涵蓋到建筑的方方面面，包括建筑朝向、建筑保溫、建筑體形、自然通風(fēng)等設(shè)計。被動式設(shè)計方法對建筑師要求很高，除了專業(yè)能力到位之外，還要建筑師對于建筑環(huán)境有充分的了解，要求設(shè)計師努力將學(xué)科間的限制突破掉，用全新思維來進(jìn)行建筑的節(jié)能設(shè)計。隨著建筑規(guī)模巨大化，要學(xué)會運用被動式節(jié)能設(shè)計，以此獲得良好的建筑環(huán)境。

2、建筑自身能量的利用

2.1被動建筑自身的熱損失非常小，對外部能源的依賴也極低

除了在建造施工過程中及設(shè)備安裝完畢啟動調(diào)試過程中所需要的外部能源，被動建筑在建造完成之后便可以不再主動向外需求能源，而是轉(zhuǎn)為可再生能源提供。冬季，主要依靠建筑自身得熱滿足室內(nèi)供暖需求，極寒天氣熱負(fù)荷不足部分和夏季供冷負(fù)荷需求盡量從可再生能源中獲取。建筑自身得熱主要來自于室內(nèi)人體散熱、照明、電器、食物、烹飪爐火、太陽輻射以及新風(fēng)熱回收等。這些熱量在冬季對實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)是有益的，可以減少甚至取消室內(nèi)熱負(fù)荷，但在夏季這些室內(nèi)得熱卻全部轉(zhuǎn)變成為冷負(fù)荷，需要通過自然通風(fēng)或其他主動技術(shù)手段消除。通常，室內(nèi)熱（冷）負(fù)荷需求可以通過對熱回收后的新風(fēng)輔助加熱（冷卻）或通過埋在樓板、墻面內(nèi)的管道系統(tǒng)進(jìn)行輻射供暖（供冷）等主動技術(shù)來滿足。作為對建筑物被動節(jié)能技術(shù)節(jié)能效果的補充和完善，主動節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用使得建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)可控可調(diào)，不僅可以根據(jù)房屋使用者的自身習(xí)慣和感受進(jìn)行靈活精確的調(diào)節(jié)，更增加了室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性，減小了室內(nèi)外干擾因素的影響，滿足以人為本的個性化需求，是現(xiàn)代被動節(jié)能建筑區(qū)別于僅僅采用原始被動技術(shù)建筑的重要特征。

2.2 主動及被動節(jié)能技術(shù)合理應(yīng)用

通過主動及被動節(jié)能技術(shù)合理應(yīng)用，利用可再生能源的替代，被動建筑減少了自身對外部能源的依賴，冬季依靠其自身熱量有效降低了供暖熱負(fù)荷需求，甚至可以取消傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)，節(jié)省了鍋爐房建設(shè)費、市政熱力管線接入費、園區(qū)熱力管網(wǎng)埋設(shè)費、熱計量裝置安裝或改造費、供暖系統(tǒng)施工安裝及日常維護(hù)費、供暖季的系統(tǒng)運行費、燃料費、水電治污費、管理人員費等等；并減輕由此產(chǎn)生的各類環(huán)境問題，如大量溫室氣體的排放、有毒有害污染物的排放以及由此產(chǎn)生的霧霾天氣等；極大緩解城市夏季空調(diào)用電負(fù)荷高峰，降低北方供暖季煤炭、天然氣等的能源壓力。

3、太陽能及其他可再生能源的利用

現(xiàn)階段建筑對太陽能的應(yīng)用主要包括自然采光、光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換。

3.1自然采光可分為直接采光和間接采光

直接采光可以簡單理解為太陽光直接透過外窗投射進(jìn)室內(nèi)的光線，間接采光則是太陽光經(jīng)過物體反射后照射進(jìn)室內(nèi)的光線。我們這里所說的自然采光是指直接采光的情況。建筑室內(nèi)采光效果的好壞直接影響人體對室內(nèi)環(huán)境舒適度的感受；建筑良好的自然采光條件，不僅可以使人心情舒暢，而且可以大幅降低日間燈光照明的主動耗能。在白天自然采光條件不足需要補充人工照明時，宜選擇接近自然光色溫的高色溫光源。

