詹長鵬

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司，江西 南昌）

引言

被動式超低能耗建筑是新型建筑，該建筑模式可以利用可再生能源，為用戶提供舒適室內(nèi)環(huán)境，減少建筑能耗，在低碳社會發(fā)展過程中，被動式超低能耗建筑受到建筑行業(yè)的廣泛歡迎。因此，研究此項(xiàng)課題，具有十分重要的意義。

1 辦公樓的規(guī)劃布局

1.1 環(huán)境條件分析

在開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)工作中，為了盡可能提升建筑周邊環(huán)境因素的利用質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員需要在明確辦公樓具體需要的基礎(chǔ)上，對建筑周圍氣候大環(huán)境與室內(nèi)外環(huán)境情況進(jìn)行詳細(xì)的分析。具體來說，氣候環(huán)境因素是辦公樓設(shè)計(jì)中的一個核心性因素，在我國南北方地區(qū)氣候差異較為明顯[1-2]。南方地區(qū)夏季氣溫較高，辦公樓對于室內(nèi)供冷有著較為強(qiáng)烈的需求，北方地區(qū)冬季氣溫較低，辦公樓對于建筑內(nèi)部暖氣供應(yīng)條件有著較高的要求，因此在開展被動式超低能耗辦公樓建筑設(shè)計(jì)工作時(shí)設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合辦公樓所在地區(qū)的區(qū)域大環(huán)境選擇合適的設(shè)計(jì)技術(shù)，提升辦公樓的使用舒適性。其中，被動式超低能耗建筑通過供暖系統(tǒng)，可保證冬季室內(nèi)溫度不超過20 ℃，在過渡季節(jié)，利用高性能外墻和外窗遮陽系統(tǒng)，確保室內(nèi)溫度保持在合理的區(qū)間內(nèi)，具體為26 ℃以下。在夏季，若外界氣溫和濕度條件較差，主動供冷系統(tǒng)即可自動運(yùn)行，使室內(nèi)溫度始終保持在26 ℃左右，且濕度不超過60%。

1.2 自然能源利用

在被動式超低能耗辦公樓設(shè)計(jì)工作中，合理應(yīng)用自然能源代替常規(guī)能源是有效降低辦公樓整體應(yīng)用能耗的重要舉措，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員可以在明確辦公樓能耗需求的基礎(chǔ)上，綜合利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿饶茉?，減少建筑在投入使用后對傳統(tǒng)能源的需求，提升建筑的節(jié)能環(huán)保水平。舉例來說，太陽能是一種清潔可再生的能源，在辦公樓設(shè)計(jì)工作過程中，設(shè)計(jì)人員可以通過在建筑頂部設(shè)置太陽能熱水器或太陽能電池板的方式，為辦公樓提供熱水、電能的補(bǔ)充，在滿足建筑對于相應(yīng)資源使用需求的同時(shí)，減少熱水、電能供應(yīng)產(chǎn)生的能耗。比如：在設(shè)計(jì)過程中，可以按照公式對圍護(hù)結(jié)構(gòu)主斷面的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。并在此基礎(chǔ)上，明確自然能源的利用成效。該公式如下：

式中，αn表示內(nèi)表面換熱系數(shù)，其取值為8.6；αw表示外表面換熱系數(shù)；R 表示各類材料層的熱阻；δ 表示各類材料層的厚度；λ 表示各類材料導(dǎo)入系數(shù)；β表示導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)。

1.3 建筑朝向控制

在建筑朝向設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員可以在明確當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件的基礎(chǔ)上，通過盡可能控制建筑朝向?yàn)槟媳背虻姆绞?，滿足建筑對于自然通風(fēng)采光需要，降低采光、通風(fēng)產(chǎn)生的能耗。同時(shí)盡管近年來隨著人們審美要求的不斷提升，建筑工程的外形設(shè)計(jì)越發(fā)多樣，但是在開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)工作時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要對辦公樓的具體應(yīng)用要求進(jìn)行分析。計(jì)算公式如下：

