建筑被动式节能的研究

建筑被动式节能的研究

邓卓祺

佛山市质量和标准化研究院广东省佛山528000

摘要：本文主要针对建筑设计中的各种被动式节能技术进行研究探讨，建筑被动式节能对于降低建筑能耗，改善环境有着重要的意义。

关键词：建筑节能；被动式；采光；遮蔽；太阳能

0引言

众所周知，随着城市建设的高速发展，我国的建筑能耗逐年大幅上升，庞大的建筑能耗已经成为巨大负担，建筑节能在中国成为节能环保的大方向和主要着眼点呈必然之势。推广绿色建筑，实现建筑行业全面节能，势在必行，因此应用与推广建筑被动式节能技术的时机已经成熟。

一方面，人们对建筑室内环境提出越来越高的要求；另一方面，又必须尽可能地降低建筑能耗。这是矛盾的协调过程，需要各相关因素的考量和处理技巧，因此在建筑设计中采用高效率的建筑节能方法尤为重要。

1建筑节能的定义

建筑节能有广义和狭义两方面的定义。广义的建筑节能是指在建筑全寿命周期过程中采取一定的技术措施而达到节约能源的目的。建筑的全寿命周期，是指建筑从建造、使用到拆除的全过程，包括原材料的获取，建筑材料与构配件的加工制造，现场施工与安装，建筑的运行和维护，以及建筑最终的拆除与处置。而狭义的建筑节能则指建筑在运行过程中对建筑能耗的优化，其着重考虑在运行过程中如何减少建筑在采暖、空调、照明、厨房坎事等方面的能耗。

在建筑运行过程中的节能方式主要分为主动式节能和被动式节能两种。主动式节能是指建筑在运行过程中通过对能耗设备实施节能改造，实现对非常规能源进行采集和储存，并组合成完善的强制能源系统，以此取代常规能源的使用。常见的主动式节能措施是将室内空间与自然相隔离，再用高效节能的空调设备创造宜人的环境。主动式节能具有两个方面的缺点，一方面是投资费用高，技术维护管理难度大；另一方面是对常规能源的需求量较大。

被动式节能是采用非机械式的手段，不依赖于建筑设备，直接利用阳光、风力、气温、湿度、地形、植物等现场自然气候条件，完全通过建筑自身的场地、空间、形式、材料以及构件的设计等辅以空调设备间歇运行来实现降低建筑能耗，达到舒适与节能的技术。被动式节能技术是相对于“主动式”而言的，其核心主要在于设计理念注重吸收自然能量，同时减少建筑本身的采暖、空调、照明等能耗，并通过热冷回收装置将室内废气中的热冷量回收，让建筑内的温度与空气不受地区、气候影响，最终实现低能耗、低排放，从而达到节能的目的。建筑被动式节能，是一条低成本高回报的节能环保之路。

2建筑设计与规划的被动节能

建筑被动节能设计主要依靠自然资源来保证和维持建筑内的温度和通风等使用要求。在理想的状态下，一个成功的被动建筑设计的标志是，在一年当中的大部分时间里，建筑内冬暖夏凉、通风良好，只需要一个小功率的空调和釆暖系统，就可以满足人们的生活或工作需要。这样，建筑的开发者可以降低投资，建筑的品质也可以大幅提高；而建筑的使用者能够降低维护和使用费用，消除了人们节能建筑会大幅增加成本的担心。

影响建筑群体空间布局的气候主要有风向、日照、气温、降雨或降雪几个方面。在对建筑群体进行空间布局设计时，可利用建筑群体的布局来改善建筑群周围空间中的微气候，从而提高建筑群整体的节能效率。常见的建筑群体空间布局主要有行列式、周边式和自由式等几种。行列式是指建筑群体按照一定的朝向成排或成列的布置。行列式的布局比较有序、规整，一般情况下，行列式的布局方式可以为建筑群体争取到最好的朝向，并有利于建筑室内外的自然通风。

建筑规划布局应采用有利于接收或遮挡太阳辐射的被动节能规划，利用规划有利于夏季主导风向通风或防止冬季住宅外表面散热过快，增加或降低温湿度。定性分析主要包括以下几个方面：①居住区建筑物的规划布局是否考虑采用错列式或斜列式布局，并使建筑与夏季主导风向的投射角不大于45°。②公共绿地规划是否符合GB50180《城市居住区规划设计规范》中有关公共绿地布置的相关规定，以及公共绿地的空间形态布局是否有利于夏季主导风的气流通风组织。③是否符合不同气候条件地区所规定的住宅楼间距，以及住宅楼体单元组合长度等相关规定。

