被动式超低能耗建筑在夏热冬冷气候区应用分析

刘逸灵

苏州大学建筑学院 江苏 苏州 215123

最近几年，伴随着全球气候不断变暖，节能减排就成为最为热门的一个话题。建筑设计的发展就是围绕这一个问题在不断的发展，原本的建筑已经无法匹配现阶段人们对于健康生活的实际需求。伴随着绿色节能理念的不断深入，人们对于居住环境的需求也在持续的转变，绿色建筑比重逐渐的增加。那么，设计出环境舒适的，同时又能以自然气候作为基础的，并且能够实现对艺术和技术的整合的绿色节能建筑，这本身就具有重要性和必要性。

1 被动式超低能耗建筑概述

被动式超低能耗建筑指的是以适应气候和自然条件为基础，利用气密性和隔热性都较高的围护结构、新风系统技术，能够保障室内环境整体上的舒适性，并且通过使用可再生能源，可以降低能耗的一种建筑类型。被动式超低能耗建筑以被动式设计为核心，以此来降低对于空调、取暖器等实际的依赖度，这样就可以实现高舒适性、低成本的具体要求[1]。

1.1 超低能耗建筑技术要求高标准

基于技术控制分析，被动式建筑主要有两套控制指标的存在：能耗指标以及室内舒适度指标。为了能够满足这两种指标的要求，对于建筑结构、建筑材料以及设备技术本身的要求较高。其本身的技术主要是包含了被动式建筑外窗、高效外保温系统、无热桥设计设备。

1.2 超低能耗建筑运行能耗低

被动式超低能耗建筑强调使用无热桥设计和性能好的外保温层、气密性良好的外围结构，相对于普通建筑能够满足90%的节能，同时通过一定的技术的新建筑物，也可以满足75%以上的节能要求。

1.3 超低能耗建筑舒适性

最初设计被动式超低能耗建筑就是为了提供房屋保暖保障，设计保暖层则是让室内保持恒定温度。在夏季炎热期间，建筑物的保暖层可以确保室内凉爽舒适的同时，还能够实现节能减排，这属于建筑设计的一大突破。

2 发展被动式超低能耗建筑的思考

2.1 技术上的规范和提高

在我国，既要求政府为被动式超低能耗建筑提供一些政策上的支持，又要注重技术上的规范与提高。对于技术指标而言，国内从1986年提出设计节能建筑的标准，30%节能标准的实施就是开端。在1995年上升到50%，在2005年上升到65%。例如寒冷地区，《居住建筑节能设计标准》就要求节能75%的执行，实际的外窗传热系数为1.5~2.0 W/（m2·k）。同时，在2015年，中国有关被动式超低能耗建筑设计的第一部标准提出外窗传热系数≤1.0 W/（m2·k）的要求。现如今国内的被动式建筑设计建造技术和国外先进技术相比依旧存在差距，所以就需要懂得引入一些更先进的技术手段，向发达国家借鉴经验，有效培训国内建筑人才，最终提升被动式建筑的技术水平[2]。

在推广被动式建筑方面，技术规范的支持也是不可或缺的，完善的技术体系以及设计标准，就可以引导设计与施工的实施、优化。尽管如今在建筑规范中尚未针对被动式建筑构建完善的评价体系，但是对各气候区建筑的设计到具体的实施以及后续的使用拆除，都构建了评价建筑生命周期的完善体系，这对全面推广被动式建筑有重要意义。目前，推导出来的导则之中大部分是针对居住型建筑，因为公共建筑类型较为广泛，而办公楼和医院以及学校等建筑物的实际耗能存在较大的差异，再加上不同区域的气候特点存在一定的差异性，所以就很难使用相同的标准进行规范。国内公共建筑对应较高的能源指标，总量也较大，因而有必要研究与各区域被动式超低能耗建筑更加匹配的公共建筑技术标准，更有效地引导公共建筑的节能与高效建设、运作。

2.2 地域性建设

被动式超低能耗建筑能够与所在区域的气候条件、自然环境等匹配，据此进行房屋设计，尤其是针对降低建筑物的供暖空调负荷这一要求，需要通过选择气候来实施。对于建筑设计师而言，在被动式建筑设计中，除开对于技术原理与相关特性的了解之外，还要对地区不同的被动式建筑的有关技术参数、实际效果等有所了解，利用专业技术和区域气候环境相互作用，进而以被动式建筑关键技术为基础，与本地实际环境相结合，构建出具有鲜明地域特色的被动式建筑。

