基于实例的被动式建筑设计手法分析

严凯强

（三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌　443002）



基于实例的被动式建筑设计手法分析

严凯强

（三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002）

摘要：结合工程实例，从理论剖析、规划设计、单体建筑设计三个方面，分析了被动式建筑的设计手法，运用计算机仿真技术与传统建筑设计手法相结合的方法，探讨了低技节能手法在被动式节能建筑上的运用，旨在为低技节能设计提供参考。

关键词：被动式节能，建筑设计，围护结构，气候条件

0　引言

绿色和节能是建筑节能设计的核心内容，而由于主动节能等措施对于设备和技术的高要求，部分绿色建筑也被贴上了“高科技，设备材料昂贵”等一系列的标签，甚至由于造价昂贵出现“节能不节钱”的局面。而充分利用场地自然环境的被动式建筑设计手法，由于其低技和节省并且高效利用自然环境并与之共存的特点而受到人们的青睐。

被动式节能设计是主要依托建筑设计，充分利用场地周围自然环境来形成自循环系统，通过建筑本身来收集和储蓄能量，以达到全年以最小的能量输入来维持舒适的室内条件的节能设计［1］。这一设计理念从源头上规避了机械电子设备的干预，以合理的建筑设计手法同自然环境的巧妙结合来降低建筑的能耗。

1　项目简介

该项目位于湖北宜昌兴山县，西临香溪河，东依小山体，地势东高西低，规划用地面积20 690 m2，总建筑面积设计要求3 300 m2，主要功能包括办公实验、接待区域和职工住宅（见图1）。本案设计方采用低技被动式设计手法和复杂的场地环境相结合来进行项目的创作和研究。

2　场地规划阶段的被动式节能体现

建筑设计遵循场地的地理地势，特别是较为复杂的地势，是规划设计的先决条件。场地地势东高西低，西面临河，风景优美，视野开阔，在规划大方向决定了建筑主体南朝向或西朝向的山地建筑的规划布局（见图2）。

图1　人视图

图2　总平面图

2.1气候条件分析

宜昌作为典型的冬冷夏热地区，夏季炎热，太阳高度角大，夏至日角为59°宜做遮阳隔热处理，冬季寒冷，太阳高度角低，大寒日角度为36°，又需要保温集热，同时结合宜昌当地季风气候的风环境特征，在充分利用计算机对气候条件模拟仿真的基础上，决定了建筑主要功能房间南偏东20°左右的布局。这样一方面可以避免出现夏季得热过高而室内条件炎热，或者冬季热量流失而室内温度过低的局面，另一方面，在充分分析宜昌风环境的过程中，结合场地东面的山体，可以有效的屏蔽冬季寒冷季风对于建筑的侵蚀，同时有效利用夏季南向季风带给建筑的优越的通风条件，辅助建筑通风散热。

2.2场地小环境营造

项目在规划设计阶段，遵循自然气候和场地环境条件的同时也非常注重场地小环境的营造。成功的小环境的营造可以局部改善场地的微气候环境，从而有利于建筑设计的被动式节能策略。这主要体现在两个方面：

1）流—场地—山体这一系统的形成。在进行风环境分析的过程中，场地在夏季西南风频率较高而且风速能达到最大强度，而项目西面临河拥有大片的水域，在建筑主要房间南向布置的情况下，建筑主体向西南方向开口成U形布局，形成围廊是布局，一方面形成开阔良好的视野布局，另一方面能在炎热的夏季利用西南有利的风向和河面的蒸发效果，为建筑主体带来清凉的舒适的环境。

2）场地有效辐射量的分析。通过对于场地光合有效情况分析得出，场地太阳辐射能平均值在3. 23 MJ/（m2·d）及辐射能量分布情况（见图3），根据辐射的大小及分布情况不同来合理配备植被，以满足场地植被对于微气候的影响，诸如合理的布置乔灌木遮阴挡风等。

3　基于计算机精确仿真的单体被动式节能设计

建筑单体被动式设计重点始终离不开建筑的体形系数以及围护结构的隔热保温和集热处理。体型系数越小，建筑节能效果越好。设计方正规整，在构建较小体型系数的基础上，着重研究单体建筑的围护结构隔热保温和集热性能（见图4）。

