(山東建筑大學(xué) 山東 濟(jì)南 250101)

引言

“寒冷地區(qū)作為我國人口較密集和經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，其冬季采暖和夏季降溫的能耗都非常大。被動式設(shè)計技術(shù)以其低能耗、低技術(shù)、低投資、高舒適度等特點(diǎn)，成為適應(yīng)我國寒冷地區(qū)現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)條件下建筑降低能耗的主要策略?！雹?/p>

由于我國寒冷地區(qū)的人口集中，土地面積有限，人地矛盾突出，住宅形式以集合住宅為主，因此本研究以集合住宅為對象，對被動式技術(shù)下的住宅設(shè)計模式進(jìn)行探索研究。

一、相關(guān)的概念

(一)寒冷地區(qū)

我國頒布《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176-93)從建筑熱工方面對我國進(jìn)行了氣候劃分。規(guī)范劃分成五個區(qū)域。(如圖1)

圖1 中國建筑氣候區(qū)劃分

“分為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。”我國的寒冷地區(qū)包括天津、山東、寧夏全境；北京、河北、山西、陜西大部分；遼寧南部；甘肅中東部以及河南、安徽、江蘇北部的部分地區(qū)。地域性的氣候?qū)ㄖ獠科鹱饔?，對建筑?nèi)部的熱環(huán)境和濕環(huán)境、風(fēng)環(huán)境和空氣質(zhì)量等因素產(chǎn)生作用和影響。

寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)為：冬季寒冷，夏季炎熱。在建筑設(shè)計時既要注意冬季防寒，又要考慮夏季的通風(fēng)、遮陽問題。應(yīng)注重建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來的保溫性能的提升，控制室內(nèi)環(huán)境舒適度。

(二)集合式住宅

集合住宅作為我國目前最常見的住宅形式，“指的是在特定的土地上有規(guī)劃地集合建造的住宅，包括低層、多層和高層住宅?！?/p>

集合住宅居住形態(tài)上的特點(diǎn)是層數(shù)高、居住密度大、體型系數(shù)較小等特點(diǎn)。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，寒冷地區(qū)集中了大量人口，人地矛盾突出，為解決人們的居住問題，集合住宅是我國住宅的主流方式。

(三)被動式設(shè)計

“被動式設(shè)計(Passive Design)指的是在建筑設(shè)計中，依照建筑所在地區(qū)的氣候特征、經(jīng)濟(jì)條件等，結(jié)合建筑功能需要，合理設(shè)計體型系數(shù)、朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，讓建筑物具有更強(qiáng)的氣候適應(yīng)、調(diào)節(jié)力”，在充分做好建筑自身“節(jié)流”的基礎(chǔ)上，廣開源路，利用可再生能源，最終達(dá)到低投資、低技術(shù)、低消耗、高舒適度的設(shè)計。

二、國內(nèi)外被動式建筑案例分析

(一)貝丁頓(BedZED)零碳社區(qū)

貝丁頓零碳社區(qū)，位于倫敦的薩頓鎮(zhèn)，占地約1.65公頃，有82套公寓和2500平方米的辦公、商住面積，在2002年完成建設(shè)。社區(qū)內(nèi)運(yùn)用巧妙的設(shè)計和用可循環(huán)利用的建筑材料、太陽能裝置、雨水收集、帶熱回收系統(tǒng)風(fēng)帽等一系列措施，成為英國第一個，也是世界上第一個零二氧化碳排放社區(qū)。

居住區(qū)設(shè)計：首先，社區(qū)選址于廢棄的棕色地塊，建材選用從附近廢舊建筑上拆除下來的可重復(fù)利用的鋼材及木材，減少建材生產(chǎn)過程中的碳排放；其次，貝丁頓地區(qū)有6個月采暖期，冬季寒冷，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?，設(shè)計中嚴(yán)格控制體型系數(shù)，各建筑緊湊，減小散熱面積；(如圖2)充分利用太陽能光熱技術(shù)，根據(jù)冬季太陽高度角，在北向加設(shè)房間，屋頂高度沿光線照射方向由南向北逐漸降低，既增加了土地利用率，又解決了前后擋光的問題。