式中，SD 表示外遮陽系數(shù)；x 表示外遮陽特征；a、b 表示擬合系數(shù)；A、B 表示外遮陽的構(gòu)造定形尺寸。

嚴(yán)禁為了追求建筑立面變化而一味采用復(fù)雜設(shè)計(jì)的情況。舉例來說，某裝配式辦公樓在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員秉承被動優(yōu)先，主動優(yōu)化的綠色建筑節(jié)能原則，在明確該建筑所在氣候區(qū)條件的情況下，通過合理應(yīng)用太陽房建筑蓄熱等被動式技術(shù)的方式，提升自然采光、自然通風(fēng)的利用率，營造健康舒適的室內(nèi)聲、光、熱環(huán)境，有效降低建筑的能耗。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，該建筑工程的平面設(shè)計(jì)采用紅線，設(shè)計(jì)方法是控制建筑朝向?yàn)槟掀?5°。同時(shí)，為了滿足室內(nèi)對于自然通風(fēng)、自然采光的需要，設(shè)計(jì)人員在建筑內(nèi)部設(shè)置了中庭，項(xiàng)目形體系數(shù)為0.393，窗墻面積比如表1 所示。

表1 建筑窗墻面積比

2 辦公樓本身構(gòu)造

對當(dāng)前的被動式超低能耗建筑進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，建筑普遍有著良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的密封性、無熱橋、被動式門窗、新風(fēng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)熱回收等效果。在當(dāng)前的辦公樓設(shè)計(jì)工作中，為了保證最終的成品能夠取得相似的效果，設(shè)計(jì)人員需要合理將被動式超低能耗設(shè)計(jì)方法融入到設(shè)計(jì)方案當(dāng)中[3]。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將歷史、人文、建筑特點(diǎn)等內(nèi)容融入到設(shè)計(jì)當(dāng)中，有助于確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有著良好經(jīng)濟(jì)性、適用性的同時(shí)，彰顯當(dāng)?shù)氐牡赜蝻L(fēng)情。在建筑投入使用后，主要借助圍護(hù)結(jié)構(gòu)，抵御外界惡劣的氣候環(huán)境，為人們提供舒適的辦公空間，在開展被動式超低能耗辦公樓設(shè)計(jì)工作時(shí)，為了有效降低建筑內(nèi)部的能耗，提升室內(nèi)空間的舒適性，設(shè)計(jì)人員可以從選擇節(jié)能材料提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)，保溫功能的角度入手，確保辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)的屋面、外墻、地面、非采暖地下室頂板等部分的傳熱系數(shù)均不大于0.15 W/（m2·K），外門傳熱系數(shù)不大于0.8 W/（m2·K）。

2.1.1 墻體設(shè)計(jì)

墻體（如圖1 所示）作為辦公樓建筑的重要組成部分，有著分隔空間、降低室內(nèi)外熱量交換的功能，在開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要提升對墻體設(shè)計(jì)工作的關(guān)注度。一般情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗占建筑總能耗的20%～50%，墻體能耗占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗總量的35%左右，因此在開展墻體設(shè)計(jì)工作時(shí)，為了降低墻體在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的能耗總量，設(shè)計(jì)人員可以通過選擇合適外墻材料，提高墻體隔熱保溫效果的方式，減少墻體在辦公樓投入使用后產(chǎn)生的熱量損失。舉例來說，某辦公樓位于夏熱冬冷地區(qū)，為了提升墻體的保溫隔熱效果，在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，設(shè)計(jì)人員在建筑外墻設(shè)計(jì)采取了外保溫措施，墻體主要由混凝土墻體黏結(jié)砂漿、第一層保溫板、第二層保溫板、抹面膠漿、耐堿玻璃網(wǎng)格布、混凝土保溫砂漿、裝飾面等部分構(gòu)成。這種多層的外保溫墻體結(jié)構(gòu)減緩了建筑室內(nèi)外的溫度交換，在建筑投入使用后有效減少了建筑在溫度調(diào)節(jié)方面產(chǎn)生的能耗，降低了辦公樓整體的運(yùn)營成本[4]。

