机场飞行区单体被动式超低能耗绿色建筑设计研究

机场飞行区单体被动式超低能耗绿色建筑设计研究

吴波

民航机场规划设计研究总院有限公司 北京市 100029

摘要：被动式超低能耗绿色建筑的核心要素为以尽可能少的建筑能耗值为约束目标，组建具有高保温和极高气密性的外围护结构体系，与此同时，配置高效热回收的新风系统。实现被动式超低能耗建筑的基本路线为被动优先、主动优化、使用可再生能源。本文旨在将被动式超低能耗绿色建筑设计理念融入机场飞行区单体设计中，以期为今后机场绿色建筑设计提供启发和参考。

关键词：被动式，超低能耗，绿色建筑

民航业是我国经济社会发展重要的战略产业。随着我国民航业持续快速发展，在未来一段时期，我国民用机场工程将继续保持较大的建设量和较快的建设速度。2020年12月，民航局在《推动新型基础设施建设五年行动方案》中指出，设计单位应重点在新型基础设施赋能传统基础设施的关键领域深化设计，提出具体方案和技术路径，切实落实项目安全、便捷、高效、绿色、经济等各项指标要求。如何实现机场工程项目的绿色和经济是实现新型基础设施建设的重要举措之一。被动式超低能耗建筑以其舒适度高、能耗指标低、施工方法完善和技术体系先进等优点而被视为建筑节能未来的发展方向。

1. 被动式超低能耗绿色建筑

2015年，住房和城乡建设部制定了《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》。导则借鉴了国外被动房和近零能耗建筑的经验，结合我国已有工程实践，明确了我国被动式超低能耗绿色建筑的定义、不同气候区技术指标及设计、施工、运行和评价技术要点，为全国被动式超低能耗绿色建筑的建设提供指导。

（一）被动式超低能耗绿色建筑的定义

被动式超低能耗绿色建筑是指适应气候特征和自然条件，通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构，采用高效新风热回收技术，最大程度地降低建筑供暖供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供舒适室内环境并能满足绿色建筑基本要求的建筑。

（二）被动式超低能耗绿色建筑的主要技术特征

被动式超低能耗绿色建筑设计多采用被动式设计策略。被动式设计策略主要是建筑设计所采用合适朝向、蓄热材料、遮阳装置、自然通风等策略的设计类型。这些策略尽可能地被动接受或直接利用可再生能源。被动式超低能耗绿色建筑为人们提供了舒适并且节省资源的方式。其主要技术特征包括：保温隔热性能更高的非透明围护结构；保温隔热性能和气密性能更高的外窗；无热桥的设计与施工；建筑整体的高气密性；高效新风热回收系统；充分利用可再生能源。

（三）被动式超低能耗绿色建筑的优势

相较于常规建筑，被动式超低能耗绿色建筑通过低保温隔热性能的外围护结构与依靠机械设备系统调节室内环境达到舒适度体验的高能耗、高排放模式不同，利用完全封闭的内环境，辅助少量的能耗，达到通风换气，保障高舒适度的目的。被动式超低能耗绿色建筑的优势体现在以下几个方面：

（1）更加节能。建筑物全年供暖供冷需求显著降低，严寒和寒冷地区建筑节能率达到 90%以上。与现行国家节能设计标准相比，供暖能耗降低 85%以上；

（2）更加舒适。建筑室内温湿度适宜；建筑内墙表面温度稳定均匀，与室内温差小，体感更舒适；具有良好的气密性和隔声效果，室内环境更安静；

（3）更好空气品质。有组织的新风系统设计，提供室内足够的新鲜空气，同时可以通过空气净化技术提升室内空气品质；

（4）更高质量保证。无热桥、高气密性设计，采用高品质材料部品，精细化施工及建筑装修一体化，使建筑质量更高、寿命更长。

2. 德国被动式超低能耗绿色建筑

被动式超低能耗绿色建筑起源于20 世纪 80 年代的德国。在欧洲寒冷地区，建造一栋不用采暖就能过冬的房子，对很多人来说是梦想也是挑战。德国的法伊斯特博士与瑞典德隆大学的阿达姆森教授一起探析和研究了低能耗建筑的能源节约方式多年，并于1988年找到了被动式建筑的比较合乎体系的组合方式，第一次提出了近乎完整的被动房建筑技术体系。