3.2建筑物對太陽能光熱轉(zhuǎn)換的利用可簡單分為直接得熱和間接得熱

（1）直接得熱屬于被動式的太陽能利用，是一種建筑物直接利用日照的形式。通過對建筑形式及構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計，合理利用太陽輻射熱量來改善建筑物室內(nèi)熱工環(huán)境。在北方地區(qū)，設(shè)計中常將對室內(nèi)環(huán)境要求相對較低的廚房、衛(wèi)生間、走道、儲物間等設(shè)置在建筑北側(cè)，而臥室、起居室等對室內(nèi)環(huán)境要求較高的房間則布置在日照較為充足的南側(cè)，并設(shè)置封閉陽臺作為陽光室，在冬季充分利用陽光輻射得熱，并可作為室外環(huán)境與室內(nèi)環(huán)境之間的緩沖過渡空間，降低傳熱能耗并提高居室內(nèi)環(huán)境的舒適度。

（2）間接得熱作為一種主動節(jié)能技術(shù)，在被動節(jié)能建筑中的應(yīng)用主要指太陽能集熱系統(tǒng)，其通常是由太陽能集熱器、蓄熱設(shè)備、循環(huán)管路等主要設(shè)備部件組成。太陽能集熱器常用的有聚焦型集熱器（槽式、碟式、塔式）、平板型集熱器、真空管集熱器以及陶瓷集熱器。集熱器應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源狀況及氣候條件等選擇適合的形式，保證系統(tǒng)的全年安全穩(wěn)定運行，選擇性價比最優(yōu)的產(chǎn)品。循環(huán)水管路可分為自然循環(huán)和機(jī)械循環(huán)兩種。自然循環(huán)型，其特點是蓄熱水箱置于集熱器上方，依靠重力流推動系統(tǒng)循環(huán)。機(jī)械循環(huán)型，蓄熱水箱置于集熱器下方，利用循環(huán)水泵以機(jī)械動力使系統(tǒng)內(nèi)熱水強(qiáng)制循環(huán)。條件允許的情況下建議使用自然循環(huán)型，不僅系統(tǒng)簡單、維護(hù)方便，而且更加節(jié)能可靠。太陽能集熱系統(tǒng)可采用自動控制變流量設(shè)計，通過設(shè)置光伏電池板等太陽輻照感應(yīng)傳感器，實時監(jiān)測太陽輻照強(qiáng)度并以此控制變頻循環(huán)水泵改變系統(tǒng)流量；太陽能集熱自動控制系統(tǒng)除了需要實現(xiàn)系統(tǒng)正常運行時的調(diào)節(jié)控制，還要在需要輔熱設(shè)備時及時切換熱源，液體工質(zhì)還要特別注意防凍和防過熱保護(hù)措施，保證系統(tǒng)的安全并節(jié)能優(yōu)化運行。

太陽能集熱系統(tǒng)主要應(yīng)用于生活熱水系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、空調(diào)熱水系統(tǒng)等。通過與熱泵系統(tǒng)結(jié)合使用，利用太陽能熱水裝置產(chǎn)生的熱能推動熱泵工作，從而利用更多可再生能源進(jìn)行加熱或制冷，不僅可以為供暖系統(tǒng)或冬季空調(diào)系統(tǒng)提供熱源，也可以在夏季為空調(diào)系統(tǒng)提供冷源。

3.3太陽能光電轉(zhuǎn)換主要是指太陽能光伏發(fā)電

利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，整套系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器以及蓄電池組等設(shè)備部件組成。太陽能光伏電池板可以作為建筑外墻表面材料與建筑設(shè)計結(jié)合，敷設(shè)在外墻面、屋面，或是作為外遮陽、天窗。當(dāng)太陽能電池板的鋪設(shè)面積足夠大，太陽能發(fā)電裝置可以為被動建筑提供其正常運轉(zhuǎn)所需全部電能。

