鄭 兵（華建集團(tuán)華東都市建筑設(shè)計研究總院， 上海 200070）

近年來，國家對節(jié)能減排技術(shù)尤其是建筑節(jié)能技術(shù)措施的發(fā)展與推廣愈發(fā)重視。但主要集中在機(jī)電系統(tǒng)方面的節(jié)能探索，即主動式建筑節(jié)能策略。通過改善設(shè)備性能或使用非常規(guī)能源雖可減少常規(guī)能源的使用，降低建筑能耗的碳排放，但同時也增加了建筑建造費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)成本。2006 年我國首部 GB/T 50378—2006《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布；2015 年，《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則》 發(fā)布；2017 年住建部在《建筑節(jié)能與綠色發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出，積極開展超低能耗、近零能耗建筑示范。建筑節(jié)能目標(biāo)值越來越高，也愈發(fā)被設(shè)計院、科研機(jī)構(gòu)、房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)和建筑施工企業(yè)等社會各界所認(rèn)同。在此背景下，“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化”逐漸成為實現(xiàn)綠色可持續(xù)建筑發(fā)展的核心策略，避免單純的設(shè)備投資增加，在節(jié)能的同時兼顧舒適性、經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)先以建筑本體優(yōu)化設(shè)計節(jié)能、以機(jī)電與可再生能源利用為輔助。

1 被動式低能耗建筑節(jié)能技術(shù)

1.1 被動式建筑節(jié)能技術(shù)

被動式建筑節(jié)能技術(shù)是相對于主動式節(jié)能技術(shù)所提出的。主動式建筑節(jié)能技術(shù)主要集中于機(jī)電系統(tǒng)方面的節(jié)能探索，通過改善設(shè)備性能或使用非常規(guī)能源減少常規(guī)能源的使用，降低建筑能耗的碳排放。被動式建筑節(jié)能技術(shù)盡量不依靠設(shè)備和能源，從建筑運(yùn)行能耗的源頭減少建筑的熱負(fù)荷、光負(fù)荷等。通過相應(yīng)的建筑元素，因地制宜，以實現(xiàn)建筑室內(nèi)良好采光、空氣質(zhì)量和熱舒適的效果，在節(jié)能的同時滿足建筑使用者人體舒適度的需求，創(chuàng)造和改善建筑環(huán)境。同一般仍需借助于一定設(shè)施和常規(guī)能源的主動式節(jié)能技術(shù)相比，被動式建筑節(jié)能技術(shù)不僅能減少建筑能耗，還能更加高效地實現(xiàn)健康、舒適的建筑環(huán)境，讓綠色 真正回歸建筑本身，充分實現(xiàn)其“以人為本，因地制宜”的理念。

1.2 被動式節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2015 年，河北省率先出臺了 DB 13(J)/T 177—2015《被動式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》， 但該標(biāo)準(zhǔn)主要借鑒了德國被動房的技術(shù)策略，側(cè)重圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，而對通風(fēng)、遮陽和采光等被動式節(jié)能設(shè)計涉及較少。上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則中加入了適用于該地區(qū)的被動式設(shè)計策略，但其他地區(qū)和國家的標(biāo)準(zhǔn)中此部分內(nèi)容較少。被動式節(jié)能技術(shù)認(rèn)證缺乏相應(yīng)的框架體系，不同類型建筑（如公共建筑、工業(yè)建筑）和不同地域的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)認(rèn)證框架仍有待完善。

被動式節(jié)能技術(shù)在國內(nèi)還未得到部分設(shè)計師、房地產(chǎn)開發(fā)商、消費(fèi)者及相關(guān)政府部門的充分認(rèn)識。我國大部分地區(qū)的氣候情況在現(xiàn)階段的技術(shù)情況下，完全依靠被動式技術(shù)并不能滿足室內(nèi)舒適度需求。主動式與被動式技術(shù)相輔相成，被動優(yōu)先、主動優(yōu)化，才能建成適應(yīng)國情、適應(yīng)地情的健康、舒適、高效的綠色可持續(xù)建筑。

被動式節(jié)能技術(shù)在具體實施階段的培訓(xùn)宣傳不夠深入，被動式節(jié)能技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、推廣政策等方面的激勵和優(yōu)惠力度還不夠，現(xiàn)今的粗放式施工還不能很好地適應(yīng)被動式節(jié)能建筑建設(shè)的精細(xì)化要求。被動式節(jié)能的技術(shù)支持還有待發(fā)展和完善，尚需加快被動式超低能耗綠色建筑示范工程的建設(shè)和推廣，加大科研投入和國際之間的合作與交流，學(xué)習(xí)、研發(fā)并且集成運(yùn)用先進(jìn)的建筑節(jié)能技術(shù)。