当然，在制定标准的时候，还需要考虑到建设被动式建筑示范工程的规模在不断扩大，在不同区域选择建筑材料、优化建筑结构以及运用太阳照射、地形和绿植等，都可以利用示范工程来有所了解与掌握[3]。

3 夏热冬冷地区气候特征分析

对夏热冬冷区域的气候条件影响因素加以分析，主要包括日平均温度、日总辐射量以及日平均风速等，由此可以确定设计策略来满足气候，进而提出对应的建筑策略。

3.1 夏热冬冷地区日平均干球温度气候特征分析

在夏热冬冷区域，夏季温度较高，并且闷热、潮湿，而冬季阴冷，并且夏季时间相对较长。所以，建筑本身就需要兼顾夏季隔热以及冬季保温的要求。

3.2 夏热冬冷地区日总辐射量气候特征分析

夏热冬冷的地区，夏季有着相对强烈的太阳辐射，但是冬季较弱。所以，设计就需要考虑到太阳辐射本身对于建筑能耗本身产生的影响，通过科学有效地控制玻璃窗的面积、建筑色彩和遮阳等，就可以实现能耗的降低[4]。

3.3 夏热冬冷地区日平均风速气候特征分析

对于夏热冬冷的地区，在夏季气候炎热的月份，对应风速较低，这样会影响热量的散失；在冬季风速就偏高，体感寒冷程度会进一步加剧。因此，建筑的布局设计、门窗开启设计等显得至关的重要，这样也可以满足夏季良好通风以及冬季避风的要求。

基于上述的分析，对于夏热冬冷的气候区特征，其主要表现如下：

第一，在夏季，室外温度是较高的，冬季室内温度则较低，需要在进行被动式建筑设计时统筹兼顾的考虑到冬季采暖以及夏季制冷，进行综合的考虑与分析。

第二，冬季西北盛行风较强，夏季风较弱，所以就需要保障冬季的防风。

第三，无论是夏季还是冬季，潮湿环境会对舒适度产生一定的影响。所以，在长江中下游地区，夏热冬冷，一定不能忽视湿度的影响。

基于上述的分析，掌握夏热冬冷区域的气候条件、自然环境等，合理利用隔热、通风、太阳能与除湿等，就成为设计之中主要考虑的因素。

3.4 夏热冬冷地区建筑形成的环境因素及特征

夏热冬冷地区的气候条件与自然环境本身呈现出多层渗透、自然紧密的状态。对于这一地区的建筑而言，融合、渗透、开敞是主要的特点。从地域性和文化性特征来看，夏热冬冷区域通常是较为富庶的地区，经济文化较为繁荣，因而建筑风格也是呈现出变化与开放的特征。

4 夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑应用分析

4.1 总体规划及建筑形体应用设计

在夏热冬冷地区的建筑规划设计中，由于气候条件特殊，也就是在夏季需要尽可能的减少西晒，避免房屋过热，在冬季则要求考虑到太阳光的充分引入，利用这样的方式来温暖室内，尽可能的减少空调的能耗，所以居住的建筑最好是设置为南偏向东或者是南偏向西的15°夹角。另外，在设计规划之中还要考虑水体蒸发能够吸收热量的情况，对于热季进入到室内的风需要做好预冷，以此来减少降温设施的能耗，比如空调，同时有效改善夏热冬冷区域夏季比较潮湿的问题，帮助人们提高体感舒适度。在平面体形设计中，还可以选择凹进平面的手法，通过扩大迎风面或者是减少进深的方式来直接形成穿堂风[5]。在竖向体形设计环节，主要是通过底层架空、退台式、局部开洞等方式，从而实现对室外人行高度对应风环境的优化。

4.2 建筑遮阳隔热应用设计

针对被动式建筑而言，室内人群在冬季开展活动产生的热量和太阳辐射热都能够对降低热负荷发挥积极的作用，但是夏季的时候会产生一定的消极作用。被动式超低能耗建筑不能完全依赖空调等设施控制冷负荷，所以就要求通过被动式设计的手法来加以分析。

4.2.1 合理设计窗户来遮阳隔热

基于窗户形状遮阳的分析，一般是选择凹形窗，即在建筑结构后面设置窗户，当太阳光照射进入到室内，建筑结构就会将其遮挡，达到遮阳的效果。比如上海同济大学的中德学院就选择的这样的方式。因为夏季面临较强的太阳辐射，所以直接将窗户斜向设置，并辅助挑出结构与透明磨砂玻璃，这样就可以实现对于进入室内太阳光照射量的有效控制，以此来减少太阳的南向辐射，打造宜人宜居的光环境。

