被动式节能建筑围护结构的技术特征探述

文／赵晓萌 天津渤化工程有限公司 天津 300450

引言：

在被动式节能建筑中，建筑工程围护结构直接关系到建筑的节能效果，因此必须充分了解被动式节能建筑围护结构的技术特征，并应在此基础上，对被动式节能建筑工程的围护结构加以优化，且应与主动式节能建筑的节能降耗效果进行对比分析，以明确被动式节能建筑围护结构的技术优势和适用条件，从而进一步提高被动式节能建筑的节能效果，促进我国建筑行业向绿色低碳环保方向发展。

1、被动式节能建筑概述

1.1 被动式节能建筑基本涵义

所谓被动式节能建筑也就是通过被动节能技术的应用来实现节能效果的建筑工程。而被动节能技术则主要是根据建筑工程所在区域的气候特点，利用对建筑结构布局的优化以及建筑材料和相关技术工艺的合理选择应用，来达到节能降耗目标的技术。与较为常见的主动式节能技术相比，在被动式节能建筑中，充分利用自然光照和通风条件，并结合间歇式空调运行模式来达到调节建筑室内热环境的目的，其具有更好的环保效果。

1.2 被动式节能建筑优势分析

1.2.1 能够充分利用自然通风采光条件

被动式节能建筑与主动式节能建筑最大的区别就在于其将自然的光照、通风引入了室内环境，而不是单纯依赖空调设备的连续运行以及将建筑室内外完全隔绝开来的方式来实现节能降耗目的。这种节能方式能够在降低能耗的同时为人们提供更加健康、亲近自然的生活、工作、学习环境，对于保护用户身心健康具有积极的作用。

1.2.2 能够更好地适应人们的生活习惯

在我国的冬冷夏热地区，人们往往有冬季晒太阳以及夏季开窗通风乘凉等生活习惯，因此被动式节能建筑与人们的日常生活方式更为契合，可以使人们在正常的生产生活过程中达到节能降耗的目的，有利于节能环保理念被社会公众所接收。

1.2.3 能够优化空调运行方式

被动式节能建筑在通过建筑布局优化以及合理选择应用节能型建筑材料的同时，综合应用了间歇式空调运行模式以提高建筑应对极端气候条件的能力，这种空调运行方式能够在较短时间内完成制冷以及制热，减少了空调运行过程中的能源消耗。

1.3 分析被动式节能建筑在室内热环境调节方面的技术优势

为进一步了解被动式节能建筑的室内热环境情况，对某冬冷夏热地区的同一室外气候条件下，未采用节能技术以及采用了被动式节能技术的建筑室内热舒适度进行了对比分析。对比结果可参见表1、表2所示。

表1 建筑室内冬季热环境

表2 建筑室内夏季热环境

通过对比分析可知，在冬冷夏热地区的建筑工程中应用被动式节能技术能够获得较为舒适的室内热感觉，而建筑室内在夏季虽然有稍热的感觉，但结合间歇式空调运行模式即可有效改善室内环境的舒适度，能够明显减少建筑工程的空调运行能耗，起到较好的节能效果。与之相比，在未采用节能技术的建筑工程中，由于室内热环境较差，必须连续运行空调设备才能改善室内的舒适度，消耗了大量的电力资源，能源消耗明显偏高。因此，被动式节能建筑在冬冷夏热地区具有明显的技术优势和应用价值。

2、围护结构在被动式节能建筑中的技术特征分析

2.1 建筑门窗结构在被动式节能建筑中的技术特征分析

门窗是建筑工程围护结构的主要组成部分，同时其也是建筑结构内外热量交换以及热传导活动最为频繁的区域，门窗部分在冬季散失的热量与建筑墙体相比，是其5-6倍左右；而夏季经由建筑门窗进入建筑室内孔径的太阳辐射热量也明显高于建筑墙体，因此建筑门窗的技术特征将直接影响被动式节能建筑的实际节能效果。如果建筑门窗结构不合理，就会导致建筑采暖能耗以及空调设备的制冷能耗明显增加。在被动式节能建筑中应合理控制建筑墙窗比，且应结合不同地域的气候特点，对不同朝向的门窗面积进行科学的调整。例如，在冬季较为寒冷的冬冷夏热地区，建筑北侧门窗面积可以适当减小，而建筑南向门窗则可以相应地加大，以便减少北向门窗的冬季热量散失，且可以利用建筑南向门窗所获取的太阳辐射热量改善室内热环境，从而达到被动式节能目的。