2 被動優(yōu)先低能耗建筑節(jié)能設(shè)計

2.1 以建筑性能為基礎(chǔ)的被動式建筑節(jié)能設(shè)計方法

為實現(xiàn)綠色可持續(xù)建筑，被動式建筑節(jié)能設(shè)計應(yīng)以建筑性能為基礎(chǔ)，結(jié)合建筑所在地的實際地理、氣候和周圍建筑等情況，通過優(yōu)化、添加設(shè)計元素來實現(xiàn)建筑負(fù)荷的最小化， 涉及建筑體型、朝向、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、熱環(huán)境、光環(huán)境和聲環(huán)境等方面。此外，需熟悉專業(yè)軟件操作的人員使用建筑模擬軟件。因此，以建筑性能為依據(jù)的被動節(jié)能設(shè)計需要建筑師與專業(yè)工程師包括軟件工程師，即設(shè)計全專業(yè)的協(xié)同合作。

從設(shè)計方案到項目施工，每一階段的權(quán)衡考慮都可能導(dǎo)致設(shè)計的重置或修改，但在項目方案設(shè)計初期所做的修改成本最低、影響力最大。所以，被動節(jié)能優(yōu)化設(shè)計應(yīng)當(dāng)在項目初期就盡可能早地由設(shè)計全專業(yè)人員協(xié)同進(jìn)行。

以建筑性能為設(shè)計依據(jù)的被動式技術(shù)優(yōu)化設(shè)計一般分為以下 6 個步驟。① 建筑場地分析；② 建筑體型設(shè)計；③ 采光分析；④ 能耗分析；⑤ 各參數(shù)模擬數(shù)據(jù)結(jié)果整理，模型可視化；⑥ 優(yōu)化設(shè)計。

2.2 被動式建筑節(jié)能設(shè)計工作流程

建筑、機(jī)電等各專業(yè)加強(qiáng)交流的需要使得設(shè)計工作流程從單一方向的線性流程向復(fù)雜、多元的非線性流程發(fā)展。傳統(tǒng)的設(shè)計工作流程中，溝通是單向的，無法順利傳達(dá)各專業(yè)的配合反饋。為加強(qiáng)溝通和協(xié)作，項目客戶應(yīng)從設(shè)計初期即開始參與設(shè)計?？蛻簟⒔ㄖ熀透鲗I(yè)工程師在設(shè)計全過程中信息互換，溝通密切，最終由施工方將定稿的各專業(yè)、各部門一體化設(shè)計建成實際建筑。

為實現(xiàn)建筑性能與建筑能耗的最優(yōu)化，需要建筑模擬軟件的幫助。以建筑性能為設(shè)計依據(jù)，各部門和各專業(yè)的協(xié)同作用。協(xié)同設(shè)計中，除項目客戶、建筑師和各專業(yè)工程師外，新增加了模擬團(tuán)隊一環(huán)，建筑師和工程師借助模擬團(tuán)隊，可以進(jìn)行更好地設(shè)計討論和優(yōu)化。條件允許的情況下，施工方也可參與設(shè)計過程，給出意見，盡量在早期解決一些實際工程中設(shè)計與施工相矛盾的問題。

2.3 常用被動式低能耗建筑節(jié)能技術(shù)模擬軟件

（1）DeST。作為一款現(xiàn)在廣受歡迎的國產(chǎn)建筑能耗模擬軟件，DeST 由清華大學(xué)自主研發(fā)，主要用于建筑和系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析。DeST 可實現(xiàn)分階段設(shè)計、分階段模擬，以自然室溫為橋梁，聯(lián)系建筑物和環(huán)境控制系統(tǒng)，繼承并擴(kuò)充了 DOE-2、ESP-2、TRNSYS 等軟件在建筑物描述與模擬分析等方面的優(yōu)越性。關(guān)于被動式節(jié)能技術(shù)的模擬，DeST在建筑熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、和光環(huán)境方面均有涉及，尤其以建筑熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)模擬的精確性著名，可以實現(xiàn)建筑體型和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