3.4 除太陽能以外的其他可再生能源

除太陽能以外的其他可再生能源，包括空氣熱能、風(fēng)能、地表淺層土壤熱能、地下水熱能、地表水熱能、河水動能、潮汐能等等。被動節(jié)能建筑可以根據(jù)所在地域的具體氣候特征及水文地質(zhì)條件等因地制宜的選用適合的可再生能源為自身提供所需能量，減少對外界能源的依賴。熱泵系統(tǒng)是現(xiàn)在利用各種熱能資源的主要技術(shù)手段。在被動建筑中，熱泵系統(tǒng)為整個建筑的制冷和供暖供給能量。常用的形式有空氣源熱泵、地下水地源熱泵、地表水地源熱泵、地埋管地源熱泵?？諝庠礋岜眠m合于夏熱冬冷地區(qū)的中小型建筑，有同時供冷、供熱需求的情況建議采用熱回收式熱泵機(jī)組。地下水地源熱泵、地表水地源熱泵、地埋管地源熱泵的設(shè)置均要特別注意嚴(yán)禁對地下水資源的污染性、破壞性利用，要進(jìn)行系統(tǒng)的全年動態(tài)負(fù)荷計算，熱泵系統(tǒng)總釋熱量與總吸熱量應(yīng)平衡，否則應(yīng)采取相應(yīng)輔助措施。

4、可控通風(fēng)的理念

被動建筑通常采用兩種通風(fēng)方式，一種是自然通風(fēng)，一種是新風(fēng)熱回收系統(tǒng)。

4.1 自然通風(fēng)的技術(shù)古已有之

我國傳統(tǒng)民居中可以隨意找出許多結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c、生活習(xí)慣的自然通風(fēng)設(shè)計建造技術(shù)。我們最常見到的也是最簡單的室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計就是通過開關(guān)外窗調(diào)節(jié)，但被動建筑由于其對室內(nèi)舒適度參數(shù)的穩(wěn)定性要求，決定了過于依賴室外氣候條件、無法進(jìn)行人為精確調(diào)控的自然通風(fēng)方式難以滿足被動建筑的要求。所以我們對于被動建筑中所設(shè)計采用的自然通風(fēng)是一種可控通風(fēng)，是一種在主動節(jié)能技術(shù)輔助下的被動節(jié)能技術(shù)。這種可控主要表現(xiàn)在對于流量、流向、風(fēng)速、過濾、溫度、濕度、噪聲等方面。

自然通風(fēng)有三種基本方式：風(fēng)壓通風(fēng)、熱壓通風(fēng)、機(jī)械輔助自然通風(fēng)。首先采用被動技術(shù)，充分利用風(fēng)壓、熱壓作用，巧妙設(shè)計建筑通風(fēng)節(jié)能構(gòu)造，并協(xié)調(diào)遮陽形式對自然通風(fēng)效果的影響，協(xié)調(diào)窗墻比與太陽輻射熱能利用、自然采光、自然通風(fēng)之間的影響。然后輔助通風(fēng)控制系統(tǒng)，設(shè)置感應(yīng)器，采集室外溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、空氣污染程度等信息，采集室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度等信息，結(jié)合各項室內(nèi)環(huán)境設(shè)定參數(shù)，通過控制系統(tǒng)對各處控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行通風(fēng)調(diào)節(jié)。

