建筑設計中被動式節能的運用

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【摘要】文章對被動式節能建筑所運用到的關于風能方面、太陽能方面和其他外墻與屋頂的被動式節能方式進行介紹，以期對被動式節能建筑的設計有更加全面的了解。

【關鍵詞】節能設計；被動式節能；風能利用；太陽能利用

1引言

在我國的能源消耗中有超過一半的能源用于建筑的建造、使用和維護[1]。隨著社會的進步和發展，越來越多的人為了追求更好的室內舒適度，開始大量安裝和使用空調設備、鋪設和使用供暖設備和熱水器等電子產品。而另一方面，大量的能源消耗所帶來的資源枯竭、環境污染等問題。由此開始提倡了要采取被動式節能的方法來降低建筑的能耗。而風能和太陽能作為最原始、最基本的方式在控制室內氣候方面發揮著重要作用。

2被動式建筑

1963年，VictorOlgyay出版了《設計結合氣候》一書，提出了應從氣候條件對人體舒適度的影響出發，采取被動的方法，最大限度地利用可再生能源，降低建筑的運行能耗。被動式建筑節能的原則是不依賴外部能源，通過周圍環境的布置、建筑朝向、內部空間的巧妙設計，建筑材料的使用以及幾種非常規能源（風、水、太陽等）收集和使用裝置的設計來達到優化采光、通風、冬季取暖和夏季制冷的效果。往往體現出投資低、技術水平低的傾向[2,3]。

3風能利用

自然通風是當今節能建筑中被廣泛使用的被動式節能技術，也是室內空氣優化的最基本方式之一。它是主動通風系統，如空調和機械通風等的替代品。自然通風的優點是它不消耗能源和可以帶來新鮮空氣，這對在室內居住和長時間工作的人們的健康非常有益。雖然使用機械設備可以保持室內干凈，但空調產生的內部循環的恒溫的空氣是渾濁的，這是不宜于生理和心理健康。所以我們有必要在使用自然通風系統來改善惡劣的室內環境的同時，降低能源消耗。

3.1熱壓通風

熱壓通風是利用空氣受熱膨脹變輕的原理。溫差導致壓差。壓差是由建筑物內部的熱的空氣柱與建筑物外部環境溫度以及熱風柱高度的溫差引起的。空氣柱頂部的壓差越大，空氣柱底部和空間內的空氣運動越劇烈。這種空氣從建筑物的空氣柱頂端出去，又從建筑物的空氣柱底端的進入的現象是“煙囪效應”。同時，渾濁的溫度較高的空氣從上方排出，新鮮的、溫度較低的空氣從下方進入，完成了室內空氣的交換。也可利用熱回收通風裝置回收渾濁空氣的熱能，進一步的節能。這是一種可持續的、穩定的換氣通風方式。實現煙囪通風有兩種不同的策略。第一個假設建筑內部溫度相同，要求內部溫度高于外部溫度的情況。第二種策略是將建筑內的使用區保持在室外溫度以下，例如通過夜間通風降低室內溫度，并僅依靠浮力效應通風。當溫差變化不足以引起熱壓通風時，可以結合機械設備通過升溫的方式輔助熱壓通風和通過降溫的方式輔助熱壓通風，前者是指利用用電設備加熱或太陽能加熱的方法，使建筑內局部的空氣升溫，形成整體的溫度差，從而促進空氣流動并增強通風效果；后者與前者方法相同，利用雨水或地下水循環或空調降 溫的方式實現溫度差的變化，從而得到良好的被動通風效果。

3.2風壓通風

風壓通風是指風在建筑外部繞行的時候產生風壓差。風通過建筑物時，迎風面產生的壓力為正(向內)，背風面產生的壓力為負（見圖1）。因此，建筑物在整個區域產生壓力差，從而驅動交叉通風，這就是常說的“穿堂風”。但這種方式相對于熱壓通風不太穩定，容易造成短時間內的大量通風。風壓通風不僅受建筑形體的因素影響，而且不同時間、不同環境對其的影響也大。為了減小這些影響，可以控制空間的進深和高度；在建筑上加入適當的構件引導風向；選擇合適的開窗位置來增加壓力差；在通風空間盡可能少的布置障礙物。

3.3通風方式

不同的開窗位置會形成不同的通風方式，總體分為交叉通風、單面通風和中庭通風。當入口和出口位于建筑物或空間的相對外墻上，并在兩者之間設計一條清晰的流動路徑時，就會發生交叉通風。交叉通風策略的流動路徑需要適當的設計為連續的空間。路徑上最小的開口決定了換氣速率。交叉通風常和中庭的煙囪通風結合使用（見圖2），可以增加建筑的進深。單側通風是風通過一個大開口進入和離開，或者通過空間同一側上間隔開的兩個開口進入和離開的情況。單側通風是最不集中的自然通風策略，它可以在建筑的不同部分獨立運行。單側通風通常比交叉通風通風率低，且只能進入到有限的空間距離。通風方式在建筑中能否充分發揮作用則影響到 整個建筑的節能效果。不同的氣候區都有一定的規律，可以通過分析外部的風環境條件和建筑本身的外形作為根據，來設計建筑內部的不同區域應該采用熱壓通風或風壓通風、選擇不同的通風方式。風作為一種資源，無論是大小還是方向都不穩定。因此，建筑物上的壓力場不斷變化，并且很難預測風壓通風策略的準確換風量?？梢越柚嚓P計算機技術來分析并模擬風場變化，從而來驗證或調整建筑上的節能策略。