对于居住建筑，要求南北朝向布置或多数主要房间朝南向布置，尽量避免夏季西向日晒。这是由于太阳高度角和方位角的变化规律，使住宅在冬季能够最大限度地利用日照，增加太阳辐射得热量，并避开冬季主导风向，减少住宅外表面热损失。同时，居住建筑物南北朝向布置，在夏季能够最大限度地减少太阳辐射得热，并可利用自然通风降温冷却，以达到节能的目的。夏季西向日晒的太阳辐射通过窗体进入室内的热量是造成夏季室内过热的主要原因，遮阳设施遮挡太阳辐射热量的效果，除取决于遮阳形式外，还与遮阳设施的构造措施、安装位置、材料及颜色等多因素有关。遮阳设施可设置为水平式外遮阳、垂直式外遮阳、挡板式外遮阳等固定或活动式遮阳方式。

风环境是除日照环境外构成气候环境的另一重要因素，优良的通风效果有利于室外散热和污染物消散，可为室内提供新鲜、清洁的自然空气，改善室内空气品质，有利于人的生理和心理健康，同时可减少夏季的空调能耗，提高空调设备的工作效率。建筑内部的气流组织可分为室内对流通风及室内引导通风两方面，要达到较好的自然通风效果，可实施的措施包括：①通过在设计时对建筑形体及外门窗位置的考虑，使建筑两侧产生正负气压，有利于建筑的自然通风；②通过对室内空间布局及门与通道的考虑，在建筑内部形成空气对流，使入室气流能流向生活区及人体高度的范围；③利用天井、楼梯间等增加建筑内部开口面积，便于引导自然通风；④利用热压原理，用通风塔（井）、中庭等产生烟囱效应实现通风换气；⑤利用楼电梯间使住宅中间户型形成引导通风。利用太阳能热压通风井的厨卫防串味通风等。

3建筑自然采光和导光的被动节能

被动式自然采光设计是建筑设计中传统的采光设计方式，它是在充分考虑建筑所处地域周边环境，四季光照以及功能性要求的基础上，通过对建筑固件，如直立窗、天窗、玻璃材质隔断、光反射板、百叶窗以及室内表面的一次性设计，最大限度的利用建筑在各个时段可能获得的自然光进行照明。

建筑内部空间的自然采光主要分为顶部自然采光和侧向自然采光两种方式：

（1）顶部自然采光策略在的图书馆、体育馆、商场、餐厅等公共建筑中广泛采用，常用的如采用PTFE膜材作为屋顶材质。PTFE膜材拥有高透光率，具有独特的光学性能，能使白天入射的光线成为自然温射光，防止眩目，无阴影，光线均匀分布，白天通过自然采光即可满足使用要求；对热能反射率较高，热吸收量很少，几乎没有紫外线透过，防止了内部装饰材料和设备的褪色；拥有高反射性能,使得夜间房间具有卓越的照明效果，晚上灯光打开照射在膜材上形成反射，为建筑提供了内透式泛光照明，减少了建筑泛光照明所需的设备投资和电能消耗，而且可衬托出夜空中建筑物的辉煌。虽然通过顶部自然采光能为建筑内部提供高品质的自然光线，但相应地会耗费一定的空调能耗，我国大部分地区夏季具有日照时间长、太阳辐射强的特点，所以顶部自然采光常常配合遮阳系统，或在屋顶运用齿状结构，避免日常大面积直射入室内，调解采光、减少热能消耗、节省电力资源。

（2）侧向采光根据窗的位置可以分为单向采光和双向采光，以及高侧窗采光和低侧窗采光。双向采光能够使室内环境获得较为均匀充足的光线，但限于种种条件，常常无法做到，而单向采光则比较容易实现。采用低侧窗采光时，靠窗附近的区域比较明亮，离窗远的区域则较暗,照度的均匀性较差；采用高侧窗采光有助于使光线射入房间较深的部位,提高照度的均匀性。