4.2 被動建筑新風(fēng)的提供

在室外氣候條件舒適的情況下，應(yīng)首先考慮并采用自然通風(fēng)的方式，以排除室內(nèi)余熱及室內(nèi)污染物，為室內(nèi)人員提供新鮮空氣，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，當(dāng)僅采用自然通風(fēng)無法滿足室內(nèi)新風(fēng)要求時，諸如污染天氣、無風(fēng)天氣、風(fēng)沙天氣、高溫高濕或寒冷天氣或柳絮花粉等過敏源較多的季節(jié)，都不適宜單獨采用自然通風(fēng)。應(yīng)采用同時設(shè)置自然通風(fēng)及機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)合方式，以此降低室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷并減少機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)運行費用。被動建筑中對新風(fēng)系統(tǒng)高效熱回收裝置的應(yīng)用也是其顯著特點之一。系統(tǒng)的顯熱回收效率要求不低于75%，這就是說經(jīng)過熱回收裝置的新風(fēng)負(fù)荷以及排風(fēng)熱損失都同時得到了大幅降低，在冬季大部分時間里被動建筑僅僅依靠自身得熱便實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境溫度的穩(wěn)定。此外，被動建筑采用熱泵機(jī)組為新風(fēng)系統(tǒng)提供冷熱源，夏季由熱泵機(jī)組提供新風(fēng)降溫除濕冷源，冬季可以利用熱泵加熱新風(fēng)，提高經(jīng)由熱回收裝置預(yù)熱后的新風(fēng)溫度，滿足室內(nèi)熱負(fù)荷要求，保證室內(nèi)溫度穩(wěn)定。新風(fēng)熱回收系統(tǒng)常設(shè)功能及流程：過濾、預(yù)熱（預(yù)冷、顯熱回收、加熱（冷卻）、加濕（除濕）、消聲。這樣的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)為建筑內(nèi)所有房間提供經(jīng)過加熱加濕或冷卻除濕的新風(fēng)，可根據(jù)使用者要求自由調(diào)控室內(nèi)環(huán)境溫濕度、潔凈度及空氣新鮮度，降低新風(fēng)及排風(fēng)能耗。新風(fēng)熱回收系統(tǒng)設(shè)計使用時應(yīng)確保室內(nèi)總送排風(fēng)量的平衡；應(yīng)定期清洗或更換濾芯，保證送入室內(nèi)的新風(fēng)清潔度及換熱效率；設(shè)備及管道安裝采用減震支吊架、消聲器等消聲降噪措施，避免產(chǎn)生噪聲污染。

4.3 新風(fēng)熱回收系統(tǒng)

為保證室內(nèi)空氣新鮮度，設(shè)置二氧化碳濃度探測器，室內(nèi)設(shè)定值應(yīng)小于1000ppm，這一數(shù)值略高于室外自然空氣二氧化碳濃度，當(dāng)室內(nèi)實測二氧化碳濃度值高于設(shè)定數(shù)值一定程度后，自動控制開啟送、排風(fēng)機(jī)。而對于電動可開啟外窗、自然通風(fēng)器等自然通風(fēng)手段，則還需要同時結(jié)合室外環(huán)境溫濕度、污染、風(fēng)向風(fēng)速狀況等參數(shù)控制啟閉。對于溫濕度獨立控制系統(tǒng)，還要設(shè)置外窗啟閉狀態(tài)探測器，室內(nèi)濕度監(jiān)測報警器等。

5、圍繞著一次能源消耗量評價指標(biāo)的自動控制系統(tǒng)

5.1 被動節(jié)能建筑的判定

我國現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范對于節(jié)能建筑性能的判定方法是通過在設(shè)計過程中對不同氣候區(qū)的不同性質(zhì)的建筑物規(guī)定其應(yīng)符合要求的體形系數(shù)、窗墻比、遮陽系數(shù)、維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、氣密性等；當(dāng)上述系數(shù)無法滿足限定值時則通過權(quán)衡判斷來判定其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總體熱工性能是否符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。在施工階段則通過對建筑材料、建筑構(gòu)件的物理性能檢測指標(biāo)來判定其是否為節(jié)能建筑。在德國，對于被動節(jié)能建筑的判定方法是采用能耗模擬計算軟件，將建筑物的各項相關(guān)參數(shù)輸入，計算出建筑物的一次能源消耗量，并將此數(shù)值用于校核建筑實際運行中的一次能源消耗量，最終判定其是否為節(jié)能建筑。被動建筑采用一次能源消耗量指標(biāo)而非我國傳統(tǒng)節(jié)能規(guī)范中50%、65%的相對節(jié)能指標(biāo)或建筑物耗熱量指標(biāo)。通過對建筑物的總體能耗的限制，平衡各種節(jié)能指標(biāo)之間此消彼長的問題。

