什麼是被動式建築設計？圖文講解近零能耗建築被動式設計方法

作者：重慶大學 宮卓、肖益民、張睿

一、概況

在傳統能源需求日益緊張的現況下，實現建築近零能耗或零能耗成為現今的重點研究方向。川西地區經濟條件落後，傳統能源匱乏 ，但太陽能資源十分豐富 。結合當地自然條件來研究近零能耗建築的設計方法，不僅有利於近零能耗建築在我國的發展，而且也有利於最佳化當地用能結構，保護生態環境。本文以川西地區壤塘縣的傳統民宿為例，透過建築氣候分析將被動式太陽能技術作為主要的被動式設計方法，在此基礎上進一步分析太陽能集熱方式，希望為在川西地區研究近零能耗建築提供幫助。

近零能耗建築1

二、近零能耗建築

近零能耗建築（nearly zero energy building）最早由歐盟提出。2010年7月9日，歐盟釋出了《建築能效指令》，要求各成員國確保在 2018 年 12 月 31 日起，所有政府持有或使用的新建建築為近零能耗建築；2020 年 12 月31日起，所有新建建築為近零能耗建築。考慮到歐盟國家間經濟、氣候差異，指令要求各國以實際國情為基礎，並沒有給出統一的量化節能目標。

近零能耗建築的概念引入我國的時間較晚，相應的標準及及技術體系仍在不斷地研究當中，近年來，中國建築科學研究院透過示範工程探索出了一條相關的技術路線。

圖1 近零能耗建築技術路線

該技術路線提出了被動式設計、主動式系統、監控執行策略三方面的要求。其中能夠有效減少建築負荷的被動式設計是整個技術路線的前提，因此在川西地區研究近零能耗建築時應當首先對被動式設計方法進行分析。

三、 壤塘縣建築氣候分析及建築特徵

3.1 建築氣候分析

3.1.1 基本氣候特徵

壤塘縣位於青藏高原東部，四川省阿壩自治州西部。縣城年均溫6。6℃，夏季最高氣溫29。4℃，冬季最低氣溫-23。4℃，年降水量736。1毫米。透過中國氣象資料網，整理、統計出壤塘縣供暖季節氣象資料如表1所示。

表1壤塘縣供暖季節氣象資料

從表中資料可以看出，壤塘縣氣候寒冷，採暖日數長，屬於嚴寒地區，但當地可利用太陽能資源豐富，具有使用被動式太陽能技術的基本氣候條件。

3.1.2 建築氣候分析圖

被動式設計著重於透過建築設計而非人工環境控制來滿足室內熱舒適條件，它營造出的室內氣候隨著室外氣候的改變而按照一定的規律發生變化。因此，在進行被動式設計時應建立起室外氣候條件與室內舒適環境之間的關係。2003年，我國的楊柳教授與劉加平教授提出利用建築氣候分析圖來解決這一問題［4］。本文參考這種方法對壤塘縣進行被動式氣候設計分析，其建築氣候分析圖如下：

圖2和圖3

圖中1#區域代表傳統供暖方式；2#區域代表被動式太陽能採暖；3#為壤塘縣對應的舒適區；4#區域代表建築蓄熱；5#區域代表自然通風；圖中虛線部分代表壤塘縣室外氣候條件。當室外氣候線落在實線圍合的區域時，便可以透過相應的技術實現熱舒適。

由圖可知，壤塘縣自11月起至次年3月供暖需求較大；9月、10月透過被動式太陽能供暖即可滿足熱舒適要求；5月~8月室外氣象條件部分時間位於舒適區。可以看出，壤塘縣被動式設計的重點在於被動式太陽能供暖。事實上，若再對建築圍護結構或集熱構件加以改良則有可能完全透過被動式太陽能供暖以實現熱舒適。從壤塘縣入手，分析川西地區民宿建築適宜的太陽能集熱方式也是本文的研究內容之一。

近零能耗建築2

3.2 建築特徵

壤塘縣民宿建築多為兩層或三層樓房，坐北朝南，南向多曬臺。建築平面設計整潔，整體以院牆圍合，房間向內開窗，對外封閉，整體呈現出厚牆小窗的特點［5］。建築室內還通常設有經堂以滿足宗教活動的需要。

本文研究物件為壤塘縣縣城附近的一棟典型的民宿建築。建築共二層，包含雜物間、臥室、佛堂、起居室、廚房、衛生間、浴室六個房間，外部以院牆圍合，東側設有廂房。建築的二層為人員主要生活區域，一層設定為雜物間，東側廂房分三間，分別佈置為廚房、浴室、衛生間。佈置後的建築平面圖分別如圖4和圖5所示：