4.2.2 合理设置挑檐等固定的外遮阳构件来遮阳隔热

相对于只能够阻隔到20%-30%的太阳能辐射热的内遮阳构件，外遮阳构件能够阻隔到70%-85%的太阳辐射热，节能效果良好。直接在建筑物屋顶进行巨大挑檐的设置，这是很常见的一种遮阳隔热方式。如图1的上海大剧院，它处于夏季阳光辐射较为强烈的夏热冬冷区域，是很好的例子之一。檐部出挑深远，尽管不能根据太阳的高度自动调整角度，但是也能发挥良好的太阳辐射遮挡作用。同时，接建筑气质来进行对应的设计，就可以将遮阳隔热的作用完全发挥出来，并且还可以发挥出文化作用，有效强化建筑物的视觉效果。

图1 上海大剧院

4.2.3 设置外装式百叶等可调式外遮阳构件来遮阳隔热

利用挑檐不同等固定外遮阳构件有助于提高遮阳效果，但这在夏热冬冷地区不是最佳解决方案，原因主要在于在夏季冷负荷降低的同时也会影响到冬季的太阳辐射热。所以就可以考虑到外装百叶可调的方式，外遮阳构件可调，伴随太阳移动位置和不断改变室内状况，也能改变自身的角度，这样就可以满足遮挡太阳辐射的灵活改变。对于建筑工业养老基金会的设计，托马斯·赫尔佐格就使用了这一种方式。在阴天，构件以利用顶光反射到板底楼底提供照明为主。当光照强烈时，会直接旋转为遮阳的最佳角度，据此实现建筑物室内舒适性的提高[7]。

4.3 围护结构应用设计

针对围护结构的隔热和保温，对室内环境会产生直接的影响。所以，需要在设计环节考虑围护结构各部分具备的冬季保温性能、夏季隔热性能。只是现阶段夏热冬冷区域的居住建筑中设计节能维护结构的意识还相对薄弱。

4.3.1 开口设计

窗墙比的合理以及开口位置的恰当，属于开口设计的基本要求。对于条件允许的情况下，需要对于建筑进出风口成对设计加以考虑，如果只能够单侧通风，那么就需要对于迎风面的开口加以考虑。但是单个的房间能够满足多个开口的时候，就能考虑相邻开口之间的距离，这样能促进空气的流动。

4.3.2 外墙设计

目前，建筑节能保温墙体主要涉及到自保温墙体、复合保温墙体。从经济性的角度来分析，发现自保温墙体不能得到有效使用，复合保温墙体的应用则越来越多。为了预防外墙外保温技术阻碍夏热冬冷地区建筑业的发展，在建筑节能降耗上起到反作用，应在其住宅建筑中考虑使用外墙内保温技术。与此同时，对于不同朝向墙体，其设计和构造不能一概而论，比如对冬季主导风向迎风面的外墙要实施加厚处理。

4.3.3 透光构件设计

针对窗框和玻璃等透光构件材料，应注意合理选择，帮助降低建筑的热损失。所以外窗框可以选择导热系数相对较低的材料，并考虑对节能玻璃的选择和使用。针对被动式建筑，南向窗是集热构件，然而东西北向不属于集热窗，在东西墙过量开窗，会导致夏季室内过于的炎热，北向过量开窗又会进一步在冬季加重热损失。因此，就需要做好各个墙面窗墙比的有效控制，保证可以提高建筑窗框的保温性以及门窗的气密性，最大限度避免冷风渗透。

4.3.4 屋面设计

建筑屋顶花园就是保温隔热的有效措施。屋顶面临太阳辐射，相对于东西立面温度也会上升很多，并且与室内传热剧烈，这样就会对室内温度产生较大的影响，在夏季尤其的明显。在夏热冬冷的地区，建造屋顶花园，就可以披上天然的保护层。在夏季温度较高的时候，植物本身可以利用蒸腾作用，降低屋顶温度。冬季温度较低的时候，植物可以作为天然的“被子”来发挥保温的作用。并且建造屋顶花园，不仅可以发挥保温隔热的作用，同时也可以让居住的人员充分的参与到种植之中，以此来增强人们对于这一个空间的亲近感。

5 总结

总而言之，建筑节能问题会对建筑的可持续发展产生直接的影响。在当前能源紧张的大环境下，做好建筑的改革是至关重要的。考虑到夏热冬冷地区气候条件的特殊性，就需要通过合理有效的措施进行被动式超低能耗建筑的有效分析，这样才能够满足今后的可持续发展需求。