除被动式自然采光外，还可采用导光的方式，利用导光管和反光装置将自然光引入建筑内部。进行导光设计时应根据工程的地理位置、日照情况进行经济、技术比较，合理地选择导光或反光装置，可采用主动式或被动式导光系统。主动式导光系统采光部分能实时跟踪太阳，该系统效率较高，采光效果较好，但机械、控制较复杂，造价较高。被动式导光系统采光部分固定不动，不需跟踪太阳，其特点为：系统效率不如主动式高，但结构、控制较简单，造价低廉。有条件时，可采用智能照明控制系统对人工照明进行调光控制：当天然光对室内照明达不到照度要求时，控制系统自动开启人工照明，直到满足照度要求。

4建筑遮避的被动节能

硬质地面采用遮荫措施或铺设太阳辐射吸收率低的浅色表面材料可有效降低地面的表面温度，减少热岛效应，提高行人室外活动的热舒适度。建筑遮避的被动节能措施包括绿化遮荫、构筑物遮荫、建筑自遮挡。绿化遮荫面积按照成年乔木的树冠投影面积计算；构筑物遮荫按照遮荫投影面积计算；建筑自遮挡面积按照夏至日8:00-16:00内有4小时处于建筑阴影区域的硬质场地面积计算。其中构筑物遮荫、建筑自遮挡的效果在建筑落成后已被限定，在建筑物使用过程中能进一步优化的就只有建筑的绿化遮阴。

建筑的绿化遮阴可分为墙体绿化及屋顶绿化两类。

（1）墙体绿化指的是以建筑物或其他构筑物等垂直或接近垂直的立面为载体的一种建筑空间绿化形式。墙体绿化在立体绿化中占地面积最小，但绿化面积却是最大的。墙体绿化具有良好的生态能效，可以很好的减少建筑在夏季的太阳福射得热，降低建筑室内环境温度，有效节约建筑能耗，同时还可以对建筑立面起到很好的装饰作用。

（2）屋顶绿化是指满足当地人工绿地覆土种植要求，并能够保证植物良好成活率的的永久绿化。屋顶绿化是常见的屋顶被动式节能方法，屋顶是建筑的“第五立面”，通过采用合理的被动式节能设计，可以使屋顶在满足人们审美要求的同时，降低住宅建筑的能耗。在屋顶种植绿色植物，可通过植物的蒸腾作用来实现降温隔热，也可通过泥土来达到屋顶的保温功能。屋面绿化应注意做好防水、阻根、排水、过滤等构造层，同时需注意屋顶荷载和使用要求，保证屋面绿化的安全性和实用性。

5利用太阳热能的被动节能

太阳能与建筑一体化是未来太阳能技术发展的方向，现阶段主要有两种体现形式：一是光热建筑一体化，即在建筑上安装太阳能集热系统，将太阳能转化为热能再加以利用；二是光伏建筑一体化，即将太阳能光伏产品集成到建筑上，充分利用建筑外表面，安装多种光伏发电产品，所产生的电能或供自身使用或并网输送。

（1）光热建筑一体化，在建筑被动节能中的应用主要指太阳能集热系统，其通常是由太阳能集热器、蓄热设备、循环管路等主要设备部件组成。太阳能集热系统主要应用于生活热水系统、供暖系统、空调热水系统等，通过与热泵系统结合使用，利用太阳能热水装置产生的热能推动热泵工作，从而利用更多可再生能源进行加热或制冷，不仅可以为供暖系统或冬季空调系统提供热源，也可以在夏季为空调系统提供冷源。

（2）光伏建筑一体化，主要是指太阳能光伏发电。利用太阳能电池将太阳能转化为电能，整套系统由太阳能电池组、太阳能控制器以及蓄电池组等设备部件组成。太阳能光伏电池板可以作为建筑外墙表面材料与建筑设计结合，敷设在外墙面、屋面，或是作为外遮阳、天窗。当太阳能电池板的铺设面积足够大，太阳能发电装置可以为被动建筑提供其正常运转所需全部电能。

6结语

综上所述，在建筑设计过程中，应首先把握住“建筑节能”这一重要的设计理念，尽景在不使用设备的情况下采用被动式节能方式设计出环境品质相对优良的建筑，一方面能满足人们对建筑质量需求，另一方面能满足人们对建筑的环保需求。因此大力推广建筑的被动式节能，不仅可以减少建筑能源消耗，改善人们生活环境，还可以实现我国建筑行业持续、健康的发展，对我国社会发展具有着重要的意义。

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