圖2 貝丁頓社區(qū)建筑緊湊分布

單體設(shè)計：平面設(shè)計上南向房間為主要生活空間，(如圖3)設(shè)置附加陽光房，盡可能利用太陽的光熱。(如圖4)北向房間作為輔助用房，并為南向房間提供保障。屋頂采用綠化屋頂，冬季防止熱量流失，夏季降溫。設(shè)置有熱回收系統(tǒng)的風(fēng)帽，利用煙囪效應(yīng)，不需外力進(jìn)行換風(fēng)，同時將交換空氣中的余熱有效回收，在滿足室內(nèi)新風(fēng)要求、達(dá)到較高的熱舒適度的同時，降低能耗。

圖3 內(nèi)部功能分區(qū)

圖4 陽光房設(shè)計

維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計：外墻的厚度超過500毫米，由內(nèi)層的混凝土砌塊，300毫米厚的巖棉保溫層和外層的磚砌塊三部分構(gòu)成；窗戶采用涂膜中充氬氣的三層玻璃；窗框采用木框架；外墻、樓板采用蓄熱性能較好的材質(zhì)，在冬季保存大量熱量，在夏季可以防止過熱。(如圖5)

圖5 磚石墻構(gòu)造

能源綜合設(shè)計：主要能源供給來自熱電聯(lián)供設(shè)備，熱電聯(lián)供設(shè)備的燃料采用附近生態(tài)公園里的速生林等生物質(zhì)燃料，減少燃料運(yùn)輸過程中的碳排放；具有良好保溫隔熱性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使得室內(nèi)損失的熱能減少，利用住宅內(nèi)部的電器散 發(fā)的余熱，可以減少冬季的采暖量。

(二)北京奧運(yùn)村

北京奧運(yùn)村占地66 萬平米，總建筑面積53 萬平米，由 42 棟住宅樓及5 棟配套公建組成，坐落于奧運(yùn)中心區(qū)西北部，屬大規(guī)模的住宅建筑群。奧運(yùn)村內(nèi)所有住宅在節(jié)能65%的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能，大幅降低住宅能耗。

住區(qū)設(shè)計：位于奧林匹克中心的西北，南臨奧運(yùn)會主場館，北臨森林公園，22棟6層住宅和20棟9 層住宅，為板式結(jié)構(gòu)，自南向北有序排列，最大限度利用自然采光和通風(fēng)。(如圖6)

圖6 鳥瞰圖——住宅排列

單體設(shè)計：由于賽時、賽后使用人數(shù)及需求的差異，在戶型設(shè)計上盡量多的讓主要活動房間位于南側(cè)；除了小區(qū)內(nèi)的規(guī)劃綠化外，采用屋頂綠化手段，實(shí)現(xiàn)全覆蓋的綠化。(如圖7)

圖7 屋頂花園

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計：墻體采用節(jié)能一體化外墻板；窗戶采用雙層中空 LOW-E玻璃，內(nèi)充惰性氣體；以遮陽棚與屋頂花架來實(shí)現(xiàn)的高效太陽能集熱器。

能源綜合利用：為了形成一種節(jié)能減排和穩(wěn)步落實(shí)的建筑住宅綜合體，在新能源利用方面，采用了光電板、導(dǎo)光照明管、太陽能熱水系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)等技術(shù)，同時小區(qū)內(nèi)采用雨水收集和中水處理系統(tǒng)，住戶內(nèi)采用節(jié)水器具，綜合措施減少水資源的使用，綜合統(tǒng)計各項(xiàng)節(jié)能、節(jié)材措施將近40 項(xiàng)。

從以上案例中我們發(fā)現(xiàn)被動式集合住宅設(shè)計包括建筑設(shè)計中的朝向、布局等場地規(guī)劃方面的設(shè)計，也包括建筑的體型系數(shù)、平面布置、立面設(shè)計、剖面設(shè)計等住宅單體設(shè)計，結(jié)合保溫隔熱、自然通風(fēng)、自然采光、建筑遮陽帶來的室內(nèi)舒適度進(jìn)行設(shè)計。以下主要從這幾個方面展開論述。

三、集合式住宅被動式設(shè)計

(一)集合式住宅規(guī)劃設(shè)計

1.建筑的布局

建筑布局在安全條件下，盡可能的結(jié)合當(dāng)?shù)靥柛叨冉?、方位角、主?dǎo)風(fēng)向等自然條件，合理布置板式住宅與點(diǎn)式住宅。群體布局方面，基于冬季較為寒冷的氣候條件，建筑采用組團(tuán)封閉布局的空間形態(tài)，南北向錯列式布置，(如圖8)形成圍合界面抵抗寒風(fēng)的同時，最大限度的接受太陽輻射，對于建筑節(jié)能有輔助功能。單元組團(tuán)式的空間布局形態(tài)可以形成相對比較封閉、私密、完整的內(nèi)部庭院空間，在寒冷季節(jié)可以抵制外界的不良天氣條件，能夠提高和改善內(nèi)部環(huán)境條件，如日照條件、通風(fēng)條件、太陽輻射等，這些因素在減低建筑能耗方面都有很大作用。

