【摘要】文中深入研究被動式建筑一體化設計策略，通過綜合考慮朝向優(yōu)化、隔熱與保溫、遮陽與自然光照、熱負荷控制等方面的設計手段，探討如何最大限度地利用自然資源，實現(xiàn)建筑能源的高效利用和環(huán)境友好性。通過對國內(nèi)外文獻的綜述，剖析成功案例，以及深入分析典型案例，文中系統(tǒng)地總結(jié)了被動式建筑一體化設計的理論基礎和實踐經(jīng)驗。在結(jié)合案例研究的基礎上，提出了一系列面向未來發(fā)展的建議和展望，為該領(lǐng)域的進一步研究提供了有益的參考。

【關(guān)鍵詞】被動式建筑；一體化；低能耗設計

【中圖分類號】TU201.5 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）05-0031-03

0 引言

在當前全球能源危機和氣候變化背景下，建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展成為當務之急。被動式建筑一體化設計作為一種有效策略，通過最大化利用自然資源和環(huán)境條件，降低對外部能源依賴，對建筑行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展提出了新思路。文中通過深入研究被動式建筑一體化設計策略，系統(tǒng)總結(jié)理論基礎、成功案例以及設計實踐經(jīng)驗，為推動建筑行業(yè)邁向更環(huán)保高效的方向提供有益指導。

1 被動式建筑一體化設計簡介

1.1 被動式建筑設計的理論基礎

作為當今建筑領(lǐng)域研究熱點，綜合總結(jié)被動式建筑一體化設計理論基礎和實踐經(jīng)驗，對于推動建筑行業(yè)向可持續(xù)發(fā)展方向邁進至關(guān)重要。被動式建筑設計理論基礎包括建筑朝向優(yōu)化、隔熱與保溫、遮陽與自然光照，以及熱負荷控制等多個方面。在朝向優(yōu)化方面，通過對太陽軌跡和地理環(huán)境的深入研究，提出了一系列朝向布局的優(yōu)化原則，以最大限度地獲取太陽能，減少對人工能源依賴。針對隔熱與保溫，強調(diào)了合理選擇材料、設計墻體和屋頂結(jié)構(gòu)的重要性，以降低建筑熱傳導和散失，提高能源利用效率[1]。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外在被動式建筑設計方面都取得了顯著進展。①澳大利亞One Central Park項目通過垂直綠化墻和屋頂花園實現(xiàn)了環(huán)境友好的設計[2]。英國The Crystal項目采用了雙層透明外墻，最大化自然采光，結(jié)合地熱能源系統(tǒng)和雨水收集系統(tǒng)，實現(xiàn)了能源自給自足[3]。②上海陽城科創(chuàng)中心通過地源熱泵系統(tǒng)和智能百葉窗等技術(shù)手段，采用了雙層幕墻、綠色屋頂和太陽能光伏板，最大限度地利用自然光照降低人工照明需求，成功實現(xiàn)了能源的高效利用。

被動式建筑設計在不同氣候和地理條件下均可取得顯著效果。國內(nèi)外研究強調(diào)了在設計中采用可持續(xù)材料、考慮自然通風、雨水收集等策略的重要性。這有助于進一步提高建筑環(huán)境適應性，減輕對外部能源依賴，為建筑行業(yè)實現(xiàn)綠色低碳目標奠定基礎。

綜上所述，被動式策略的提出為后續(xù)被動式建筑一體化設計策略的深入分析提供了全面而深刻的理論基礎，為解決建筑能源消耗和環(huán)境污染等問題提供了啟示和指導。

2 被動式建筑一體化設計策略

2.1 朝向和布局優(yōu)化

（1） 太陽能利用。在這方面，建筑朝向和布局被認為是至關(guān)重要的因素。①確定建筑主要窗戶的朝向，以最大程度地捕捉日照可使建筑充分獲得陽光，減少冬季取暖能耗。②結(jié)合建筑布局，通過設計避免陰影，確保室內(nèi)空間獲得最佳的自然光照。最大限度地減少對人工照明需求，減少冬季采暖熱負荷，提高建筑能源效率。

（2） 自然通風系統(tǒng)設計。通過設計，建筑實現(xiàn)空氣有效流通，降低室內(nèi)溫度，減輕對人工空調(diào)系統(tǒng)依賴。合理布局通風口和窗戶，利用自然氣流，良好控制建筑內(nèi)部空氣質(zhì)量。注重建筑內(nèi)部微氣候調(diào)節(jié)，通過自然通風實現(xiàn)室內(nèi)外溫差的有效利用。目前，被動式低能耗建筑90%的項目位于寒冷地區(qū)，自然通風系統(tǒng)設計在解決夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖的民生問題上有廣泛討論，雖然可以提供新風空氣，但冷量和熱量不足，無法解決夏季和冬季室內(nèi)的負荷。被動式建筑的提出將對這一問題有大幅度改善[4]。