（2）IES (VE)。IES(VE) 是一款國內(nèi)外通用的一體化、模塊式的建筑模擬軟件，功能全面，包括三維模型建立、熱環(huán)境與空調(diào)系統(tǒng)模擬、風(fēng)環(huán)境模擬、遮陽采光分析和照明系統(tǒng)模擬等。IES(VE) 的數(shù)據(jù)庫中有各地的氣候數(shù)據(jù)和各國的綠色建筑設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為建筑和其系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)計提供了一個詳細(xì)的評價、診斷平臺，使設(shè)計可根據(jù)相關(guān)的舒適標(biāo)準(zhǔn)和能耗情況進(jìn)行優(yōu)化，可以實現(xiàn)設(shè)計各階段的動態(tài)模擬需求。

（3）Ecotect。Ecotect 是由 Autodesk 研發(fā)的高度可視化的建筑設(shè)計和分析軟件，通過三維模型模擬、分析建筑熱環(huán)境、能耗、光環(huán)境、聲環(huán)境以及造價等方面。通常被用于建筑設(shè)計早期階段的設(shè)計優(yōu)化反饋，包括建筑熱特性、日照分析、遮陽與采光等。可操作不同工程類軟件，界面友好且可視化，計算分析過程簡單快捷、結(jié)果直觀，非常適用于建筑設(shè)計師在被動式節(jié)能技術(shù)方面的探討與優(yōu)化。

（4）ANSYS-Fluent。ANSYS-Fluent 是一款目前較為常見的流體計算模擬（CFD）軟件，創(chuàng)建或?qū)肽Ｐ秃?，將條件參數(shù)化，通過特定的迭代算法來實現(xiàn)模擬。在被動式節(jié)能技術(shù)模擬方面可以實現(xiàn)以下功能。① 社區(qū)/城區(qū)早期規(guī)劃階段，建筑群的風(fēng)環(huán)境模擬。② 單體建筑設(shè)計時，室內(nèi)與建筑周圍自然通風(fēng)的模擬。將氣體的運(yùn)動參數(shù)與熱參數(shù)相結(jié)合，可以較為精確地模擬實際情況中，在某被動式設(shè)計影響下氣體的流動情況，如煙囪效應(yīng)等。可以通過視覺化（靜態(tài)彩色輪廓圖，動態(tài)模擬動畫）和參數(shù)化的形式展示模擬結(jié)果，清晰地反映該優(yōu)化設(shè)計的有效與否。

（5）ENVI-met。城市微氣候仿真軟件 ENVI -met 也是多功能的 CFD 軟件，可用來模擬室外風(fēng)環(huán)境、城市熱島效應(yīng)等。很多與微氣候有關(guān)的軟件忽略了植被、綠化元素，ENVI-met 則包括了圍護(hù)結(jié)構(gòu)、下墊面、綠化植物等模塊，充分考慮了各材料的熱特性，如能在模擬中體現(xiàn)熱島效應(yīng)下柏油馬路的高發(fā)熱量、綠化的遮陽降溫作用等。因此，ENVI-met 可以較為準(zhǔn)確地模擬建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和綠化設(shè)置等被動式建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，模擬側(cè)重點在于材料的熱特性，ENVI -met 通過網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬，其網(wǎng)格尺寸的大小、網(wǎng)格數(shù)量都直接影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于軟件本身的限制，在建立模型時需簡化相應(yīng)的建筑體型，因此，該軟件并不能滿足精度較高的風(fēng)環(huán)境模擬要求；且模型的尺度受到一定的限制，模擬運(yùn)行時間一般較長。

3 實例分析

3.1 工程概況

某項目作為夏熱冬冷氣候區(qū)的示范生態(tài)辦公樓，位于上海市崇明區(qū)陳家鎮(zhèn)。項目占地面積 8 506.2 m2，設(shè)計總建筑面積 5 117.0 m2，建筑主體結(jié)構(gòu)為地上 3 層，地下 1 層，高12.6 m， 為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑朝向西南，中間部分為門庭和交通共享區(qū)域，左右兩區(qū)為辦公用房，兩端為設(shè)備機(jī)房等輔助用房。該項目在方案初期以近零能耗為建筑設(shè)計目標(biāo)，期望達(dá)到建筑綜合節(jié)能 75%、可再生能源利用率50%、再生資源利用率 ＞ 60% 的效果，并且滿足業(yè)主全年全天候的新風(fēng)需求。該項目的設(shè)計亮點在于被動優(yōu)先，主動優(yōu)化，被動式節(jié)能與主動式節(jié)能設(shè)計集成、協(xié)同作用。

