王 偉 張義忠 劉博宇

(1.河南五方合創(chuàng)建筑設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450000； 2.河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 開封 475000)

節(jié)能低耗綠色建筑的設(shè)計與創(chuàng)新技術(shù)介紹

王 偉1張義忠2劉博宇1

(1.河南五方合創(chuàng)建筑設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450000； 2.河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 開封 475000)

對低耗綠色建筑體型需求、室內(nèi)外建筑材料、設(shè)備需求等方面進行了設(shè)計與創(chuàng)新，達到了低耗和被動式節(jié)能效果，具體數(shù)據(jù)規(guī)格可按不同需求及不同預(yù)算來進行調(diào)整，對發(fā)展低耗節(jié)能建筑具有重要意義。

節(jié)能，低能耗建筑，被動供暖

我國建筑節(jié)能初始于20世紀80年代初期，最初從北方采暖區(qū)開始，過渡到南方夏熱冬冷地區(qū)，直至2003年夏熱冬暖地區(qū)開始實行之后，我國才全面展開建筑節(jié)能。建筑節(jié)能歷經(jīng)了三個階段：30%→50%→65%，迄今為止全國都已展開節(jié)能50%以上的強制性標(biāo)準(zhǔn)和要求。按照國家節(jié)能發(fā)展規(guī)劃，到2020年全面實行節(jié)能75%的標(biāo)準(zhǔn)[1]。根據(jù)有關(guān)專家對2001年按終端用途劃分的建筑能耗資料，城鎮(zhèn)采暖消耗占37.4%，農(nóng)村采暖占6.44%，空調(diào)制冷占11.5%[1]。由此得出的結(jié)論是采暖和空調(diào)占到建筑能耗的大部分。而低能耗建筑的設(shè)計與實施在整個建筑能耗系統(tǒng)將起到最大化的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

由于河南省界于東經(jīng)110°21′～116°39′，北緯31°23′～36°22′，海拔150左右[2]，在地理位置上屬于溫?zé)釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，冬季寒冷，夏天炎熱。如果全面開發(fā)完全的被動零耗建筑，會在昂貴的成本下帶來較低的收益，綜合各類建筑特點，在河南省客觀情況下設(shè)計低耗綠色建筑則是本文的探討目標(biāo)。本文以下將在建筑內(nèi)外方面對節(jié)能低耗各個要點進行設(shè)計創(chuàng)新介紹。

1 建筑低能耗供暖

1.1 建筑方位

合理選擇建設(shè)地點、朝向和房間距能夠提高冬日太陽能收集和夏日遮陽效果。地點方面，在建筑內(nèi)背風(fēng)向陽的地方設(shè)計太陽房、特隆布墻等集熱部位，使熱量在不被遮擋的建筑北側(cè)更好的吸收。在朝向方面，由于本省平均在北緯31°～36°之間[3]，而更多的以建筑朝向北30°左右的太陽房可以最大化增加冬日日照時間，在夏日則可關(guān)閉特隆布墻以達到隔熱效果。而在建筑南側(cè)則應(yīng)盡可能少的開窗以達到被動保溫的要求。

1.2 氣密性

由于建筑能源的消耗占絕大多數(shù)在空間制熱上，所以在減少熱量消耗和增強制熱效果上，建筑的氣密性扮演著至關(guān)重要的作用。為了提高建筑氣密性，減少可控的漏風(fēng)現(xiàn)象可以減少熱量損失和不適的干冷，可以直接影響室內(nèi)舒適程度和建筑損傷。在空氣環(huán)境中，暖風(fēng)從漏縫中流出，被外部冷空氣替換，而導(dǎo)致中和室內(nèi)已有暖氣。常見存在建筑漏氣的區(qū)域見圖1。

1.3 節(jié)能機械通風(fēng)和回暖系統(tǒng)MVHR(Mechanical Ventilation and Heat Recovery)

自然通風(fēng)可以達到一般的通風(fēng)效果，但如果在室內(nèi)外溫差較大情況下可以根據(jù)需求采用節(jié)能機械通風(fēng)和回暖系統(tǒng)(MVHR)，如圖2所示。

對于被動式綠色建筑來說，提高建筑保溫效率主要通過溫度隔離和提高建筑氣密性，而高氣密性則不利于空氣循環(huán)。由于所有建筑必須保證新鮮空氣，常規(guī)開窗可以保證通風(fēng)但是建筑內(nèi)部的溫度和濕度也在此同時損失嚴重，在保證低耗的前提下，機械通風(fēng)回暖裝置(MVHR)是節(jié)能保溫系統(tǒng)上一個較為重要的組成部分。

在高氣密性的被動式保溫結(jié)構(gòu)中，人體健康離不開空氣濕度和向外界排放二氧化碳。而通風(fēng)回暖設(shè)備可以在低能耗的前提下保證室內(nèi)舒適，并且用戶可以自由開關(guān)門窗。