5.2太陽輻照感應(yīng)傳感器

優(yōu)良的外窗保溫性能及較大的窗墻比為建筑物冬季室內(nèi)充分利用太陽能輻射熱提供了條件，降低了冬季熱負(fù)荷，然而，封閉且保溫的房間內(nèi)熱量難以自然消散，導(dǎo)致夏季空調(diào)冷負(fù)荷的增加。因此，增加可調(diào)節(jié)活動建筑外遮陽措施來協(xié)調(diào)這一矛盾，但我們會發(fā)現(xiàn)，夏季制冷能耗降低的同時室內(nèi)照明能耗卻相應(yīng)增加了。建筑電動外遮陽百葉的調(diào)節(jié)：被動建筑采用保溫與透光性能好的節(jié)能窗，夏季，在滿足了室內(nèi)采光要求的前提下，需要采用電動外遮陽百葉將多余的日照隔絕在室外，降低室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷。而冬季則調(diào)節(jié)百葉，盡量多的將陽光引入室內(nèi)，降低室內(nèi)供暖熱負(fù)荷。太陽輻照感應(yīng)傳感器，可根據(jù)實時室外環(huán)境參數(shù)隨時調(diào)整，也可根據(jù)預(yù)設(shè)模式自動操作。自動調(diào)節(jié)百葉位置角度，保證室內(nèi)得到適度的太陽輻射量。

5.3合理利用主動節(jié)能技術(shù)作為被動節(jié)能技術(shù)的補充和完善

由于被動建筑冬夏季冷熱負(fù)荷極低，有時我們需要通過熱泵系統(tǒng)來滿足室內(nèi)少量的冷熱負(fù)荷。需要注意的是，在我們討論應(yīng)用何種可再生能源之前，應(yīng)仔細(xì)核算我們采用被動節(jié)能手段可以在多大程度上滿足需求？熱泵系統(tǒng)在全生命周期中的總能耗是否已經(jīng)大于了其所節(jié)省的能耗？避免為了使用可再生能源而使用，認(rèn)證評估被動節(jié)能手段與主動節(jié)能手段的切換時機(jī)，減少無謂的一次能源消耗。為了避免被動建筑設(shè)計與使用過程中應(yīng)用過多效能較低的節(jié)能技術(shù)，合理有針對性的采用主動節(jié)能技術(shù)作為被動節(jié)能技術(shù)的補充和完善，采用智能建筑物整體一次能源消耗評價系統(tǒng)主動實時采集數(shù)據(jù)、計算分析，通過系統(tǒng)末端自動控制裝置及設(shè)備對各被動節(jié)能措施根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境變化要求及時準(zhǔn)確的進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

6、結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段我們在被動建筑的規(guī)劃方案及施工圖設(shè)計階段，國內(nèi)尚無可參照的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，而國外的技術(shù)指標(biāo)又不能簡單的直接套用，逐步總結(jié)出適合我國國情的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)務(wù)之急。這種情況之下，應(yīng)避免主動和被動節(jié)能技術(shù)的不加以選擇的堆砌，避免不因地制宜、不加以分析驗算的套用節(jié)能指標(biāo)，避免對可再生資源低效甚至無必要的浪費式應(yīng)用。同時，注意選用節(jié)能電器、節(jié)能燈具；注意設(shè)備安裝空間及管線布置空間的合理性，隔聲降噪；注意明裝設(shè)備與建筑風(fēng)格的融合。提高建筑材料、設(shè)備的研發(fā)及加工水平，提高建筑施工及管理水平，促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)的整體升級。

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