为了提高建筑门窗的被动节能效果，应采用具有较好气密性以及热工作性能的门窗材料。目前在被动式节能建筑围护结构中多采用铝木复合型材、断桥铝以及聚氯乙烯塑料等型材，而窗户玻璃则广泛应用了真空玻璃、普通中空玻璃以及Low-E低辐射型气度膜玻璃等节能材料。在玻璃材料的应用中应注意，中空型Low-E型玻璃对冬季的日照采暖会产生不利的影响，应根据建筑工程所在地区的气候条件等因素合理选择。在建筑门窗的气密性技术特征方面，推拉式门窗的气密性不如平开式门窗，因此，条件具备时，应尽量采用平开式门窗结构。

同时，建筑门窗的采光效果也将对建筑工程的被动节能性能产生较大的影响。建筑室内照明系统所产生的能耗是建筑工程能源消耗的重要部分，而充分利用自然光照条件则是被动式节能建筑实现节能降耗目标的关键性技术路径。在被动式节能建筑的门窗结构中，可以综合采用多种采光方式，以提高自然光照资源的利用率。在被动式节能建筑的门窗结构中，应结合建筑工程所在区域的气候环境特点、建筑的功能定位以及使用者的习惯等因素，来合理确定门窗的自然采光方式。我国建筑住宅大多采用的是南向采光方式，不过随着住宅建筑单元面积以及进深的不断增加，部分建筑不具备完全依赖自然采光的条件，因此，需要对建筑门窗位置进行必要的调整，可以在建筑室内布设窗户，或者利用高窗来实现为房间深处引入自然光的目的，且应将对建筑侧窗角度进行必要的调节，可以采用向下倾斜方式引入更多的自然光。而在建筑的北向窗户则可以采用分段式结构，并在建筑顶部设置倾斜小天窗等结构，以提高对天空漫反射光的吸收率，使建筑室内的照度以及亮度得到改善。同时，在选择建筑窗户材料时，应采用表面镀层玻璃或者具有反射功能的玻璃，且应结合地面漫反射，使建筑室内环境有更多的自然光被引入。对于不具备自然采光条件的室内空间则可以采用设置反光板等方式引入光线，且窗户玻璃应采用具有较高透射比的材料。通过优化建筑门窗结构，可以有效提高建筑工程的被动式节能效果，减少建筑照明系统所产生的能耗，且可以利用阳光中的紫外线对室内环境进行杀菌消毒，对于改善室内环境质量、保护人体健康也具有积极的作用。

2.2 建筑外墙结构在被动式节能建筑中的技术特征分析

由于被动式节能建筑主要适用于存在明显冬冷夏热特点的地区，因此，其建筑外墙等围护结构在技术特征方面与北方寒冷地区的保温外墙结构相比，需要兼顾冬季保温以及夏季隔热这两面的需要。建筑外墙结构的保温隔热性能是关键性的技术特征。在被动式节能建筑中，根据我国建筑工程的朝向特点以及气候特征，一般冬季主导风向多以建筑北侧墙体为迎风面，建筑外墙表面往往存在较大流速的冷空气，这会导致建筑北侧外墙墙体的单位面积散热量比其他方向上的建筑墙体明显偏高。因此在被动式节能建筑的外墙围护结构中应重点提高北侧建筑外墙的传热阻值，以增强其保温能力。同时，建筑工程的东西两侧建筑外墙在夏季会受到较为强烈的太阳辐射，经现场测试，其建筑墙体的外表面温度甚至会超过60℃，因此，在被动式节能建筑的东、西两侧墙体结构中，应采用具有较强蓄热能力且传热系数相对较小的建筑材料，以确保其能够兼顾隔热以及保温技术要求。