作為辦公建筑，該項目空調(diào)系統(tǒng)能耗占辦公建筑總能耗的比例最大，空調(diào)運(yùn)行時間較為單一穩(wěn)定，負(fù)荷主要為辦公、會議及相關(guān)配套服務(wù)（特殊情況下包括網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的空調(diào)負(fù)荷），室內(nèi)人員設(shè)備負(fù)荷也較為穩(wěn)定。

3.2 被動式低能耗節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 夏季節(jié)能設(shè)計

空調(diào)冷負(fù)荷主要由通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量、太陽輻射熱量、建筑內(nèi)各種散熱量以及潛熱量組成，如圖 1 所示。

圖 1 某生態(tài)辦公樓建筑節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

被動式建筑夏季節(jié)能設(shè)計則分別從減少建筑傳熱、對流和輻射 3 種形式著手。以建筑空調(diào)負(fù)荷為主要依據(jù)，運(yùn)用被動式節(jié)能技術(shù)進(jìn)行以下設(shè)計考慮。

（1）減少輻射熱負(fù)荷措施。① 百葉遮陽和結(jié)構(gòu)自遮陽設(shè)計；② Low-E 玻璃依靠其低輻射特性阻擋了透過玻璃門窗的部分太陽輻射熱；③ 立體/垂直綠化代替建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收并遮擋了部分太陽輻射熱量；④ 建筑光伏的太陽能發(fā)電技術(shù)并不能減少該項目建筑整體的太陽輻射得熱，但可以將部分太陽輻射熱量轉(zhuǎn)化為電能，在減少室內(nèi)總得熱負(fù)荷的同時， 結(jié)合占據(jù)地理環(huán)境優(yōu)勢的崇明島風(fēng)力發(fā)電技術(shù)實現(xiàn)建筑設(shè)備運(yùn)行的近零能耗目標(biāo)；⑤ 位于建筑南面的水池可以幫助反射部分太陽光，以減少建筑的太陽輻射得熱。

（2）減少傳熱熱負(fù)荷措施。① 雙層/保溫墻體、保溫屋面可減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，降低傳熱得熱量；② 立體綠化和建筑周圍的水池可通過降低建筑周圍的室外環(huán)境溫度而減少向室內(nèi)的傳熱量；③ 自然通風(fēng)通過氣體流動帶走部分熱量，也可以達(dá)到降低建筑表面溫度的效果。

（3）減少對流熱負(fù)荷措施。① 通風(fēng)塔、導(dǎo)風(fēng)墻等自然通風(fēng)的設(shè)計措施可增強(qiáng)空氣流動，降低空氣溫度和室內(nèi)各類壁面溫度，減少對流換熱量；② 光導(dǎo)采光器（Light Pipe）利用自然光為室內(nèi)提供部分照明，同 LED 燈（屬于主動式節(jié)能）共同作用，在減少照明耗電量的同時還減少了夏季的光照冷負(fù)荷。

從建筑布局考慮，該項目盡可能地將設(shè)備用房和洗手間等非空調(diào)區(qū)域設(shè)于建筑兩側(cè)， 將辦公區(qū)域排于建筑內(nèi)側(cè)，以減少空調(diào)區(qū)的負(fù)荷（避免西曬和外墻傳熱）。同時促進(jìn)了非空調(diào)區(qū)域的自然通風(fēng)效果，減少機(jī)械通風(fēng)的耗電量。此外，光導(dǎo)采光器和透明的通風(fēng)塔天窗減少了部分白天所需要的照明耗電量。雨水收集可用于中水回收利用，減少了建筑全年耗水量和水泵耗電量。

3.2.2 冬季節(jié)能設(shè)計

冬季空調(diào)冷負(fù)荷主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量，通過門、窗縫隙的冷風(fēng)滲透耗熱量以及外門開啟沖入冷風(fēng)耗熱量等組成，如圖 1 所示。被動式建筑冬季節(jié)能設(shè)計則分別從減少傳熱和對流，并且盡可能地增加冬季日照的形式考慮。

（1）獲取冬季太陽能輻射熱，減少室內(nèi)向室外輻射散熱。① 活動外遮陽百葉的設(shè)計在冬季可減小遮陽面積以擴(kuò)大太陽輻射得熱的獲得；② Low-E 玻璃的內(nèi)壁面可在冬季避免室內(nèi)過多熱量向室外輻射散出。