圖8 建筑布局與風(fēng)環(huán)境

2.建筑的朝向

我國住宅的有關(guān)規(guī)范規(guī)定建筑物朝向宜采用南北向或近南北向,主要房間宜避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向。因?yàn)橐环矫婧涞貐^(qū)的冬季天氣寒冷,為了在冬季得到更多的熱量和適宜的采光條件。另外,和北方的主導(dǎo)風(fēng)向有關(guān),在冬季和夏季,風(fēng)勢多呈南北走向。住宅南北向布置不僅冬季可以防風(fēng),夏季也可通風(fēng)降溫。住宅朝向作為影響住宅環(huán)境、能耗的關(guān)鍵因素，是住宅設(shè)計中應(yīng)首先考慮的問題。地理位置、周邊環(huán)境、局部氣候特征及住區(qū)用地條件等與住宅朝向有著密切關(guān)系。

在我國北方寒冷區(qū)域，建筑物的朝向大多在正南向或者在正南向偏東15°到正南向偏西15°之間。當(dāng)建筑朝向達(dá)到東西向時，建筑的長寬比越大則建筑得到的太陽輻射熱量越小。因此，從獲取太陽輻射量來說，在集合住宅規(guī)劃時應(yīng)盡量避免東西向的建筑朝向。在建筑基地允許的情況下，盡量使建筑南北向布置。當(dāng)基地?zé)o法滿足時，應(yīng)綜合考慮地形、地勢、規(guī)劃等因素，使建筑有南偏西或南偏東小于45度的朝向，最大程度的考慮當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向。

(二)集合式住宅單體設(shè)計

1.住宅體形系數(shù)

“建筑物體形系數(shù)是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積A與外表面積所包圍的建筑體積V之比。”體形系數(shù)的大小對建筑物能耗的影響大,體形系數(shù)越大,單位建筑空間的熱損失越大,能耗就多。相反,體形系數(shù)越小,建筑空間所承擔(dān)的熱損失越小,能耗就越少。寒冷地區(qū)體形系數(shù)控制在0.3以下。(如圖9-圖11)

圖9 體形系數(shù)計算過程

圖10 不同形狀的建筑體形系數(shù)

圖11 建筑體形系數(shù)最佳的建筑形式

參照上圖對于集合式住宅建筑,控制體形系數(shù)的方法有:加大建筑基地面積,增加建筑長度和進(jìn)深；在滿足相關(guān)條件的基礎(chǔ)上提高建筑層數(shù)；建筑造型宜簡潔,減少外形的凹凸變化,盡量避免復(fù)雜的輪廓線；建筑平面形式盡量采用板條式組合；點(diǎn)式建筑或建筑群中,釆用多個點(diǎn)式組合的裙樓形式。

2.住宅的平面布置

在集合式住宅的平面設(shè)計中，居住者要求是在空間和面積的有效利用上，主要是對功能上的要求，例如動靜分區(qū)。而平面的被動式設(shè)計除了功能要求外，需做到采光通風(fēng)良好，盡可能減少對于空調(diào)、燈光等主動式設(shè)備的利用，從而降低能耗。

從建筑能耗角度，在住宅建筑平面設(shè)計中，合理分區(qū)也指住宅內(nèi)部房間熱環(huán)境的合理分區(qū)。不同房間承擔(dān)著不同的功能活動，對室內(nèi)環(huán)境要求也不同。在設(shè)計中可按照對熱環(huán)境的需求進(jìn)行合理分區(qū)，在滿足平面功能性和適用性的基礎(chǔ)上，根據(jù)被動式設(shè)計方法調(diào)整平面布局，將衛(wèi)生間，儲藏間，和樓梯間等服務(wù)性、附屬性的房間放在北向，作為生活空間和室外空間的緩沖，在遇到特殊空間時，需將主要生活空間置于北向時，可以在其外側(cè)加設(shè)封閉陽臺等。除此之外，在提高空間使用效率的基礎(chǔ)上，充分考慮空氣流動的自然通風(fēng)設(shè)計。墻體和門窗位置應(yīng)利于空氣的對流。(如圖12)風(fēng)壓存在時自然通風(fēng)的要求達(dá)不到，應(yīng)采取熱壓通風(fēng)措施，將平面里設(shè)置適當(dāng)?shù)闹型ィ脽焽栊?yīng)通風(fēng)換氣。(如圖13圖14)