到了1990年，达姆施塔特的克兰尔斯坦地区在法伊斯特博士的指导下，施工建造了全球范围内第一座被动式建筑实验房。多年的实际运营数据监测表示，其采暖量一直低于12KWh/(m²a)，这座被动式建筑取得了很大的成功，在节能建筑行业领域具有里程碑的意义。达姆施塔特第一座被动式节能住宅如图1。

图1 1990年德国达姆施塔特第一座被动式节能住宅

德国被动式超低能耗节能建筑，集经济性、低能耗、高舒适度于一体的节能绿色建筑技术。不需要采取主动制冷或者采暖措施，节能设计体现在自身优越的气密性及保温性能，达到最大程度减少建筑物热量损失的目的。这一原理体现了被动式超低能耗绿色建筑主要是通过建筑技术层面，采用所有可能的自然得热方式（人体散热、电器散热、照明、太阳辐射得热等），为建筑物提供热量。截止到2013年，德国的被动房本身设计及建造技术，相关产业链基础都已基本成熟。同时，每年新增被动房3000多栋。政府部门制定了相关节能标准，标准要求到2020年，德国国内所有新建建筑，都将达到被动房认证标准。

德国被动式超低能耗建筑的建设营运成效显著，使建筑领域更加节能、人居体验更加舒适、健康，建筑单体质量更高。首先，被动式超低能耗节能建筑的技术特征和优势保证了本身良好的节能效益。具有更高标准保温隔热性能要求的外围护材料，气密性和保温隔热性能更高的外窗设置，无热桥的设计等；其次，被动式超低能耗节能建筑要充分了解和尊重当地的环境、气候特征，因地制宜，合理优化建筑方案当中的功能配置，空间形态。针对不同气候区的特点，合理有效扩大南向采光面积，缩减北侧冷气渗透率，营造一幅健康舒适的室内声、光、热环境，增强生活、工作舒适度体验。

3. 机场飞行区单体被动式超低能耗绿色建筑设计

机场飞行区单体主要包括灯光站、特种车库、消防站、场务用房、除冰液加注站和通道口等。其中，灯光站指一般在跑道两端设置为助航灯光系统供电，控制助航灯光回路的启闭，进行灯具光强调节、灯具状态监视的专用变电站；特种车库是停放机场内机务和场务特种车辆的专用车库；消防站指对机场及其邻近地区发生事故的航空器进行灭火和救援工作的设施用房；场务用房是场务工作人员办公和休息的场所；除冰液加注站是配置和加注航空器除冰液体的用房；通道口指设置在机场围界或空陆侧隔离区交界处，对进出空侧隔离区的运行人员和运行车辆进行安全检查的卡口。

机场飞行区单体从用房功能来划分主要分为三类，第一类是以设备专属用房为主，仅布置较少的人员值班室与休息室。例如灯光站、特种车库和除冰液加注站。第二类是以人员办公或休息为主。例如场务用房和通道口。第三类是兼具设备专属用房与人员办公和休息用房。例如消防站。

根据机场飞行区单体的特点，并结合《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》相关要求，以及借鉴德国被动式超低能耗建筑的实践成果，可以总结出机场飞行区单体超低能耗绿色建筑设计原则：

1. 以气候特征为引导的建筑方案设计

建筑物人员用房朝向宜面向南向或接近南向，主要人员用房宜避开冬季主导风向。建筑造型应规整紧凑，保持较小体形系数。单体建筑的平面设计应有利于自然通风和冬季日照。要从全年气候特点出发考虑窗墙面积比对建筑供热供冷需求的影响，严格控制设备专属用房的窗墙面积比，兼顾人员用房开窗面积对自然通风和采光效果的综合影响。

