被动式超低能耗建筑设计分析

王 斌 张冀友 郭 淳

(华通设计顾问工程有限公司，北京 西城 100035)

引言

被动式超低能耗建筑是用保温性良好、气密性高的围护结构进行建筑设计，通过使用热回收技术，利用可再生能源，为人们提供舒适、怡人的居住环境，相关设计要符合不同地区的气候特征和自然条件，保证建筑的优良性能。

1 被动式超低能耗建筑设计基础

1.1 设计策略

被动式建筑的设计策略以降低能耗为主，通过节省照明用电、采暖用电、生活用水等方式，加强能源的利用率，将日常能源需求量降到最低。设计内容要包括湿度方面、空气质量层面和环境因素等。要通过规划合理有效的设计方案，提高建筑设计质量；要采用自然通风采光、外部围护结构等手段，提高建筑的遮阳、隔热性能，使居民获得良好的生活体验。

1.2 设计标准

对于房屋建筑来说，其体型系数要控制在0.27～0.49之间，从而有效降低建筑围护结构造成的热能损失。内部墙体和界面的设计要保证协同关系，要充分利用太阳能，合理规划建筑结构，加强自然能量的转换。被动式建筑要根据不同地区制定不同的设计标准，比如在气温较低的东北地区，要加强地理环境的运用，通过调整顶板的角度，抵御强风贯穿、阻挡寒流涌入室内。按照国家制定的设计技术标准手册，细化具体内容，保证采暖一次能源消耗量不高于15KWh/m2，制冷负荷不超过11W/m2。在设计时要运用3D建模技术建立工程模型，帮助设计人员更直观的观察建筑结构，根据相关设计要求，制定详细的建筑材料要求。图1为被动式超低能耗建筑模型，表1即为被动式超低能耗建筑外围结构材料要求。

图1 被动式超低能耗建筑模型

表1 被动式超低能耗建筑外围结构材料要求

2 被动式超低能耗建筑设计的实际应用

当前建筑设计缺少外部环境差异的分析，没有按照地区的平均气温采取针对性的措施，部分地区能源消耗过高，企业没有结合工程现场情况进行设计调整，使相关设计方案往往不切实际，因此各建筑企业需要强化被动式超低能耗建筑设计的实际应用，提高自然能源的保护和利用，为人民提供良好的生活环境。

2.1 保温系统

首先，技术人员要加强对保温、采暖系统材料的选择，相关施工材料要严格符合施工标准，确保材料的无污染、绿色化，避免在施工过程中出现质量问题，当前大多数被动式超低能耗建筑选用的材料为无机保温砂浆、纳米隔热板和GSE泡沫板，这些材料的可控制性较强，能够帮助设计人员在设计系统时，提高操作的可行性，提高保温层的厚度。其次，保温系统的设计要注重散热功能，通过加强墙面的垂直绿化和通风墙、蒸发墙面的设计，将高温产生的热量快速消散。比如：我国的南方地区在冬季经常会出现建筑物室内热量大量流失的问题，建筑企业可通过使用复合苯材料，提高墙体夹层的厚度，提高建筑的保温性能。最后，要加强屋面保温系统的设计，传统的保温材料已经无法满足时代发展的需求，相关企业要加强建筑的一体化设计，尽可能加强建筑的使用寿命。在屋面保温中要进行蓄水、种植，将通风空气层夹板放置在隔热屋面上，促进空气流通，加强吸热能力。在材料选取上，尽可能选择保温砂浆和保温板，并在相关材料上铺设混凝土保护层，提高保温系统的保温效果[1]。

2.2 门窗系统

第一，要加强门窗节点的处理，提高窗框的保温性能。围护结构要确保高质量、高强度，并且构造合理，要根据实际工程类型选取适合的窗户类型。将保温性良好的窗框材料替代传统的金属框架，并做好保温处理。窗框的材料尽可能以聚氨酯和聚苯为主，将木质框架通过螺栓固定的形式进行连接与安装，方便后期回收再利用；第二，玻璃的隔热性要经过系统、严谨的计算，使窗框的热损度降至窗体热损度的30%。要进一步优化窗体的气密性，防止内部构件由于空气流通产生缝隙，通过加设封条或使用弹性优良、组装牢固的橡胶条进行密封处理，降低室内外空气的交换，使能源损失量保持在合理的范围内[2]。

2.3 自然采光与通风

自然采光与通风是被动式超低能建筑工程建设的基础环节，在设计时要注意工程地点的自然环境条件，收集相关气候信息数据，根据实际情况分析、研究、确定最优的方案策略。在工程中要对内侧的抹灰层进行缝隙封堵，确保气密性严实，同时在内侧设置防水膜，进而保证相关使用电线不会被室内的水蒸气浸泡，出现电路故障，要按照30m2/h的标准风量设置新风系统，保证空气过滤等级在G4以上，并在进风和排风管道上安装消音设备，降低通风时产生的噪音。

2.4 节能规划

首先，要做好建筑工程的平面设计，确定建筑的采光角度、绿化率和相关玻璃界面的反光系数，要确保建筑室内外的压强值低于1.5Pa。位于迎风面的墙体要提高热岛效应，能够利用周边树木或建筑物有效抵挡强风的侵袭。其次，要提高非透明的围护结构节能设计，综合考虑被动式建筑的建筑高度，使用燃烧性能为A级的建筑材料，保证建筑的恒温性，空调板要使用挑梁式构造，在进行设备管道施工时预留套管，降低线性热桥。外门的气密性等级要大于八级，水密性超过六级，这样才能使结构外表面保持良好的保温隔热功能。最后，要采用外挂安装的方式加强窗框与墙体的连接，通过使用挑梁式结构，使原本的线热桥变为点热桥，在首层的外墙基础上使用粘性塑板，确保在进行隔热处理时，能够深入地下至少1m的距离。