2.2 隔熱與保溫

（1） 材料選擇與性能。在隔熱與保溫方面，采用高效隔熱材料，如高密度聚苯乙烯（XPS）等，可以有效減少建筑內(nèi)外熱量交換。此外，材料導熱系數(shù)和保溫性能需要得到足夠重視，以降低建筑能耗，提高能源利用效率。

（2） 墻體和屋頂結(jié)構(gòu)設計。這項設計直接影響建筑隔熱效果。采用多層保溫結(jié)構(gòu)，結(jié)合適當?shù)耐L設計，形成保溫層，有助于防止熱能散失。此外，墻體和屋頂建筑材料也很關(guān)鍵，如反射材料的使用，可以有效減緩夏季高溫對建筑的影響，實現(xiàn)隔熱與保溫雙重效果。

2.3 遮陽與自然光照

（1） 遮陽措施的選擇與效果。遮陽設計旨在減少建筑內(nèi)部日照，降低夏季室內(nèi)溫度。合理選擇遮陽材料，如百葉窗、遮陽板等，可以防止過量陽光直射，同時保持室內(nèi)明亮。通過控制遮陽結(jié)構(gòu)角度和位置，調(diào)整建筑內(nèi)部光照環(huán)境，提高居住舒適度。

（2） 自然光照最大化。通過采用大面積窗戶和透光材料，最大化利用自然光照，減少對人工照明依賴。在建筑內(nèi)部創(chuàng)造開放、明亮的空間，提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，同時降低了室內(nèi)用電需求，符合綠色低碳的設計理念。

2.4 負荷控制與能效

（1） 建筑形狀與顏色設計。這是熱負荷控制的重要方面。通過科學合理的建筑形狀設計，最大程度地減少表面積，降低建筑在高溫季節(jié)的受熱面積，減緩室內(nèi)溫度上升速度。此外，選用反射率較高的外墻涂料或材料，降低吸熱，有助于控制建筑表面溫度。

（2） 空調(diào)系統(tǒng)負擔降低策略。為減輕空調(diào)系統(tǒng)負擔，建筑設計可以采用新型供暖、通風和空調(diào)系統(tǒng)。例如，應用地源熱泵系統(tǒng)。通過利用地下穩(wěn)定的溫度實現(xiàn)冷暖空氣交換，提高冬季供暖系統(tǒng)和夏季空調(diào)系統(tǒng)能效。使用智能溫控系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要調(diào)整室內(nèi)溫度，減少不必要的能源浪費[5]。

以上四大方面的設計策略對于構(gòu)建低碳節(jié)能環(huán)保體系意義重大，其主要設計策略見圖1。對于外窗和圍護結(jié)構(gòu)的材料選擇和結(jié)構(gòu)設計應注重保溫和舒適，新風系統(tǒng)的回收可以節(jié)約能耗及成本，氣密性是室內(nèi)不必要散熱或散冷的可靠保證，無熱橋結(jié)構(gòu)設計避免了能量傳遞，因此實現(xiàn)了對自然資源的最大程度利用，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴，使建筑在環(huán)保、高效能源利用和舒適性等方面取得了顯著成果。

綜合設計理念為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有益經(jīng)驗和啟示。此外，國家出臺了各項政策加以扶持，在北京、山東、四川、浙江等地出現(xiàn)了10萬平方米以上被動式低能耗建筑社區(qū)。

3 典型案例分析及效果評估

3.1 典型案例

案例1：One Central Park，澳大利亞悉尼。

案例詳情：One Central Park是位于悉尼的綜合性建筑項目，由建筑師Jean Nouvel和植物設計師Patrick Blanc合作設計，以獨特的垂直綠化墻和屋頂花園著稱。建筑主要窗戶朝向北側(cè)，最大化采光，綠植覆蓋墻面和屋頂提供了自然隔熱效果。通過智能系統(tǒng)控制植物灌溉，實現(xiàn)了雨水收集和再利用，大面積區(qū)域被植物環(huán)繞效果明顯。

案例2：珠江城市廣場，中國廣州。

珠江城市廣場位于中國廣州市珠江新城，由美國建筑事務所設計，是一座超高層綜合性商業(yè)辦公大樓，于2013年完工。設計中采用先進的隔熱與保溫設計策略。建筑外墻為雙曲面玻璃幕墻，隔熱性能良好，表面納米涂層實現(xiàn)了高效的陽光反射。建筑外墻空氣層設計有效隔絕了外部溫度對內(nèi)部空間影響，形成了一個高效隔熱層。

案例3：The Crystal，英國倫敦。

The Crystal位于英國倫敦，是一座可持續(xù)發(fā)展辦公大樓，由WilkinsonEyre建筑事務所設計，于2012年完工。建筑外立面采用高性能智能玻璃，具有調(diào)光功能，可以根據(jù)外部光照強度自動調(diào)整透光率。建筑南立面設置挑篷和自動可調(diào)控遮陽裝置，在夏季，最大程度地遮擋陽光，減少室內(nèi)熱量；在冬季，通過調(diào)整遮陽裝置角度，允許更多陽光進入建筑，提高室內(nèi)自然光照。