按照冬冷夏热区域的节能建筑技术工规范要求，对于体形系数在0.4以下的节能建筑，应将建筑外墙结构的传热系数控制在1.5W/m·K以内，且热惰性指标应达到2.5以上。如传热系数控制在1W/m·K以下时，其热惰性指标则应可以在2.5以下。根据不同地区的气候环境特点，可以对被动式节能建筑的外墙结构的传热系数进行适当的调整。例如在江苏地区，一般应适当控制建筑工程南侧建筑外墙的传热系数标准，但应更严格地控制其北侧建筑外墙的传热系数值。现阶段在我国的冬冷夏热地区的新建被动式节能建筑中多采用的是建筑外墙外保温系统，且外保温系统一般选用聚氨酯硬泡材料现场浇筑喷涂技术或者塑料泡沫保温板现场粘贴技术等，同时结合具有保温功能的外墙饰板材料的综合应用，虽然此类材料的保温隔热性能能够基本满足节能要求，不过目前这些材料在抗开裂、防渗漏、防火性能以及耐久性等方面还存在明显的不足之处，需要进一步加强技术研发，并积极引进新型高性能材料。

结合冬冷夏热地区气候特征，被动式节能建筑的墙体结构也可以采用自保温墙体技术。根据对冬冷夏热区域被动式节能建筑围护结构节能降耗效果的总结、分析发现，建筑墙体结构通常能够起到一定的热阻效果，且应在延迟时间以及提高衰减值等方面达到技术标准。但与其他围护结构相比，其节能贡献较为有限，因此采用自保温墙体结构即可满足节能标准。但在应用自保温墙体结构形式时，应积极选择新型的高性能的节能环保材料，可以因地制宜地采用轻质蒸压加气混凝土隔墙板或者砌块、具有较好自保温性的混凝土砌块、节能型江河淤泥烧结砖以及页岩模数多孔砖等材料，且可以结合其他保温材料、隔热涂料以及内保温材料综合应用，以形成具有较好保温隔热效果的节能保温建筑墙体结构系统。与外保温结构相比，自保温建筑墙体结构在耐久性以及防火性能方面的技术优势较为突出，能够同时满足被动式节能建筑在冬季保温以及夏季隔热这两方面的需要，可以实现较高的热惰性指标以及较大的热阻值这两项技术指标，且施工操作更为简便，经济性较高，因此在被动式节能建筑中具有较高的应用价值。

建筑外墙饰面也是被动式节能建筑围护结构的组成部分之一，饰面材料的表面光滑度、材质特点以及色彩等也会对建筑工程的节能效果以及室内热环境产生一定的影响。建筑外墙饰面材料颜色分子结构特征与吸收太阳辐射能力以及反射系数密切相关。当饰面材料具有较高的太阳辐射反射率时，其吸收太阳辐射率会相应地下降；而当墙体饰面具有较高的红外辐射率时，则会产生较好的隔热效果。此外，较浅颜色的饰面以及较为细腻光滑的饰面材料所吸收的太阳辐射相对较小，具有更好的保温隔热性能。所以在被动式节能建筑中应根据工程所在区域的实际气候特点选择建筑外墙饰面材料，以实现被动节能目的。例如在冬季较为寒冷地区的被动式节能建筑的围护结构中应采用表面较为粗糙且颜色较深的材料作为外墙饰面，以加大吸收的太阳辐射热量，提高室内热环境中的热量；而在夏季温度较高地区的被动式节能建筑则应采用浅色系的外墙饰面材料。

在被动式节能建筑的外墙结构中，如果具备条件，还可以积极借鉴传统建筑中的室内热环境控制理念，选择落叶型攀爬植物对建筑外墙加以覆盖，通过植物在不同季节的生长特点来实现对室内热量的被动调节，从而达到被动节能的目的。