圖12 門窗位置與自然通風(fēng)示意圖

圖13 風(fēng)壓通風(fēng)原理圖

圖14 熱壓通風(fēng)原理圖

3.住宅的立面設(shè)計

墻體被動式設(shè)計

要考慮墻體的保溫隔熱設(shè)計，外墻外保溫構(gòu)造是適合寒冷地區(qū)的保溫構(gòu)造形式，它采用高效保溫材料，增大墻體熱阻；南向墻體節(jié)能設(shè)計綜合考慮冬季集熱和夏季降溫的一體化設(shè)計，利用雙層表皮設(shè)計原理，比如格柵表皮。(如圖15)

圖15 格柵表皮節(jié)能原理

窗戶的被動式設(shè)計

在節(jié)能的設(shè)計中，首先考慮到窗墻比，適宜的窗墻比能較好的利用太陽能，與此同時也會影響到住宅內(nèi)部的采光、通風(fēng)和立面效果?，F(xiàn)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素限制了落地窗和飄窗的選擇；推薦采用平開窗，可提高氣密性，有助于冬季保溫，開啟面積可增大，有助于夏季通風(fēng)降溫；(如圖16 圖17)考慮遮陽設(shè)計，優(yōu)先選用外遮陽，盡量做到外遮陽與窗戶的一體化設(shè)計。注意窗戶與墻體交界處的保溫隔熱設(shè)計,減少熱橋。

圖16 立面開窗形式比較

圖17 窗戶的不同開啟方式

屋頂被動式設(shè)計

屋頂作為住宅的第五立面，它對于建筑節(jié)能有重要意義。屋頂形式要簡潔，減小對體形系數(shù)的影響；采用坡屋頂設(shè)計時，做好屋頂保溫的同時，坡度選擇要考慮當(dāng)?shù)靥柛叨冉堑纫蛩?，可結(jié)合太陽能光熱進(jìn)行設(shè)計；屋頂上布置綠化植被，可增加屋頂?shù)姆罒崃?，降低夏季室?nèi)的溫度。(如圖18)

圖18 屋頂被動式設(shè)計策略比較

4.住宅的剖面設(shè)計

剖面可以體現(xiàn)建筑物中各個空間的相互組合關(guān)系。剖面的被動式設(shè)計同樣可以起到節(jié)能設(shè)計的作用，它可配合平面組織自然通風(fēng)。共享中庭、樓梯間、豎向通風(fēng)的風(fēng)道等和煙囪特點(diǎn)類似—也就是由底部到頂部有順暢的流動空間的住宅里，空氣由于密度差的原因，它沿通道迅速進(jìn)行擴(kuò)散或者直接流出住宅。應(yīng)在排風(fēng)口位置安排有效的熱回收裝置，適當(dāng)?shù)幕厥湛諝庥酂幔瑴p少冬季采暖的能耗；夏季可利用余熱加熱生活用水。在適當(dāng)情況下設(shè)置地下室，依照地下室的功能確定是否需要采暖。設(shè)置合理的地下室空間有助于住宅首層的節(jié)能。(如圖19)

圖19 集合住宅雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面被動式設(shè)計概念圖

我國集合住宅多數(shù)采用單元式布局，因此樓梯間的被動式設(shè)計有著重要的意義。樓梯間上下貫通的空間特性，使之可利用“煙囪效應(yīng)”原理，使得其成為熱量在住宅內(nèi)部流通的重要渠道。其基本方法是，封閉樓梯間頂部，在高出屋面的部分墻體設(shè)置帶有高效的熱回收裝置通風(fēng)口，冬季更新住宅內(nèi)空氣同時回收熱量加熱。

四、結(jié)語

集合式住宅的被動式設(shè)計中，節(jié)能可持續(xù)的建筑是未來建筑師設(shè)計的方向。我們應(yīng)該結(jié)合實(shí)際設(shè)計出適合當(dāng)代中國發(fā)展的節(jié)能住宅。而被動式設(shè)計的住宅以低投資、低消耗、低技術(shù)、高舒適度的特點(diǎn)將成為未來住宅的主流建筑形式。

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【注釋】

①《被動式設(shè)計在寒冷地區(qū)住宅設(shè)計中的應(yīng)用》