被动式超低能耗建筑设计思路及方法研究

王鹏，林钰森

（西安安居筑城建筑科技集团有限公司，西安 710032）

1 引言

随着全球持续性能源危机越发严重，我国提出可持续发展战略，并明确节能减排目标，被动式建筑设计也逐渐在我国建筑行业得到推广应用。 国内外对被动式超低能耗建筑设计的研究也在持续加强， 随着社会经济的发展及相关技术水平的提高， 被动式超低能耗建筑设计得到极大的发展。 本文基于实际案例对被动式超低能耗建筑设计思路和方法展开探讨，既有利于补充相关理论研究内容，又能为类似项目工程提供借鉴。

2 工程案例

2.1 项目概况

项目地理位置优越，交通便利，建设用地环境质量指数超过0.5，植被覆盖面积相对较大，环境优美、空气良好，具有较好的生态效益。 项目所处区域为亚热带季风气候，年平均气温18 ℃左右，最热月份平均温度达30 ℃，年平均降雨量为1 151 mm，主要为北向和东北向风，风速小。 项目净用地面积为2 733.06 m2，属于商业用地，建筑高度规划限高12 m，主要功能为民宿酒店，要求具备停车场、大堂、客房、餐厅及健身房等配套设施。 项目建设效果如图1 所示。

图1 案例项目建设效果图

2.2 设计难点

该项目被动式超低能耗建筑设计的主要难点表现在以下方面。

1）由于项目所在场地存在高差，对建筑通风、光照等产生一定影响，因此，如何充分结合当地气候及场地环境条件合理进行建筑布局，降低建筑能耗，是此次设计的难点。

2）由于当地被动式超低能耗建筑设计案例相对较少，可供参考的案例有限，如何结合当地气候环境条件展开内部空间设计，为人们提供舒适的居住体验和环境，是此次设计的难点。

3）项目所处区域夏季炎热，温度较高，冬季阴冷潮湿，如何通过细节设计提高室内舒适度， 同时达到超低能耗建筑设计标准，也是设计的难点[1]。

3 被动式超低能耗建筑整体设计思路与方法

3.1 建筑布局

建筑布局应充分结合案例项目所在区域实际地理位置、自然环境及日照通风情况，科学地进行建筑选址、布局设计、朝向设计以及室外绿化景观设计。

1）结合当地区域规划发展方向、自然环境特点，以及超低能耗建筑对于地理位置等方面的需求， 如浅层岩土地热资源与水资源的利用， 以及地形特征等， 科学进行建筑选址。 以地理位置条件为例，在进行超低能耗建筑设计的过程中，为充分利用当地浅层地热能这项可再生资源，需要加强对建筑区域地下空间的考量，在地下埋入地埋管管热系统，因此，要求地下空间应至少为150 m，以满足管热系统埋设需求；在利用地表水资源方面，为降低建筑能耗，通常会借助当地江河、湖泊等地表水作为热泵机组的热冷源系统。 因此，建筑选址过程中，应充分考量建设用地与水体之间的距离；在自然环境方面，应充分考虑当地地形对太阳辐射以及风环境的影响， 确保建筑选址的风环境和阳光辐射均满足建设要求。

2）结合当地日照通风情况进行建筑布局及朝向设计，主要包括单体建筑布局、群体建筑布局等，需充分考量不同布局形式下的建筑通风、日照情况，并根据当地日照通风特点，合理确定建筑朝向，确保建筑采光、日照及通风等符合超低能耗建筑设计要求。

3）优化调整室外气候的绿化景观设计，通过绿植美化室外景观、遮挡太阳辐射、阻挡来风，还可通过铺地等措施降低城市热岛效应，减少室外环境辐射。

对案例项目建设场地实际情况进行分析可知，建筑用地处于向阳坡平缓地带，日照侧不存在任何遮挡设施、植物等，主导风向侧存在部分植物遮挡。 当主导风吹过植物后，会增加建设场地内空气流速，故选用银杏、皂角树、广玉兰、马尾松、杜鹃等作为绿化植物。 由于项目所处区域夏季炎热，太阳辐射较高，且常年处于静风状态，而集中式建筑布局方式太阳辐射过多，因此，为保障场地通风，减少夏季太阳辐射，采用线性布局方式，能较好地利用当地风环境和热环境。 为进一步优化建筑布局， 建筑群体设计选用错列式排布方式，以获得更多的自然通风和日照，通过植物及建筑间的缝隙构建多道通风走廊，进而强化建筑通风效果。 此外，在考虑建筑自然光照、通风的情况下，为提升客人住宿体验，保障住宿环境的私密性， 案例工程西侧两排建筑主窗采用交错朝向设计，在保障通风、光照及景观朝向的同时，为客人提供良好的住宿体验。