（2）減少傳熱冷負(fù)荷措施。① 雙層/保溫墻體、保溫屋面可減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，降低冬季室內(nèi)向室外的傳熱熱損失；② 建筑周圍的水池以較大的比熱容穩(wěn)定建筑周圍的室外環(huán)境溫度而減少向室內(nèi)的冬季冷負(fù)荷傳遞。

（3）減少對流熱負(fù)荷措施。在冬季樓宇運(yùn)行時可關(guān)閉通風(fēng)塔，調(diào)節(jié)樓宇中所需的新風(fēng)量，從而減小對流和新風(fēng)冷負(fù)荷。

3.2.3 過渡季節(jié)能設(shè)計

除夏季炎熱、冬季陰冷外，夏熱冬冷氣候區(qū)過渡季節(jié)較長，溫度適中，宜采用自然通風(fēng)來滿足室內(nèi)人體舒適的需求。通過通風(fēng)塔、導(dǎo)風(fēng)墻等自然通風(fēng)的設(shè)計措施可增強(qiáng)空氣流動， 在過渡季節(jié)滿足室內(nèi)的新風(fēng)需求和處理室內(nèi)小部分熱濕負(fù)荷的需求，并且減少了機(jī)械通風(fēng)所需要的耗電量。

在其他建筑負(fù)荷方面，光導(dǎo)采光器和透明的通風(fēng)塔天窗減少了部分白天所需要的照明耗電量。項目所在地崇明島全年雨水充足，雨水收集可用于中水回收利用，減少了建筑全年耗水量和水泵耗電量。

3.3 主動式節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

通過對地理環(huán)境和氣候條件的分析，確定適宜該項目的主動式建筑節(jié)能技術(shù)。① 光感應(yīng)式 LED 照明；② 傳感器自控系統(tǒng)；③ 太陽能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電；④ 雨水回收利用；⑤ 個性化新風(fēng)及輻射吊頂； ⑥ 地源熱泵系統(tǒng)等。詳見表 1 所示。

表 1 某生態(tài)辦公樓主動式節(jié)能技術(shù)

3.4 實際效果

該項目本著“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化”的綠色可持續(xù)建筑策略，圍繞低碳排放、節(jié)約能耗和資源循環(huán)利用的目標(biāo)，綜合應(yīng)用了多種綠色節(jié)能設(shè)計技術(shù)。安裝了建筑能源分項計量和監(jiān)測系統(tǒng)，對各種建筑用能（包括建筑照明與插座、空調(diào)、動力和特殊用能等）能耗實現(xiàn)分項計量和實時監(jiān)測。根據(jù)歷年運(yùn)行的實際數(shù)據(jù)分析，該項目單位建筑面積總能耗為66.6 kWh(m2·a)，其中空調(diào)能耗為 36.6 kWh(m2·a），遠(yuǎn)低于一般辦公建筑的平均全年用電能耗水平。此外，對運(yùn)行期間建筑環(huán)境的實時監(jiān)測和用戶滿意度調(diào)研顯示， 建筑環(huán)境（包括熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境等）和室內(nèi)空氣品質(zhì)均達(dá)到了設(shè)計要求，用戶整體滿意度和舒適度較高。

該項目獲得了中國三星級綠色建筑運(yùn)行的評價標(biāo)識，并在 2013 年榮獲住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“綠色建筑創(chuàng)新獎”一等獎，被住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部評為“綠色建筑示范工程”。

4 結(jié) 語

（1）被動式低能耗建筑設(shè)計的目標(biāo)是建成綠色、可持續(xù)發(fā)展的建筑，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間。故而，應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識并重視被動式低能耗建筑節(jié)能技術(shù)的重要性及巨大效益，發(fā)揮被動式節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢，使建筑能耗需求降到最低，建成與自然和諧共生的建筑。

（2）被動式低能耗建筑設(shè)計應(yīng)以建筑性能為依據(jù)，從建筑源頭出發(fā)，減少空調(diào)冷熱負(fù)荷以減少建筑能耗，在節(jié)能的同時兼顧舒適性、經(jīng)濟(jì)性，創(chuàng)造和改善舒適的建筑環(huán)境。

（3）被動式低能耗建筑設(shè)計應(yīng)在建筑方案或早期設(shè)計階段協(xié)同參與設(shè)計的全專業(yè)和各部門， 實現(xiàn)建筑節(jié)能的綜合考量。做到被動式低能耗建筑節(jié)能技術(shù)與主動式節(jié)能技術(shù)相輔相成，被動優(yōu)先、主動優(yōu)化，努力建成健康、舒適和高效的綠色可持續(xù)建筑。