机场飞行区主要由跑道与平行滑行道组成，因此场地十分开阔，飞行区单体建筑可结合用地尽量将人员用房面向南向或接近南向，争取冬季日照。

由于飞行区单体建筑一般体量较小，并且功能相对单一，所以有条件选择合宜的建筑体型系数，减少建筑的热损值。体型系数的设计考量包含平面布局更加紧凑，避免凹凸变化和装饰性构件，减少外围护结构面积以及加大建筑进深等。

对于设备专属用房，在满足设备性能要求的前提下可严格控制其窗墙面积比，尽量减少这些用房不必要的开窗面积；对于人员用房，可根据机场所属的气候区域，结合房间的通风与采光要求确定适宜的开窗面积。

2. 高性能的建筑保温系统和门窗

超低能耗绿色建筑采用保温性能更高的围护结构和热惰性大的重质复合墙体结构。外窗是影响建筑节能效果的关键部件，须合理进行优化设计和选择。外门采用保温密闭门，保温性能不低于外窗的相关要求。

高效的保温隔热系统包括外墙，屋面，地下室外墙、散水和顶板、排气管道保温隔热等。在严寒、寒冷和夏热冬冷地区，围护结构保温性能的重要性最为显著。增加保温层的厚度或选用高性能的保温材料均可减小传热系数K值，从而降低外围护结构传递的热量，降低建筑能耗。

注重保温性能的同时，还可采用热惰性大的重质复合墙体结构，提高围护结构的隔热性能。围护结构的热惰性是指围护结构对外界温度波动的抵抗能力。围护结构热惰性越大，建筑物内表面温度受外表面温度波动影响越小。复合墙体的内侧可采用砖或混凝土等重质材料。

外窗是影响建筑节能效果的关键部件。影响外窗节能性能的主要因素有玻璃层数、Low-E 膜层、填充气体、边部密封、型材材质、截面设计及开启方式等。目前，飞行区单体的外窗设计通常采用断桥铝合金双层中空玻璃。但是机场飞行区噪音往往达到80分贝以上，远高于城市区域环境噪声标准中1类居住、文教机关区域55分贝和2类居住、商业区域60分贝的最高限值要求。因此，飞行区单体人员用房的外窗可采用断桥铝合金三层中空玻璃，既可以达到建筑的节能效果，又可以有效控制室外噪声的影响。

严寒地区机场飞行区单体的外门须设门斗；寒冷地区面向冬季主导风向的外门须设置门斗或双层外门；其它地区外门可设门斗或采取其它减少冷风渗透的措施。

3. 无热桥设计

建筑围护结构中热流密度显著增大的部位，成为传热较多的桥梁，称为热桥。热桥对建筑节能的影响更为显著。超低能耗建筑设计时，须更严格控制热桥的产生，对建筑外围护结构进行无热桥设计。

避免热桥可遵循以下规则：一是避让规则：尽可能不要破坏或穿透外围护结构；二是击穿规则：当管线等必须穿透外围护结构时，应在穿透处增大孔洞，保证足够的间隙进行密实无空洞的保温；三是连接规则：保温层在建筑部件连接处连续无间隙；四是几何规则：避免几何结构的变化，减少散热面积。

4. 建筑气密性设计

建筑气密性能对于实现超低能耗目标非常重要。良好的气密性可以减少冬季冷风渗透，降低夏季非受控通风导致的供冷需求增加，避免湿气侵入造成的建筑发霉、结露和损坏，减少室外噪声和空气污染等不良因素对室内环境的影响。

气密层设计须注意以下几点：一是气密层连续并包围整个外围护结构；二是采用简洁的造型和节点设计，减少或避免出现气密性难以处理的节点；三是选用气密性等级高的外门窗，选择适用的气密性材料构成气密层，常见的可构成气密层的材料包括一定厚度的抹灰层、硬质的材料板（如密度板、石材）、气密性薄膜等；四是选择适用的气密性材料做节点气密性处理，如紧实完整的混凝土、气密性薄膜、专用膨胀密封条、专用气密性处理涂料等材料；五是对门洞、窗洞、电气接线盒、管线贯穿处等易发生气密性问题的部位，应进行节点设计。

