被動式超低能耗建筑設計思路及方法研究

王鵬，林鈺森

（西安安居筑城建筑科技集團有限公司，西安 710032）

1 引言

隨著全球持續性能源危機越發嚴重，我國提出可持續發展戰略，并明確節能減排目標，被動式建筑設計也逐漸在我國建筑行業得到推廣應用。 國內外對被動式超低能耗建筑設計的研究也在持續加強， 隨著社會經濟的發展及相關技術水平的提高， 被動式超低能耗建筑設計得到極大的發展。 本文基于實際案例對被動式超低能耗建筑設計思路和方法展開探討，既有利于補充相關理論研究內容，又能為類似項目工程提供借鑒。

2 工程案例

2.1 項目概況

項目地理位置優越，交通便利，建設用地環境質量指數超過0.5，植被覆蓋面積相對較大，環境優美、空氣良好，具有較好的生態效益。 項目所處區域為亞熱帶季風氣候，年平均氣溫18 ℃左右，最熱月份平均溫度達30 ℃，年平均降雨量為1 151 mm，主要為北向和東北向風，風速小。 項目凈用地面積為2 733.06 m2，屬于商業用地，建筑高度規劃限高12 m，主要功能為民宿酒店，要求具備停車場、大堂、客房、餐廳及健身房等配套設施。 項目建設效果如圖1 所示。

圖1 案例項目建設效果圖

2.2 設計難點

該項目被動式超低能耗建筑設計的主要難點表現在以下方面。

1）由于項目所在場地存在高差，對建筑通風、光照等產生一定影響，因此，如何充分結合當地氣候及場地環境條件合理進行建筑布局，降低建筑能耗，是此次設計的難點。

2）由于當地被動式超低能耗建筑設計案例相對較少，可供參考的案例有限，如何結合當地氣候環境條件展開內部空間設計，為人們提供舒適的居住體驗和環境，是此次設計的難點。

3）項目所處區域夏季炎熱，溫度較高，冬季陰冷潮濕，如何通過細節設計提高室內舒適度， 同時達到超低能耗建筑設計標準，也是設計的難點[1]。

3 被動式超低能耗建筑整體設計思路與方法

3.1 建筑布局

建筑布局應充分結合案例項目所在區域實際地理位置、自然環境及日照通風情況，科學地進行建筑選址、布局設計、朝向設計以及室外綠化景觀設計。

1）結合當地區域規劃發展方向、自然環境特點，以及超低能耗建筑對于地理位置等方面的需求， 如淺層巖土地熱資源與水資源的利用， 以及地形特征等， 科學進行建筑選址。 以地理位置條件為例，在進行超低能耗建筑設計的過程中，為充分利用當地淺層地熱能這項可再生資源，需要加強對建筑區域地下空間的考量，在地下埋入地埋管管熱系統，因此，要求地下空間應至少為150 m，以滿足管熱系統埋設需求；在利用地表水資源方面，為降低建筑能耗，通常會借助當地江河、湖泊等地表水作為熱泵機組的熱冷源系統。 因此，建筑選址過程中，應充分考量建設用地與水體之間的距離；在自然環境方面，應充分考慮當地地形對太陽輻射以及風環境的影響， 確保建筑選址的風環境和陽光輻射均滿足建設要求。

2）結合當地日照通風情況進行建筑布局及朝向設計，主要包括單體建筑布局、群體建筑布局等，需充分考量不同布局形式下的建筑通風、日照情況，并根據當地日照通風特點，合理確定建筑朝向，確保建筑采光、日照及通風等符合超低能耗建筑設計要求。

3）優化調整室外氣候的綠化景觀設計，通過綠植美化室外景觀、遮擋太陽輻射、阻擋來風，還可通過鋪地等措施降低城市熱島效應，減少室外環境輻射。

對案例項目建設場地實際情況進行分析可知，建筑用地處于向陽坡平緩地帶，日照側不存在任何遮擋設施、植物等，主導風向側存在部分植物遮擋。 當主導風吹過植物后，會增加建設場地內空氣流速，故選用銀杏、皂角樹、廣玉蘭、馬尾松、杜鵑等作為綠化植物。 由于項目所處區域夏季炎熱，太陽輻射較高，且常年處于靜風狀態，而集中式建筑布局方式太陽輻射過多，因此，為保障場地通風，減少夏季太陽輻射，采用線性布局方式，能較好地利用當地風環境和熱環境。 為進一步優化建筑布局， 建筑群體設計選用錯列式排布方式，以獲得更多的自然通風和日照，通過植物及建筑間的縫隙構建多道通風走廊，進而強化建筑通風效果。 此外，在考慮建筑自然光照、通風的情況下，為提升客人住宿體驗，保障住宿環境的私密性， 案例工程西側兩排建筑主窗采用交錯朝向設計，在保障通風、光照及景觀朝向的同時，為客人提供良好的住宿體驗。