4太陽能利用

作為歷史悠久的能源——太陽能源，自古人們就對它加以利用。比如，在建筑上開窗，將陽光引入屋內照明；利用大面積透光屋頂，通過陽光直射，升高室內溫度等方式。隨著無污染能源的發展，出現了利用光能源轉化為熱能的太陽能熱水器、轉化為電能的光伏板。這就將應用在節能建筑上的太陽能利用分為兩種：一種為主動式太陽能技術，另一種為被動式太陽能技術。

4.1主動式太陽能利用

主動太陽能技術是通過技術手段（如：太陽能板）對太陽能進行收集并儲存，為建筑提供能源，所提供的能源可以是熱能也可以是電能。為建筑提供熱水、溫暖的空氣、額外的電力。主動式太陽能技術不受地域環境的限制，只要滿足陽光照射就可以使用，但其關于機械設備的前期投入巨大，在設備成本無法降低的現今，不適用大范圍的使用。

4.2被動式太陽能利用

與使用太陽能光伏板不同，被動式太陽能板依賴于設計師的巧妙建筑設計和構造設計，來實現太陽能的利用。被動式太陽能的利用受地域環境限制，但有技術含量低、前期投入少的特點，有利于普及和推廣。被動式太陽能有以下幾種方式。

4.2.1直接受益的方式通過采光口和反光板的合理設計提高窗地比，可以讓更多的光線進入室內，不僅利于增加建筑進深，提高建筑的使用率還可以提高建筑的采暖和采光。外墻采用的蓄熱材料（如：混凝土、磚、夯土等）可以在白天陽光直射的時間段儲存大量的太陽能，在無直射的時間段，如夜晚時段緩慢放熱，為建筑室內升溫。

4.2.2蓄熱墻體蓄熱墻體是將向陽墻面做成雙層墻，內側厚重實墻，外層設玻璃幕墻（上、下留洞口），兩者之間為空氣間層。內墻向外側涂黑并安有遮陽板，墻上在合適位置留出采光洞口，在內側墻面的上、下留洞口。冬季時，外層玻璃幕墻洞口關閉，一是可通過陽光直射內墻面吸熱，并通過緩慢放熱，為室內升溫；二是可以通過室內的冷空氣從下洞口進入空氣間層區，受直射陽光和內墻散熱升溫，再經由上部洞口進入室內，形成空氣循環。夏季時，內墻和玻璃幕墻上的洞口均開啟并拉下內墻遮陽板，通過陽光直射加熱間層空氣，熱空氣上升排出，由此形成通風對流。

4.2.3附加日光間在建筑南側的灰空間(如：陽臺、廊到、門廳等)加蓋透明玻璃房間成為陽光間，其中設置一定的蓄熱體（如：涂黑墻面、水墻等）。在冬季，太陽輻射的作用下，陽光間迅速升溫，一部分由蓄熱體貯存，一部分則通過窗洞進入室內，由此提高室內的溫度。也可在該空間種植，作為花房使用。但在夏季需要有遮陽設施。

5其他外墻與屋頂的被動式節能設計

外墻的被動式節能的基本原理是注意夏季隔熱和冬季保溫。通常有幾種方法，首先是覆土的建筑形式，利用土壤包裹墻壁來達到保溫隔熱的作用，這種方式應注意墻面防水。其次利用植物進行隔熱，如采用攀爬或纏繞類的植物覆蓋在外墻面上。植物的最佳選擇是落葉類，既可以夏季遮陽，也可以在冬季讓外墻吸收熱能[3]。同時可選擇深色墻面加強吸收熱能的效果。此外，可以用百葉或折板代替植被，通過手動控制來達到遮陽和墻體吸熱的不同效果轉換。屋頂是建筑接收陽光直射最長時間的部分。傳統的方法是使用保溫材料或者使用蓋板架空，建立隔熱層。然而，這種方法并不是最節能的。最好的辦法是用植被或水覆蓋，以達到白天遮陽儲存熱能夜晚放熱保溫的效果。若條件允許建造一個屋頂花園，包含可以集結雨水的蓄水池和植物景觀，可利用蓄水池的水來澆灌植被，同時具有美化環境的效果。

6結語

隨著21世紀以來的能源危機，人們逐漸認識到其嚴重性，并對建筑的節能降耗要求有增無減。節能建筑逐步發展，分化了主動式節能和被動式節能設計，以適應不同類型的建筑。被動式建筑需要考慮技術的支持和能源消耗標準，以及生態，功能和美學各個方面。也受到建筑物的地理位置以及周圍的環境條件和資金的約束。建筑師要把握建筑節能的設計理念，在盡可能不使用設備的情況下，設計出適宜居住、環境友好的建筑。這是對建筑設計師的一個考驗。也是以建筑師為主導，可以把節能理念更好的貫徹在建筑中。

參考文獻

[1]陳華晉，李寶駿，董志峰.淺談建筑被動式節能設計[J].建筑節能，2007(3):29-31.

[2]宋琪，楊柳，印保剛.為適應氣候而建造:被動式建筑[J].華中建筑，2014，32(4):11-15.

[3]莊碧賢.建筑設計中被動式節能的探討[J].建材技術與應用，2010(4):13-15.

作者：任梓寧 單位：沈陽建筑大學