2.3 建筑屋面结构在被动式节能建筑中的技术特征分析

屋面是建筑工程围护结构中的重要组成部分之一，其对建筑工程的节能效果也会产生较大的影响。由于被动式节能建筑主要是应用于我国存在明显冬冷夏热气候特征的区域，因此在建筑工程围护结构所产生的热量损失中，建筑屋面的冬季散热占有较大的比重。同时，当夏季太阳辐射较浅时，建筑屋顶过热会导致降低建筑室内环境温度而延长空调运行时间或者增加空调运行功率，导致空调能耗明显增加。夏热冬冷地区的季节温度变化较为明显，被动式节能建筑围护结构应根据工程区域所在区域的具体气候特点选择相应的屋面结构形式，以达到节能降耗的目的。以夏季温度较高而冬季低温季节相对较短的地区为例，此类地区建筑围护结构的节能重点在于夏季防热，所以对屋面结构的隔热技术提出了较高的要求。在被动式节能建筑的屋面结构中可以根据实际情况采用倒置式屋面结构形式或者架空式屋面结构形式等，且应严格按照当地的热惰性指标以及导热系数标准等相关技术标准选择保温材料。此外还可以通过设置阁楼屋顶或者通风屋顶等方式提高通风散热效果，以减少空调设备的使用。随着屋面结构技术的发展，目前浅色坡屋面、绿化屋面以及蓄水屋面等新型屋面结构形式在被动式节能建筑围护结构中得到了越来越广泛的应用，进一步提高了被动式节能建筑围护结构的节能降耗效果。

2.4 建筑外遮阳结构在被动式节能建筑中的技术特征分析

在冬冷夏热地区一些建筑工程的围护结构中设置了外遮阳结构。为提高建筑工程的被动节能效果，在应用外遮阳结构时应充分考虑其在削弱眩光以及减少太阳辐射等方面的技术特征，以改善视觉舒适度以及室内环境的热舒适性，并减少建筑室内空调系统运行时所产生的能耗。经过对被动式节能建筑的外遮阳结构的太阳辐射遮挡效果的统计分析发现，太阳辐射中的700%到85%均能够被外遮阳结构有效遮挡，明显高于内遮阳结构的20%-30%水平，其节能降耗效果较为突出，可以有效降低空调设备的运行负荷，减少空调能耗。目前在被动式节能建筑的外遮阳结构中可以利用阳台结构、挑檐结构、外廊结构、遮阳板结构以及深凹窗结构等多种形式起到遮阳效果。与此同时，也可以积极借鉴我国传统建筑围护结构中利用藤蔓类植物达到遮阳效果的方式来促使建筑工程的外遮阳结构与环境有机融合。在被动式节能建筑围护结构的实际应用中应积极采用计算机模拟等先进技术，通过对外挑檐廊、屋檐以及其他固定遮阳构件的综合应用来满足建筑室内冬季日照采暖和夏季遮阳隔热这两方面的需要。也可以采用活动式百叶作为遮阳设施，以适应不同季节的通风、采光以及保温遮阳要求。通过设置活动百叶可以根据不同季节的气候特点以及太阳辐射强度，对遮阳设施进行相应的调整。在冬季气候较低或者自然光照条件相对较低时可以将活动百叶收起，以获得更加充足的太阳辐射热量和光照，以满足自然采光要求，并降低室内采暖负荷，降低能源消耗。而在夏季温度较高或者太阳辐射强度较强时，利用活动百叶则可以在保证自然通风的情况下减少进入室内的热量和太阳辐射。

结语：

被动式节能建筑是存在冬冷夏热气候特点区域建筑的有效节能方式，其不仅能够优化空调以及采暖等设备的运行方式，明显减少其运行时所消耗的能源，而且有利于促进建筑工程与其所在区域环境的有机融合，为人们提供更加舒适健康的室内热环境。因此，在建筑工程的设计施工中应高度重视被动式节能建筑技术，准确把握被动式节能建筑围护结构技术特征，并要结合工程区域的气候环境特点合理选择建筑围护结构形式，科学确定各项技术参数，以促进建筑节能效果的全面提升，从而推动我国建筑行业的绿色发展。