3.2 建筑單體

建筑單體設計思路應以節能和內部空間設計為主。

1）節能體形設計。 通過形體設計，降低建筑能耗，根據相關資料可知，建筑形體系數每增加0.01，建筑耗熱量指標相應提升2.5%，夏熱冬冷地區建筑節能設計中不同層高的建筑形體系數要求如表1 所示。 此外，建筑形體設計還影響建筑的遮陽隔熱、通風及采光效果，因此，科學設計建筑形體十分重要。在實際展開建筑形體設計的過程中， 應充分考慮建筑物的長寬比以及太陽輻射得熱，確保建筑造型的設計滿足實際通風、采光需求。 對于案例項目， 在實際展開建筑單體設計的過程中，應加強對通風設計方面的重視，確保自然風的引入能夠帶走室內潮濕，同時也應最大程度上增加建筑采光面積，結合現場實際情況合理選擇建筑形體系數。

表1 居住建筑形體系數要求

2）內部空間設計。 建筑內部空間的布局，以及不同功能單元之間的連接情況影響建筑物的熱工性能。 為降低建筑能耗，在被動式超低能耗建筑單體設計時應結合氣候等影響因素，科學進行內部空間設計和布局。 結合當地實際情況，以及建筑空間特點，合理選擇遮陽方式；通過室內布局設計保障自然通風，如底層架空、立面開洞、天井等；在自然采光方面，為保障自然光線的有效進入， 應結合當地光照特點合理確定采光開口大小，并結合實際情況，對內部空間進行綜合優化。

案例所在地常年處于靜風狀態且濕度較大， 為借助自然通風降低室內濕度，需要盡可能增加建筑的采光和通風面積，因此，在進行建筑形體設計時需適當提高形體系數。 建筑單體設計采用當地傳統民居元素，并融入現代設計方式，立面設計以簡潔、現代為主，同時為滿足建筑超低能耗設計要求，采用中式大屋頂的設計形式，選用小青瓦作為屋頂，并使用木質格柵及過渡空間設計，為室內外空間提供緩沖區域，以此強化通風，實現建筑整體遮陽處理，符合當地夏季炎熱、日照強烈的建筑節能設計需求。 此外，結合案例所在區域光照特點，為避免東西向熱輻射過高問題，建筑采用凹凸式采光設計，如圖2所示。

圖2 建筑凹凸形體引入光線

3.3 細部構造

細部構造對建筑能耗及舒適度有直接影響，對此，在設計過程中應結合實際環境和氣候情況采用保溫隔熱墻體及屋面技術，科學進行采光通風窗戶設計和遮陽設計，著重提高建筑的氣密性，減少能源損耗，并通過新風系統暖通設計，降低過渡季節供暖、通風需求，以此減少建筑能耗[2]。

1）建筑外圍護結構設計。 考慮建筑外形設計需求及保溫隔熱要求， 外圍護結構材料選用磚墻肌理、 木質門窗及毛石墻，通過現代化設計手法，在體現傳統民居元素的同時，提高建筑美觀性。 對整個建筑進行外墻連續保溫設計，結合建筑不同位置特點， 選用不同保溫材料。 通過外圍護連續保溫層設計，保證建筑內部氣密性，達到減少能量損失、降低建筑能耗的效果。 保溫材料的使用情況及傳熱系數如表2 所示。

表2 建筑外圍護結構

2）遮陽設計。 案例項目中選用內凹窗戶和挑出陽臺構件的形式，為室內外空間提供緩沖區域，同時為建筑內部提供良好的微氣候。 此外，為保障建筑隔熱和通風效果，采用雙層屋面設計以便室內自然通風。

3）暖通設計。案例項目中暖通設計采用風機盤管和新風系統，并使用新風全熱回收機組實現對衛生間和室外新風的熱回收，以減少能源消耗。此外，由于案例工程項目所處區域全年濕度相對較大，為防止新風系統在除濕后房間內溫度過低，故在過渡季節，新風除濕后將進入再熱階段以保障室內溫度[3]。

4 結語

綜上所述，在被動式超低能耗建筑設計過程中，應充分結合當地氣候環境、地形地勢、水體、風向及日照情況，合理規劃建筑選址、布局朝向、綠化景觀及建筑體形，確保滿足自然采光與通風要求。 同時，結合氣候情況進行內部空間設計，還應積極應用隔熱保溫墻體及屋面技術實現采光、通風、遮陽及新風系統暖通設計等，全面提高建筑的節能降耗效果，落實被動式超低能耗建筑設計。 相信隨著對被動式超低能耗建筑設計技術及策略的深入研究， 我國建筑工程節能降耗效果將進一步提升，建筑工程行業也將向綠色環保方向不斷發展。