2 室內(nèi)被動供暖

2.1 低耗區(qū)供暖設(shè)計

使用現(xiàn)有的技術(shù)通過建筑設(shè)計把高效隔熱材料、透光材料、儲能材料等有機地集成在一起，采暖主要利用南坡屋面的鐵板吸收太陽能，加熱從屋外引進的冷空氣，當(dāng)通過屋頂最高處的玻璃板時，空氣溫度被大幅度抬升，將通氣層內(nèi)的熱空氣吸收聚集到熱氣通道里，然后通過控制箱送到地板下面貯存起來，并通過靠墻的地板風(fēng)口送出來，太陽下山后，風(fēng)扇自動停止轉(zhuǎn)動，控制箱內(nèi)的風(fēng)門會自動關(guān)閉，避免室外的冷空氣流入室內(nèi)，貯存在地板下的熱量也慢慢釋放出來，使室溫下降速度減慢，使房屋盡可能多地吸收并保存太陽能，從而達到保溫的效果。

2.2 門窗幕墻設(shè)計

根據(jù)資料顯示，門窗的熱損失占建筑的總熱損失的40%以上[4]，所以門窗節(jié)能是建筑節(jié)能的關(guān)鍵，門窗既是能源得失的敏感部位，又關(guān)系到采光、通風(fēng)、隔聲、立面造型。這就對幕墻的節(jié)能提出了更高的要求，其節(jié)能處理主要是改善材料的保溫隔熱性能和提高窗框的密閉性能。窗和幕墻的設(shè)計規(guī)則如下：

1)東、西外朝向玻璃應(yīng)減少玻璃窗設(shè)置。陽光不僅自東向西每天從不同角度直射入，屋檐的設(shè)計無法有效阻擋太陽上升、落下時水平方向的光線，而且熱量還從不同角度透過地面反射到墻體。如需設(shè)玻璃窗，則需要玻璃窗具有高反射率、高溫度隔離性，或選擇隔離性較好的玻璃并裝有可下拉式窗簾來阻擋夏日的暴曬。減少內(nèi)外溫度差將為整個節(jié)能系統(tǒng)做出不少貢獻。

2)南朝向若有屋檐則應(yīng)多設(shè)置為高太陽能得熱系數(shù)(SHGC)的玻璃。布置在建筑南側(cè)的高H的開窗，H/2長屋檐設(shè)計可以在5月～9月阻擋高緯度的太陽光并且不會阻擋低緯度的冬季陽光。而水平方向的窗檐不失為一種廉價并有效的辦法。在窗檐的阻擋下，南側(cè)玻璃應(yīng)設(shè)置為高SHGC，有利于吸收冬季溫度。

3)北朝向玻璃窗、幕墻采用Low-E玻璃。由于北側(cè)更多處于陰涼面，采用Low-E低輻射中空玻璃可以達到隔熱效果，從而保證穩(wěn)定的室內(nèi)溫度。

2.3 被動供暖設(shè)計因素

2.3.1 熱量來源

供暖季節(jié)，陽光每天9：00～15：00通過玻璃窗從南自東向西透過玻璃進入建筑,通常入射角應(yīng)該在30°并不應(yīng)該被其他建筑或障礙物遮蔽。日照角度見圖3。

2.3.2 溫度吸收

硬質(zhì)黑色材料面層可以快速吸收太陽光熱量，表面可以是磚石材料的墻壁、地板、隔墻,局部區(qū)域可以采用兩倍吸收效果的蓄水墻。

溫度吸收可以采用特隆布墻(Trombe Wall)，它是生態(tài)建筑中與陽光房合用的墻，上下分別各一個洞(見圖4)。夏天陽光房上下洞開，特隆布墻關(guān)。冬天反之。特隆布墻主要功能為通過高熱容材料被動吸收太陽光，根據(jù)需求為室內(nèi)提供溫度。其材料由磚石、混凝土或灰質(zhì)粘土構(gòu)成，墻體外部為高熱容材料，內(nèi)部為隔熱層，并在建筑配有玻璃窗，取暖時段陽光透過玻璃，輻射由外側(cè)高熱容墻體吸收，暖風(fēng)由玻璃窗與特隆布墻之間自然對流以及熱空氣上升的原理進入室內(nèi)，冷風(fēng)則自室內(nèi)地板由特隆布墻底部排出。夜間，關(guān)閉特隆布墻阻止暖風(fēng)流出，墻體內(nèi)側(cè)的隔熱材料開始發(fā)揮作用，高熱容量的墻體開始將熱能釋放保持室內(nèi)溫度舒適。同理在夏日，乘涼時段關(guān)閉特隆布墻以達到隔熱效果。

2.3.3 熱能分布傳導(dǎo)

太陽熱從收集和存儲材料循環(huán)傳向房子的不同區(qū)域。嚴格的被動式設(shè)計使用熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射方式共同進行。局部區(qū)域可以通過高性能導(dǎo)熱墻體幫助分布熱量以及高效的熱回收：利用主動通風(fēng)(逆流空氣/空氣熱交換)提供高質(zhì)量的空氣，同時利用排放廢氣余熱的75%對抽進的新風(fēng)加熱，此時廢氣和新鮮空氣并沒有混合。因為被動屋密封得非常好，可以讓空氣變換最優(yōu)化。

