建筑设计中被动式节能的运用

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【摘要】文章对被动式节能建筑所运用到的关于风能方面、太阳能方面和其他外墙与屋顶的被动式节能方式进行介绍，以期对被动式节能建筑的设计有更加全面的了解。

【关键词】节能设计；被动式节能；风能利用；太阳能利用

1引言

在我国的能源消耗中有超过一半的能源用于建筑的建造、使用和维护[1]。随着社会的进步和发展，越来越多的人为了追求更好的室内舒适度，开始大量安装和使用空调设备、铺设和使用供暖设备和热水器等电子产品。而另一方面，大量的能源消耗所带来的资源枯竭、环境污染等问题。由此开始提倡了要采取被动式节能的方法来降低建筑的能耗。而风能和太阳能作为最原始、最基本的方式在控制室内气候方面发挥着重要作用。

2被动式建筑

1963年，VictorOlgyay出版了《设计结合气候》一书，提出了应从气候条件对人体舒适度的影响出发，采取被动的方法，最大限度地利用可再生能源，降低建筑的运行能耗。被动式建筑节能的原则是不依赖外部能源，通过周围环境的布置、建筑朝向、内部空间的巧妙设计，建筑材料的使用以及几种非常规能源（风、水、太阳等）收集和使用装置的设计来达到优化采光、通风、冬季取暖和夏季制冷的效果。往往体现出投资低、技术水平低的倾向[2,3]。

3风能利用

自然通风是当今节能建筑中被广泛使用的被动式节能技术，也是室内空气优化的最基本方式之一。它是主动通风系统，如空调和机械通风等的替代品。自然通风的优点是它不消耗能源和可以带来新鲜空气，这对在室内居住和长时间工作的人们的健康非常有益。虽然使用机械设备可以保持室内干净，但空调产生的内部循环的恒温的空气是浑浊的，这是不宜于生理和心理健康。所以我们有必要在使用自然通风系统来改善恶劣的室内环境的同时，降低能源消耗。

3.1热压通风

热压通风是利用空气受热膨胀变轻的原理。温差导致压差。压差是由建筑物内部的热的空气柱与建筑物外部环境温度以及热风柱高度的温差引起的。空气柱顶部的压差越大，空气柱底部和空间内的空气运动越剧烈。这种空气从建筑物的空气柱顶端出去，又从建筑物的空气柱底端的进入的现象是“烟囱效应”。同时，浑浊的温度较高的空气从上方排出，新鲜的、温度较低的空气从下方进入，完成了室内空气的交换。也可利用热回收通风装置回收浑浊空气的热能，进一步的节能。这是一种可持续的、稳定的换气通风方式。实现烟囱通风有两种不同的策略。第一个假设建筑内部温度相同，要求内部温度高于外部温度的情况。第二种策略是将建筑内的使用区保持在室外温度以下，例如通过夜间通风降低室内温度，并仅依靠浮力效应通风。当温差变化不足以引起热压通风时，可以结合机械设备通过升温的方式辅助热压通风和通过降温的方式辅助热压通风，前者是指利用用电设备加热或太阳能加热的方法，使建筑内局部的空气升温，形成整体的温度差，从而促进空气流动并增强通风效果；后者与前者方法相同，利用雨水或地下水循环或空调降 温的方式实现温度差的变化，从而得到良好的被动通风效果。

3.2风压通风

风压通风是指风在建筑外部绕行的时候产生风压差。风通过建筑物时，迎风面产生的压力为正(向内)，背风面产生的压力为负（见图1）。因此，建筑物在整个区域产生压力差，从而驱动交叉通风，这就是常说的“穿堂风”。但这种方式相对于热压通风不太稳定，容易造成短时间内的大量通风。风压通风不仅受建筑形体的因素影响，而且不同时间、不同环境对其的影响也大。为了减小这些影响，可以控制空间的进深和高度；在建筑上加入适当的构件引导风向；选择合适的开窗位置来增加压力差；在通风空间尽可能少的布置障碍物。

3.3通风方式

不同的开窗位置会形成不同的通风方式，总体分为交叉通风、单面通风和中庭通风。当入口和出口位于建筑物或空间的相对外墙上，并在两者之间设计一条清晰的流动路径时，就会发生交叉通风。交叉通风策略的流动路径需要适当的设计为连续的空间。路径上最小的开口决定了换气速率。交叉通风常和中庭的烟囱通风结合使用（见图2），可以增加建筑的进深。单侧通风是风通过一个大开口进入和离开，或者通过空间同一侧上间隔开的两个开口进入和离开的情况。单侧通风是最不集中的自然通风策略，它可以在建筑的不同部分独立运行。单侧通风通常比交叉通风通风率低，且只能进入到有限的空间距离。通风方式在建筑中能否充分发挥作用则影响到 整个建筑的节能效果。不同的气候区都有一定的规律，可以通过分析外部的风环境条件和建筑本身的外形作为根据，来设计建筑内部的不同区域应该采用热压通风或风压通风、选择不同的通风方式。风作为一种资源，无论是大小还是方向都不稳定。因此，建筑物上的压力场不断变化，并且很难预测风压通风策略的准确换风量。可以借助相关计算机技术来分析并模拟风场变化，从而来验证或调整建筑上的节能策略。