2.5 朝向设置

被动式超低能耗建筑设计要注意建筑物的朝向设置，要尽可能采用南北朝向的设计方式，从而提高采光度和自然通风量，相关技术人员要结合不同地区的地势、地貌进行适当调整，避免房屋遭受阳光的直射。在建筑型体设计中，要尽可能体现建筑的合理性、简洁性，不能一味的追求低耗能源策略而使建筑结构复杂化。并且被动式建筑要注意保持合理的风速与风量，使建筑穿堂风能够有效成型，为后期设计提供便利。相关朝向设计要尽可能保证建筑成本和节能损耗间的经济平衡，能够有效提高各建筑产业的经济效益，使其符合国家规定的相关能源使用标准，为人民群众提供良好的建筑环境，提高人民生活质量，调动人们的选购欲望。

3 被动式超低能耗建筑设计实例分析

3.1 项目概况

某市体育馆为被动式建筑。该体育馆能够有效降低建筑外部能源的消耗。场馆内部采用了较多的环保、绿色材料，在降低能耗的基础上提高体育场馆的实用性。

3.2 技术应用

3.2.1 高绝热维护结构

该体育场馆外墙的平均传热系数为0.14W/(m2·K)，墙体厚度为598mm，由280mm的混凝土、160mm的矿物保温织物以及130mm的饰面砖共同组合而成。该体育场馆的外墙传热系数不仅高于该市的建筑平均节能标准，甚至高于我国北方地区的建筑节能标准，具有较好的保温与隔热作用，能够最大程度的避免外墙墙体发生结霜问题导致能耗增加。

3.2.2 对流式供暖

该体院馆一到三层沿墙沿窗下方设置了风道出口，并加装了一定量的加热盘管，保持管内的水温在30℃。该体育场馆的楼板结构层中含有一定的混凝土芯层，底板与结构层间为夹层，在夹层中设置了新风管。毛细管在冬天的水温为热水，混凝土芯层为热辐射板，使得夹层新风管空气能够在循环流动过程中进行再次加热，暖房器能够诱导夹层气流对室内进行有效加温。

3.3 空调与地源热泵

该体育场馆保温性能良好，建筑物内冷热负荷较小，能够实现环保地源热泵的有效使用。依据绿色环保等要求，该体育场馆在选择地源热泵机时，重视建筑物冷热负荷的相关特点，为实现对地热资源的合理、科学利用，选择的是热量为52kw、制冷量为46kw热泵机组，有效实现夏季空调冷负荷和冬季采暖热负荷。

3.4 特殊制冷方式

地源热泵机房在夏季能提供20℃左右的冷冻水，从而使得天花板形成冷辐射板，在热气上升后迅速冷却并下沉。该种方式能够保证能量在传输中无需动力，使得室内场馆温度保持均匀、无噪声，提高了室内场馆的舒适程度。配置适量的风机盘管有助于在夏季提供一定冷量的同时加强除湿效果。

3.5 热回收新风系统

顶层设备的用房内设置了新风机组，新风机组能够实现超过95%以上的热回收率。同时，热风机组含有两个加热段，能够确保夏季与冬季的温度符合相关标准，利用风道实现热量的有效传递。场馆内部设置的对流供暖装置能够有效诱导室内空气进行反复循环，再通过混凝土芯层进行二次加热。

4 被动式超低能耗建筑发展趋势

4.1 弥补现有技术不足

当前，我国被动式超低能耗建筑方面存在技术成熟度不够、技术水平参差不齐以及建筑标准不一等问题。因此，在未来的被动式超低能耗建筑中应加强技术的研究，重视人力、物力以及财力的投入，为技术的研发和创新提供支持与保障，不断完善技术性能，提升技术水平。作为建筑设计人员需要积极树立正确的被动式超低能耗建筑理念，在建筑施工过程中充分使用太阳能、风能等绿色环保能源，提高保温材料的应用能力，优化与完善建筑保温围护以及无热桥结构设计。除此之外，应重视太阳能辐射采暖的应用，强化先进技术的应用效果，满足被动式超低能耗施工。应从因地制宜等角度出发，以建筑施工地区的实际情况为主，制定具有针对性的被动式超低能建筑设计方案和要求，确保被动式超低能耗建筑施工规划更加合理。

4.2 提高本土材料性能

在被动式超低能耗建筑设计中，为进一步降低施工建设成本，需要重视被动式超低能耗建筑整体建设效果，采用性能完善、质量较高的本土材料。以就地取材的方式，降低材料的整体运输成本，最大程度降低建筑工程项目成本。被动式超低能耗建筑受到各界的广泛关注的同时，作为政府应发挥自身的主体作用，加强各建筑单位、建筑材料企业以及科研单位的结合，实现高质量的资源共享。鼓励建筑企业积极引进先进的材料技术，通过加大自主研发的力度从而获得更优质的材料产品。除此之外，我国应重视国际质量管理体系的应用，建立相关被动式超低耗能材料相关产品质量认证体系，严格落实建筑材料的规范标准，实现目录的有效编制。禁止不符合质量标准的材料进入施工现场以及市场。

5 结 论

综上所述，通过分析被动式超低能耗建筑设计基础以及当前建筑设计存在的内外环境差异大、缺少实际情况分析、能耗高等不足之处，提高被动式超低能耗建筑设计在保温系统、门窗系统、自然采光与通风、节能规划、朝向设置等方向上的应用，从而推动我国建筑行业发展，促进社会经济稳定增长。