圖4和圖5

四、模擬及分析

被動式太陽能技術包括平立面設計、圍護結構設計、太陽能集熱方式等方面。本文首先對原建築的圍護結構加以改良，然後再針對不同的太陽能集熱方式進行方案設計與模擬。

4。1 圍護結構

壤塘縣傳統民宿建築冬季保溫效能較差，其圍護結構不滿足《四川省被動式太陽能建築設計規範》中對傳熱係數的要求，有必要對圍護結構重新設計。

改良後的外牆主體材料採用加氣混凝土砌塊，外保溫材料使用膨脹聚苯板（EPS）。屋面及樓板主體採用鋼筋混凝土，樓板保溫材料採用擠塑聚苯板（XPS），屋面保溫材料則採用聚氨酯泡沫塑膠。透明圍護結構方面，窗體應當滿足相應傳熱係數的要求，同時依據《四川省被動式太陽能建築設計規範》確定南向的最佳窗牆比。建築主要圍護結構傳熱係數如表2所示：

表2主要圍護結構傳熱係數

4.2 太陽能集熱方式

《四川省被動式太陽能建築設計規範》為壤塘縣所在氣候區提供了直接受益式、附加日光間式、集熱蓄熱牆式三種不同的太陽能集熱方式。

直接受益式系統在白天利用南向窗使陽光直接進入室內，加熱被採暖房間，夜間則關閉窗戶上的活動保溫裝置來維持室溫；附加陽光間系統通常在建築南側採用玻璃等透光材料構造封閉空間，並在公共牆體上開風口，依靠空氣迴圈為房間供暖；集熱蓄熱牆系統又稱特隆布牆系統，將除窗戶以外的南向牆面塗黑並間隔一定的距離覆蓋上玻璃，牆上下部位留通風口，透過熱風自然對流迴圈進行供暖。附加日光間系統與集熱蓄熱牆系統的工作原理分別如圖6、圖7所示。

圖6和圖7

為分析不同集熱方式對室內熱環境及供暖負荷的影響，依據建築二層平面佈局特點共提出三種設計方案。

1）直接受益式方案：二樓三個房間均採用直接受益式系統，搭配活動保溫裝置。

2）附加日光間方案：利用二層室外挑廊構築附加日光間。西側臥室下方為樓梯，空間上不允許設定日光間，因此仍採用直接受益式系統。該方案實質上採用了直接受益系統與附加日光間系統兩種集熱方式。

3）綜合式方案：保留附加日光間，臥室設定集熱蓄熱牆系統，同時為滿足光照要求在臥室開西向窗，窗牆比則按照《嚴寒及寒冷地區居住建築節能標準》確定。

近零能耗建築3

4.3 建築熱環境模擬結果分析

4.3.1 模擬引數

在利用DeST-s進行模擬時，應確定相應的模擬引數：人員方面，建築內各房間最大人數設定為3人，人均發熱量53w，產溼量為0。061kg/hr，人員活動強度按照房間功能確定［7］。依據《建築照明設計標準》，各房間的燈光最大功率指標為5w/㎡，燈光作息依照房間功能確定。裝置最大功率為DeST預設的12。7w/㎡。依據《健康住宅建設要點》，通風方案中室內換氣次數不得低於1次/h，同時還應避免夏季產生冷負荷。

4.3.2 模擬結果分析

以室外平均氣溫最低的1月11日為例，三種方案下室內房間自然溫度逐時變化情況分別如圖8、圖9、圖10所示。

圖8直接受益式方案溫度逐時變化情況

直接受益式方案中，所有房間溫度變化幅度均在5℃內。在三個房間中，由於佛堂的人員活動時間與活動強度低於其他房間，並且來自裝置、燈光的得熱相對較小，因此佛堂溫度始終低於其他兩個房間。《四川省被動式太陽能建築設計規範》要求被動式太陽能建築室內最低溫度不得低於12℃，直接受益式方案中各個房間室內溫度有近15個小時低於這一限值，因此直接受益式方案提升自然室溫的能力十分有限。

圖9 附加日光間方案

附加日光間方案中，日光間在白天溫度迅速上升，此時向室內傳熱有兩種途徑，一種是陽光穿過日光間直接射入室內，另一種是透過空氣對流將熱量帶到室內。這些熱量有效地提高了佛堂及起居室的溫度；在夜晚，日光間溫度雖然降低，但仍高於室外氣溫，可以避免室內房間直接與外界低溫環境換熱，具有很好的保溫效果。

圖10綜合式

對照附加日光間方案，當臥室增設特隆布牆後，房間日較差由5。4℃減少至1。6℃，房間溫度更加穩定。此外，附加日光間方案下，臥室上午9點開始升溫，17時溫度達到最大值後開始明顯下降，最低溫度為11。7℃。而設定特隆布牆系統後，臥室溫升時段推遲14時至23時，此後溫度才逐漸減小，最低溫度為13。9℃。很明顯，特隆布牆系統更符合臥室的使用特點，有助於提升夜晚房間的熱舒適度。三個方案下各房間供暖季節平均溫溼度及最低溫度如表3所示：

表3建築室內供暖季節溫溼度

從表中可以看出，三種方案對房間平均溫度的提升效果從大到小依次為附加日光間式、綜合式、直接受益式。從最低溫度角度考慮，僅綜合式方案滿足《四川省被動式太陽能建築設計規範》中冬季室內最低溫度不得低於12℃的要求。