3 夏季過熱

3.1 溫度緩沖帶

對夏季乘涼,建筑的環(huán)境設(shè)計應(yīng)在南側(cè)最大程度地減少夏季陽光直射面,防止周邊地區(qū)的熱量再輻射和反射。在干燥炎熱的外部環(huán)境與室內(nèi)舒適需求環(huán)境溫度差較大時可以設(shè)置溫度緩沖帶。如利用落葉樹和闊葉植被來阻擋低層的陽光，避免地面再次反射太陽輻射，從而使地面和建筑表面高溫現(xiàn)象達到緩解，而在此之后設(shè)置較緊密的綠化帶，如綠化草坪，水池等緩沖從地面至建筑傳來的溫度。而冬季已經(jīng)落葉的樹木并不會阻擋入射角較低的太陽光直接照射和地面反射。

3.2 自然對流降溫

通過利用風(fēng)壓原理，在內(nèi)部設(shè)計門窗，家具擺設(shè)等相對位置可以引導(dǎo)建筑內(nèi)部的空氣流動，在室內(nèi)外部則可以利用天井，樓梯間和過道的開口面積來引導(dǎo)自然通風(fēng)。加強對建筑迎風(fēng)向進氣口的構(gòu)造從而引導(dǎo)氣流擠壓，使入室氣流偏入生活區(qū)及人體高度范圍。而相對在風(fēng)壓作用很小的位置則可以利用熱壓原理使建筑內(nèi)部熱源產(chǎn)生溫室效應(yīng)，來實現(xiàn)通風(fēng)換氣(見圖5)。

其他利用對流的方案，如圖5b)所示，通過在地面開口使用太陽能風(fēng)扇將地面冷空氣引入室內(nèi)，由屋頂開口排出。

3.3 輻射降溫

在建筑頂層可以設(shè)置裝有水的特殊板材。輻射降溫板下層有不銹鋼/玻璃支撐板，中層為1 m深的水層，上層設(shè)導(dǎo)熱遮擋板。在日照期間，遮擋板保持關(guān)閉阻止過量熱輻射，水層在達到熱隔離功能的同時以高比熱容作為熱輻射海綿吸收熱量。夜間將上層遮擋板收起，將水層暴露于外部環(huán)境，水層以自身的較涼溫度向四周釋放長波輻射來達到降溫效果。日夜間輻射降溫示意圖見圖6。

3.4 蒸發(fā)降溫

根據(jù)需要可以配置環(huán)保水冷式空調(diào)，利用水汽蒸發(fā)的過程中會吸收周圍熱量的這一物理特性，水冷式空調(diào)在進風(fēng)口處安裝上降溫水簾(又稱濕簾)。當(dāng)空氣經(jīng)過濕簾時，熱量被吸收，溫度降低5 ℃～8 ℃。溫度降低后的空氣通過水冷式空調(diào)的送風(fēng)管道送入室內(nèi)來降低室內(nèi)溫度。由于經(jīng)過水冷式空調(diào)的空氣含有大量的水汽，因此會再次蒸發(fā)，進一步降低溫度。水冷原理示意圖見圖7。

4 結(jié)語

本文針對性地對低耗綠色建筑體型需求、室內(nèi)外建筑材料、設(shè)備需求等方面進行了設(shè)計與創(chuàng)新，達到低耗和被動式節(jié)能效果，具體數(shù)據(jù)規(guī)格可按不同需求及不同預(yù)算來進行調(diào)整。這對河南省未來低耗節(jié)能建筑發(fā)展，解決供暖耗費嚴重、環(huán)境污染加劇等問題具有重要的意義。

[1] DBJ 41/T109—2011，河南省綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 地理概括[DB/OL].河南省人民政府網(wǎng)，2014.

[3] 淺談被動式太陽房的設(shè)計和發(fā)展[Z].2008.

[4] 南京化院.太陽防技術(shù)與建筑節(jié)能應(yīng)用[Z].2011.

This design and innovative technology introduction of low energy consumption green building

Wang Wei1Zhang Yizhong2Liu Boyu1

(1.HenanWufangHechuangArchitecturalDesignLimitedCompany,Zhengzhou450000,China;2.ArchitectureCollege,HenanUniversity,Kaifeng475000,China)

This paper made design and innovation from low energy consumption green building shape demand, indoor and outdoor building materials, equipment requirements and other aspects, achieved the low energy consumption and passive energy-saving effect, the specific data specifications could be adjusted according to the different needs and budgets, had important significance to the development of low energy consumption building.

energy saving, low energy consumption building, passive heating

2015-04-07

王 偉(1973- ),男，高級工程師； 張義忠(1968- ),男，教授，注冊建筑師； 劉博宇(1990- ),男，助理工程師

1009-6825(2015)17-0187-03

TU201.5

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