5. 遮阳设计

严寒和寒冷地区，供暖能耗在全年建筑总能耗中占主导地位，太阳辐射可降低冬季供暖能耗，但也会增加夏季空调能耗。因此，机场人员用房在严寒地区南向外窗可考虑适当的遮阳措施，寒冷地区的东、西、南向的外窗均须考虑遮阳措施；夏热冬冷和夏热冬暖地区，东、西、南向均须采取遮阳措施，东向和西向可重点考虑。

遮阳设计可采用可调或固定等遮阳措施，也可采用各种热反射玻璃、镀膜玻璃、阳光控制膜、低发射率膜等进行遮阳。

超低能耗建筑适宜采用可调节的遮阳设施。可调节外遮阳表面吸收的太阳得热，传入室内的比例比内遮阳或中置遮阳小，并且可根据太阳高度角和室外天气情况自动或手动调整，是最适合超低能耗建筑的遮阳形式。

固定遮阳是将建筑的天然采光、遮阳与建筑物融为一体的外遮阳系统。设计固定遮阳时须综合考虑建筑物所处地理纬度、朝向，太阳高度角和太阳方向角及遮阳时间，通过对建筑物进行日照分析来确定遮阳的分布和特征。

6. 高效新风热回收系统

超低能耗绿色建筑应采用高效新风热回收系统，通过回收利用排风中的能量降低供暖制冷需求，实现超低能耗目标。

超低能耗建筑适宜优先利用高效新风热回收系统满足室内供冷或供暖要求，不用或少用辅助供暖供冷系统。被动式低能耗建筑在冬季仅靠太阳辐射、室内设备和人体散热就可以满足90%以上的室内采暖需求，剩余采暖需求则通过带热回收的新风系统加以满足。

7. 利用可再生能源辅助供冷和制热

超低能耗绿色建筑辅助供暖供冷应优先利用可再生能源，减少一次能源的使用。可再生能源主要包括太阳能、地源热泵、空气源热泵及生物质燃料等。

严寒和寒冷地区机场飞行区单体适宜设置辅助热源，辅助热源尽量不采用集中供暖方式；寒冷地区、夏热冬冷及夏热冬暖地区机场飞行区单体适宜设置辅助冷源。严寒地区，当分散供暖时，适宜优先采用燃气供暖炉；当集中供暖时，适宜以地源热泵并采用低温供暖方式。寒冷地区适宜采用地源热泵或空气源热泵；夏热冬冷地区适宜采用空气源热泵或地源热泵；夏热冬暖地区适宜采用分体式空调。

4. 被动式超低能耗绿色建筑经济效益

普通大众往往认为被动式超低能耗绿色建筑是高科技、高造价的代名词，代价太高，不适合普及推广。但是，如果从其与传统建筑经济方面的增量进行对比，可以看出，在新建被动式超低能耗绿色建筑初期，投入的资产量相较于传统建筑高一些。而未来运营维护以及在节能量和舒适度方面却有巨大额度的收益，可以说被动式超低能耗绿色建筑的收益是在未来。

5. 结语

根据民航局公布的数据，机场能耗占民航业总能耗的3%左右。尽管机场能耗占民航业总能耗的比例不高，但其绝对量也高达几十万吨标准煤，节能潜力不容小觑。机场节能减排降耗既是一项现实紧迫的工作，又是一项长期艰巨的任务。因此，对机场内建筑节能设计进行研究具有重要的现实意义。本文旨在将被动式超低能耗绿色建筑设计理念融入机场飞行区单体设计中，以期为今后机场绿色建筑设计提供启发和参考。

参考文献

1. 张春鹏.德国被动式超低能耗建筑设计及保障体系研究［D］.山东建筑大学硕士学位论文.2013：20-22

2. 中国建筑科学研究院.被动式超低能耗绿色建筑技术导则［S］.住房城乡建设部.2015：7-25

作者简介：吴波（1981.05—），男，汉，内蒙古呼和浩特市人，硕士，高级工程师，研究方向是建筑设计及其理论。

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