附加日光間系統和集熱蓄熱牆系統提升室內平均溫度以及最低溫度的效果較直接受益式系統更加明顯。

直接受益式系統中，室內溫度從最低值升至最高值僅需要10小時，升溫速度優於其他集熱方式。但從圖8中可以看出，直接受益式系統晝夜溫差大，最高達到6。7℃，因此更適合白天使用的房間。

4.4 供暖負荷模擬結果分析

4.4.1 空調作息及溫度設定

空調作息方面，主臥室和起居室可以選擇預設的啟停時間。佛堂則按照使用特點，將空調開啟時間確定在7時至9時以及17時至19時。

空調溫度設定方面，根據《四川省被動式太陽能建築設計規範》以及《四川省居住建築節能標準》，原建築、直接受益式方案的空調容忍溫度下限設為12℃，空調溫度下限設為16℃。結合熱環境模擬的結果，由於日光間方案及綜合式方案的最低溫度基本在12℃以上，因此這兩種方案的空調容忍溫度下限調整為16℃，空調溫度下限調整為18℃。除此之外，人員、裝置、燈光及通風的設定與模擬熱環境時相同。

4.4.2模擬結果分析

原建築與三種集熱方式的全年累計負荷如表4所示。

表4各方案全年累計負荷

由於直接受益方案與附加日光間方案在模擬時空調的設定溫度不同，因此附加日光間方案中臥室累計供暖負荷升高。但結合起居室與佛堂來看，雖然附加日光間方案的空調設定溫度上升，但與直接受益式方案相比，佛堂、起居室的累計供暖負荷仍大幅減少，這說明日光間可以有效減少相鄰房間的供暖負荷。

從建築的累計負荷來看，直接受益式、附加日光間式、綜合式的累計負荷較原建築減少的比例分別為81%、85%、96%。根據《被動式低能耗居住建築設計規範》，冬季供暖單位面積累計熱負荷不應超過15kwh/㎡，在所有的設計方案中，只有綜合式系統滿足相應要求。

五、建築全生命週期能耗經濟性分析

建築全生命週期能耗有多種分類方法，國內通常將總能耗分為建材生產能耗、運輸能耗、施工能耗、執行能耗、改造維修能耗、拆除能耗六類［8］。其中建築改造維修能耗可以分解到建材生產能耗、運輸能耗當中。從建築生命週期的角度來看，所有能耗可以歸納為三部分：建築建造階段能耗，建築執行能耗，建築拆除能耗。

參照文獻對全生命週期能耗的計算方法，四種方案在建築壽命為50年時的全生命週期能耗如下表所示：

表5各方案全生命週期能耗

計算出建築全生命週期能耗後，可以透過折算常規能源價格來計算建築全生命週期的成本。計算常規能源價格時，標準煤煤炭價格通常取1。4元/kg，熱效率取60%，結合其發熱量，常規能源價格為0。28元/kwh。透過計算，四種方案的初投資、總成本、運營成本如下圖所示：

圖11投資成本對比

從圖中可以看出，採用的集熱方式越多，初投資也就越高。對比四種方案，雖然從能耗角度考慮綜合式最為經濟，但由於在實際施工過程中，還存在很多不可預估的費用，實際初投資可能與估算有出入，因此在選擇方案時應結合市場成本綜合考慮。

六、結論

透過以上模擬及分析，針對壤塘縣氣候及民宿建築特點可以得出以下結論：

1）川西地區近零能耗建築的被動式設計應以被動式太陽能技術為主。

以壤塘縣為代表的川西地區普遍具有氣候寒冷，太陽能資源豐富，經濟條件相對落後的特點。在這一地區採用被動式太陽能技術不僅能夠有效減少冬季供暖負荷，為進一步實現近零能耗的目標奠定基礎，而且也能夠減少當地化石能源的使用，保護生態環境。

2）採用被動式太陽能技術供暖時應考慮採取配套的加溼措施。

《被動式低能耗居住建築節能設計標準》中要求被動式低能耗建築室內相對溼度應在35%~65%這一範圍內，而三種設計方案在供暖季節室內相對溼度均低於35%，因此有必要在供暖季節設定配套的加溼裝置。同時，在分析被動式設計的節能效果時，加溼所消耗的能源也應計算在內。

3）附加日光間系統在川西地區節能潛力最大。

在使用附加日光間後，相鄰起居室、佛堂的最低溫度分別上升了4℃和5。5℃，同時透過房間互通風，臥室最低溫度同樣有所上升。

當空調容忍溫度下限始終保持12℃時，附加日光間系統可以極大的縮短空調的執行時間，降低供暖能耗，累計熱負荷減少的比例遠大於85%。雖然集熱蓄熱牆系統同樣可以減少供暖能耗，但該系統影響房間光照，只適用於夜間使用的房間，應用範圍不如附加日光間系統。

4）在進一步提高室內溫度要求的情況下，不建議單獨採用附加日光間系統。

結合附加日光間系統的經濟性分析可以看出，雖然日光間節能潛力大，但建造成本也較高。隨著室內設定溫度的上升，與日光間不相鄰的房間供暖負荷將大幅增加，整體節能量受限。當建築面積進一步增大，房間增多時，附加日光間系統覆蓋範圍有限、成本高的侷限性將更加明顯。

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