3.2 建筑单体

建筑单体设计思路应以节能和内部空间设计为主。

1）节能体形设计。 通过形体设计，降低建筑能耗，根据相关资料可知，建筑形体系数每增加0.01，建筑耗热量指标相应提升2.5%，夏热冬冷地区建筑节能设计中不同层高的建筑形体系数要求如表1 所示。 此外，建筑形体设计还影响建筑的遮阳隔热、通风及采光效果，因此，科学设计建筑形体十分重要。在实际展开建筑形体设计的过程中， 应充分考虑建筑物的长宽比以及太阳辐射得热，确保建筑造型的设计满足实际通风、采光需求。 对于案例项目， 在实际展开建筑单体设计的过程中，应加强对通风设计方面的重视，确保自然风的引入能够带走室内潮湿，同时也应最大程度上增加建筑采光面积，结合现场实际情况合理选择建筑形体系数。

表1 居住建筑形体系数要求

2）内部空间设计。 建筑内部空间的布局，以及不同功能单元之间的连接情况影响建筑物的热工性能。 为降低建筑能耗，在被动式超低能耗建筑单体设计时应结合气候等影响因素，科学进行内部空间设计和布局。 结合当地实际情况，以及建筑空间特点，合理选择遮阳方式；通过室内布局设计保障自然通风，如底层架空、立面开洞、天井等；在自然采光方面，为保障自然光线的有效进入， 应结合当地光照特点合理确定采光开口大小，并结合实际情况，对内部空间进行综合优化。

案例所在地常年处于静风状态且湿度较大， 为借助自然通风降低室内湿度，需要尽可能增加建筑的采光和通风面积，因此，在进行建筑形体设计时需适当提高形体系数。 建筑单体设计采用当地传统民居元素，并融入现代设计方式，立面设计以简洁、现代为主，同时为满足建筑超低能耗设计要求，采用中式大屋顶的设计形式，选用小青瓦作为屋顶，并使用木质格栅及过渡空间设计，为室内外空间提供缓冲区域，以此强化通风，实现建筑整体遮阳处理，符合当地夏季炎热、日照强烈的建筑节能设计需求。 此外，结合案例所在区域光照特点，为避免东西向热辐射过高问题，建筑采用凹凸式采光设计，如图2所示。

图2 建筑凹凸形体引入光线

3.3 细部构造

细部构造对建筑能耗及舒适度有直接影响，对此，在设计过程中应结合实际环境和气候情况采用保温隔热墙体及屋面技术，科学进行采光通风窗户设计和遮阳设计，着重提高建筑的气密性，减少能源损耗，并通过新风系统暖通设计，降低过渡季节供暖、通风需求，以此减少建筑能耗[2]。

1）建筑外围护结构设计。 考虑建筑外形设计需求及保温隔热要求， 外围护结构材料选用砖墙肌理、 木质门窗及毛石墙，通过现代化设计手法，在体现传统民居元素的同时，提高建筑美观性。 对整个建筑进行外墙连续保温设计，结合建筑不同位置特点， 选用不同保温材料。 通过外围护连续保温层设计，保证建筑内部气密性，达到减少能量损失、降低建筑能耗的效果。 保温材料的使用情况及传热系数如表2 所示。

表2 建筑外围护结构

2）遮阳设计。 案例项目中选用内凹窗户和挑出阳台构件的形式，为室内外空间提供缓冲区域，同时为建筑内部提供良好的微气候。 此外，为保障建筑隔热和通风效果，采用双层屋面设计以便室内自然通风。

3）暖通设计。案例项目中暖通设计采用风机盘管和新风系统，并使用新风全热回收机组实现对卫生间和室外新风的热回收，以减少能源消耗。此外，由于案例工程项目所处区域全年湿度相对较大，为防止新风系统在除湿后房间内温度过低，故在过渡季节，新风除湿后将进入再热阶段以保障室内温度[3]。

4 结语

综上所述，在被动式超低能耗建筑设计过程中，应充分结合当地气候环境、地形地势、水体、风向及日照情况，合理规划建筑选址、布局朝向、绿化景观及建筑体形，确保满足自然采光与通风要求。 同时，结合气候情况进行内部空间设计，还应积极应用隔热保温墙体及屋面技术实现采光、通风、遮阳及新风系统暖通设计等，全面提高建筑的节能降耗效果，落实被动式超低能耗建筑设计。 相信随着对被动式超低能耗建筑设计技术及策略的深入研究， 我国建筑工程节能降耗效果将进一步提升，建筑工程行业也将向绿色环保方向不断发展。