案例4：上海中心大廈，中國上海。

上海中心大廈位于中國上海浦東新區(qū)，是一座超高層摩天大樓。由上海建筑設計研究院設計，于2015年竣工。是一座標志性綠色建筑。在熱負荷控制與能效方面采用了創(chuàng)新設計策略。①建筑外墻采用了雙層幕墻，形成空氣層，降低外墻傳熱，有效隔熱。②建筑外墻設置了三個螺旋形透明玻璃幕墻，形成“雙皮”結(jié)構(gòu)，既隔熱又利用了陽光。③建筑內(nèi)部設有空氣井，通過空氣自然循環(huán)，實現(xiàn)室內(nèi)外溫差的自然調(diào)節(jié)。④不對稱錐形建筑輪廓和圓角設計使建筑風荷減少了24%，節(jié)能效果明顯，如圖2所示。

3.2 應用被動式一體化設計策略的效果評估

（1） One Central Park。通過朝向和布局優(yōu)化巧妙地利用了自然光照和綠植的隔熱效果。建筑內(nèi)部充滿活力綠色環(huán)境提高了居住生活質(zhì)量，同時通過自然通風和太陽能應用，有效降低了對人工能源依賴。因此，在悉尼的氣候條件下取得了顯著的能效和環(huán)保效果。

（2） 珠江城市廣場。其隔熱與保溫設計在實際應用中取得了顯著效果。①雙曲面玻璃幕墻的采用降低了外墻傳熱系數(shù)，減緩了室內(nèi)外溫度傳導。②表面納米涂層通過反射大部分陽光，有效降低了建筑受熱表面溫度，減輕了空調(diào)系統(tǒng)負荷。為建筑創(chuàng)造了一個相對穩(wěn)定的室內(nèi)溫度環(huán)境，減少了對人工空調(diào)系統(tǒng)依賴。

（3） The Crystal。遮陽與自然光照設計策略取得了顯著效果。運用智能玻璃和自動遮陽裝置，使得建筑能夠在不同季節(jié)和天氣條件下實現(xiàn)自動化光照控制。提高了室內(nèi)空間舒適性，減少了對人工照明和空調(diào)系統(tǒng)需求，有效降低了建筑能耗，實現(xiàn)了綠色低碳的設計目標。

（4） 上海中心大廈。其熱負荷控制與能效設計策略取得了卓越效果。雙層幕墻和“雙皮”結(jié)構(gòu)有效減緩了室內(nèi)外溫度傳導，降低了對人工空調(diào)系統(tǒng)依賴?？諝饩O計使建筑內(nèi)部空氣能夠通過自然通風實現(xiàn)良好流通，進一步減少了能源消耗，為上海中心大廈創(chuàng)造了一個能效卓越、環(huán)保節(jié)能的建筑環(huán)境。

4 發(fā)展與展望

當前研究仍存在一些局限性。①大多數(shù)研究集中在建筑的設計階段，對建成后的實際效果缺乏長期跟蹤和評估。②對于在不同氣候和地理條件下的被動式建筑設計策略的通用性研究仍然有待深入。③對于新興科技在被動設計中的應用，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等，尚未充分探討其對被動式建筑一體化設計的影響。

未來研究方向應包括深入挖掘被動式建筑一體化設計的長期效果，開展更多不同地區(qū)氣候條件下的實證研究，借助新技術(shù)的發(fā)展，進一步提高設計策略的智能化水平。此外，建筑與城市規(guī)劃的整體融合也是一個重要的方向，通過更全面的角度來考慮城市層面的被動設計策略，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的目標。

5 結(jié)語

綜上所述，被動式建筑一體化設計策略是可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。通過合理利用自然資源，提高建筑能效性，創(chuàng)造更舒適、環(huán)保的建筑環(huán)境。然而，仍需深入研究其長期效果和通用性，并結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展進行不斷創(chuàng)新。在未來，期待被動式建筑一體化設計能夠更好地與城市規(guī)劃相融合，為打造更宜居、可持續(xù)的城市環(huán)境貢獻更多的智慧和創(chuàng)新。

參考文獻

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[4] 李九陽，陳立，郭金鵬，等.雙碳背景下被動式超低能耗建筑發(fā)展的影響因素及對策[J].建筑經(jīng)濟，2023，44（S1）：364-366.

[5] 周楠.基于全生命周期的建筑與供熱空調(diào)系統(tǒng)一體化設計研究[D].青島：青島理工大學，2015.

[作者簡介]倪宏瑞（1981—），女，河北懷來人，大學本科，研究方向：建筑設計。