图3　场地热辐射分析图

图4　被动式设计手法分析图

3.1立面围护结构窗墙处理

依据计算机的精确模拟仿真数据与设计手法的相结合，在窗墙处理方面权衡利弊关系，进行了协调的被动式设计处理。

基于场地规划设计，建筑的主体朝向为西南向，故西南向立面设计西晒处理成为了重要问题。

主要体现三个方面：

1）在通过对于建筑西面两片主要的侧墙太阳辐射量模拟后，数据分析显示辐射量较高（见图5），故在西侧做防晒墙设计。

图5　西立面热辐射分析图

2）西侧向采光房间均在满足日照条件下，采用大面积墙体和若干小窗并排处理，并配以浅色墙体表皮处理以保证其采光和隔热性能（见图4）。

3）建筑采用U形外廊的形式，较好的缓解了西晒影响。

呼吸式幕墙的引用在本案的被动式设计策略上面扮演着重要的角色。建筑单体U形外廊全部设置呼吸式幕墙体系，并在内外玻璃之间的空间通道内局部增设百叶遮阳装置和配以低反射玻璃，在享受呼吸式幕墙带来的被动式节能优越条件的同时，可实现全年采光与遮阳隔热需求的全天候可控状态。

遮阳装置和配以低反射玻璃，在享受呼吸式幕墙带来的被动式节能优越条件的同时，可实现全年采光与遮阳隔热需求的全天候可控状态。

建筑南立面遮阳窗的设计颇具匠心，同时也是建筑被动式设计和自然环境结合的优秀的表现手法之一。在结合场地布局和自然气候的计算机模拟数据分析之下，南面主要房间遮阳窗上檐向下形成一个37°的倾角，出挑0. 6 m，并在上檐设置太阳能光电板（见图6），在太阳高度角较大的炎热夏季有效利用太阳能被动式集热的同时能确保太阳高度角较小的冬季室内有足够的直射阳光以保证冬天的室内温度。

图6　南立面窗设计图

3.2屋面被动式集热与隔热处理

屋顶被动式集热与隔热是被动式建筑设计的重要环节之一，而对于在能源需求日益紧张的今天，太阳能作为清洁能源在普及推广和运用过程中有过很多卓越的应用表现。结合当地气候环境，采用太阳能光电系统和局部绿化措施，经过计算机精确的模拟仿真，来设计屋顶的集热隔热系统以达到被动式建筑节能设计的目的。

项目地处湖北宜昌，属于夏热冬冷地区，夏季时间长，太阳年平均辐射总量可达4×109J/m2，太阳能资源丰富。通过对于U形主体建筑的屋面太阳能热辐射量的模拟数据的分析处理，建筑主体南北屋面每小时太阳辐射能在230 W/m2～550 W/m2之间，并且分布均匀（见图7）。在进行屋面设计之初，在遵循建筑设计相关规定的基础上，最终确定30. 7°的屋面倾角以保证获取最大的辐射效果［2］。架空的坡屋顶下层空间在安置相关设备的同时由于通风效果良好从而起到了很好的屋顶隔热效果。会议室屋顶由于层高较小，受到一定的遮挡，辐射相对较小，同时考虑到建筑设计美观和炫光等因素，采用集中式屋面绿化来处理隔热效果。

图7　北屋面热辐射分析图

4　结语

建筑的本质实质上是人们对于大自然的改造工程。其充分有效的利用大自然的环境，趋利避害以达到人们舒适性的需求。在使用各种高技术设备来武装建筑以达到节能和舒适的目的同时，应该理性回归建筑设计与自然环境的结合，呼吁被动式的建筑节能策略发展，发挥出其低技、低价、低碳的设计优势。被动式建筑设计应在整个方案规划设计过程中，充分利用当前技术手段合理分析场地环境和自然气候条件，回归建筑结合自然的设计本质，真正的营造出契合当地环境条件、地域气候的节能建筑。

参考文献：

［1］Dr. Wolfgang Feist. Certification criteria for residential Passive House［Z］. Germany：Passive House Institute，2013.

［2］范波，李运江，王安琪.基于太阳辐射量最大化的坡屋顶坡度设计优化［J］.三峡大学学报（自然科学版），2013，35 （2）：74-76.

Analysis of passive house design based on example

Yan Kaiqiang
（College of Civil Engineering & Architecture，Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract：Combining with engineering examples，the passive house design methods have been analyzed with theoretical analysis，site planning and monomer building design. The method that combining traditional design technique and computer simulation technology has been used to analyze the application of low-tech and energy saving method which has been used in the project and the aim is to provide a reference of low technology and energy saving method for passive house design.

Key words：passive energy saving，architecture design，rataining structure，climatic conditions

中图分类号：TU201. 5

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0207-02

收稿日期：2015-12-26

作者简介：严凯强（1990-），男，在读硕士