4太阳能利用

作为历史悠久的能源——太阳能源，自古人们就对它加以利用。比如，在建筑上开窗，将阳光引入屋内照明；利用大面积透光屋顶，通过阳光直射，升高室内温度等方式。随着无污染能源的发展，出现了利用光能源转化为热能的太阳能热水器、转化为电能的光伏板。这就将应用在节能建筑上的太阳能利用分为两种：一种为主动式太阳能技术，另一种为被动式太阳能技术。

4.1主动式太阳能利用

主动太阳能技术是通过技术手段（如：太阳能板）对太阳能进行收集并储存，为建筑提供能源，所提供的能源可以是热能也可以是电能。为建筑提供热水、温暖的空气、额外的电力。主动式太阳能技术不受地域环境的限制，只要满足阳光照射就可以使用，但其关于机械设备的前期投入巨大，在设备成本无法降低的现今，不适用大范围的使用。

4.2被动式太阳能利用

与使用太阳能光伏板不同，被动式太阳能板依赖于设计师的巧妙建筑设计和构造设计，来实现太阳能的利用。被动式太阳能的利用受地域环境限制，但有技术含量低、前期投入少的特点，有利于普及和推广。被动式太阳能有以下几种方式。

4.2.1直接受益的方式通过采光口和反光板的合理设计提高窗地比，可以让更多的光线进入室内，不仅利于增加建筑进深，提高建筑的使用率还可以提高建筑的采暖和采光。外墙采用的蓄热材料（如：混凝土、砖、夯土等）可以在白天阳光直射的时间段储存大量的太阳能，在无直射的时间段，如夜晚时段缓慢放热，为建筑室内升温。

4.2.2蓄热墙体蓄热墙体是将向阳墙面做成双层墙，内侧厚重实墙，外层设玻璃幕墙（上、下留洞口），两者之间为空气间层。内墙向外侧涂黑并安有遮阳板，墙上在合适位置留出采光洞口，在内侧墙面的上、下留洞口。冬季时，外层玻璃幕墙洞口关闭，一是可通过阳光直射内墙面吸热，并通过缓慢放热，为室内升温；二是可以通过室内的冷空气从下洞口进入空气间层区，受直射阳光和内墙散热升温，再经由上部洞口进入室内，形成空气循环。夏季时，内墙和玻璃幕墙上的洞口均开启并拉下内墙遮阳板，通过阳光直射加热间层空气，热空气上升排出，由此形成通风对流。

4.2.3附加日光间在建筑南侧的灰空间(如：阳台、廊到、门厅等)加盖透明玻璃房间成为阳光间，其中设置一定的蓄热体（如：涂黑墙面、水墙等）。在冬季，太阳辐射的作用下，阳光间迅速升温，一部分由蓄热体贮存，一部分则通过窗洞进入室内，由此提高室内的温度。也可在该空间种植，作为花房使用。但在夏季需要有遮阳设施。

5其他外墙与屋顶的被动式节能设计

外墙的被动式节能的基本原理是注意夏季隔热和冬季保温。通常有几种方法，首先是覆土的建筑形式，利用土壤包裹墙壁来达到保温隔热的作用，这种方式应注意墙面防水。其次利用植物进行隔热，如采用攀爬或缠绕类的植物覆盖在外墙面上。植物的最佳选择是落叶类，既可以夏季遮阳，也可以在冬季让外墙吸收热能[3]。同时可选择深色墙面加强吸收热能的效果。此外，可以用百叶或折板代替植被，通过手动控制来达到遮阳和墙体吸热的不同效果转换。屋顶是建筑接收阳光直射最长时间的部分。传统的方法是使用保温材料或者使用盖板架空，建立隔热层。然而，这种方法并不是最节能的。最好的办法是用植被或水覆盖，以达到白天遮阳储存热能夜晚放热保温的效果。若条件允许建造一个屋顶花园，包含可以集结雨水的蓄水池和植物景观，可利用蓄水池的水来浇灌植被，同时具有美化环境的效果。

6结语

随着21世纪以来的能源危机，人们逐渐认识到其严重性，并对建筑的节能降耗要求有增无减。节能建筑逐步发展，分化了主动式节能和被动式节能设计，以适应不同类型的建筑。被动式建筑需要考虑技术的支持和能源消耗标准，以及生态，功能和美学各个方面。也受到建筑物的地理位置以及周围的环境条件和资金的约束。建筑师要把握建筑节能的设计理念，在尽可能不使用设备的情况下，设计出适宜居住、环境友好的建筑。这是对建筑设计师的一个考验。也是以建筑师为主导，可以把节能理念更好的贯彻在建筑中。

参考文献

[1]陈华晋，李宝骏，董志峰.浅谈建筑被动式节能设计[J].建筑节能，2007(3):29-31.

[2]宋琪，杨柳，印保刚.为适应气候而建造:被动式建筑[J].华中建筑，2014，32(4):11-15.

[3]庄碧贤.建筑设计中被动式节能的探讨[J].建材技术与应用，2010(4):13-15.

作者：任梓宁 单位：沈阳建筑大学