圖1 墻體

2.1.2 屋面設(shè)計(jì)

在超低能耗建筑設(shè)計(jì)工作中，開展屋面保溫隔熱設(shè)計(jì)，能夠取得與圍護(hù)外墻隔熱設(shè)計(jì)相似的效果，具體來說，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可以通過優(yōu)化屋面熱工性能，提高墻體熱阻，降低其傳熱系數(shù)的方式，為人們提供舒適的辦公環(huán)境。舉例來說，在某建筑屋面層設(shè)計(jì)過程中，為了切實(shí)提升屋面層的保溫性、耐火性與防水性，屋面層主要由鋼筋混凝土屋面板、非固化橡膠防水涂料、擠塑保溫板、聚酯酸改性瀝青防水卷材、聚乙烯膜等材料組成。同時(shí)，為了減少不同材料鋪設(shè)縫隙對建筑屋面保溫性、防水性的影響，在屋面鋪設(shè)過程中還需要應(yīng)用1:3 水泥砂漿對屋面鋪設(shè)的建材進(jìn)行找平處理。

2.1.3 窗戶

窗戶（如圖2 所示）是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，盡管相對于墻體，窗戶在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的占比相對較少，但由于傳統(tǒng)建筑使用的窗戶窗框?yàn)殇X合金、塑鋼等材質(zhì)，窗戶玻璃為普通鋼化玻璃，玻璃間的空氣層間距較小，并且窗框與窗戶之間存在較多間隙，因此在這類建筑中，窗戶產(chǎn)生的能耗約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗總量的50%左右?，F(xiàn)階段為了切實(shí)降低辦公樓建筑的能耗，在開展被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要在合理控制窗戶大小、數(shù)量的基礎(chǔ)上，選擇傳熱系數(shù)較低的窗戶，預(yù)防熱橋現(xiàn)象，提高建筑整體的保溫隔熱性能。

圖2 窗戶

2.2 無熱橋設(shè)計(jì)

對當(dāng)前的辦公樓建筑進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)除了外墻、屋面等結(jié)構(gòu)組成的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生熱量損失外，尖角、穿墻而過的金屬構(gòu)件等部件也存在許多的點(diǎn)狀熱橋，在建筑投入使用后會增大建筑的能耗損失[5]。若在設(shè)計(jì)時(shí)存在必須利用管材穿透圍護(hù)結(jié)構(gòu)，那么在穿透結(jié)構(gòu)區(qū)域附近可以應(yīng)用多孔磚（如圖3 所示）增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穿透阻力，并且應(yīng)用保溫材料完全包裹圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)熱能損失的有效控制。此外，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡量避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在銳角交接的現(xiàn)象，降低熱橋效應(yīng)的產(chǎn)生概率，提升建筑的整體氣密性。

圖3 孔磚

2.3 氣密性設(shè)計(jì)

對建筑工程進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)建筑的采暖能耗會受到建筑親密性的影響，具體來說，在供暖期，若建筑的親密性較差，那么大量室外冷風(fēng)會通過縫隙進(jìn)入到室內(nèi)，在供冷期，若建筑的親密性較差，那么室內(nèi)的冷空氣會順著縫隙流入室外，上述情況，在調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的同時(shí)，會增大建筑內(nèi)部的氣溫調(diào)節(jié)成本，降低人們的使用舒適度。在當(dāng)前的建筑設(shè)計(jì)工作中，為了實(shí)現(xiàn)建筑機(jī)密性的有效管控，設(shè)計(jì)人員需要在明確建筑氣密性原理的基礎(chǔ)上，選擇合適的測試方法實(shí)現(xiàn)建筑氣密性的有效管控。具體來說，當(dāng)前建筑空氣滲透量與壓差之間的關(guān)系為Q=C△P，其中Q 指的是通過風(fēng)機(jī)的空氣流量，單位為m3/h；C 指的是空氣滲透系數(shù);P 指的是圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外壓差，單位為Pa；n 指的是壓差指數(shù)。對建筑內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性對n 的影響較大，為了實(shí)現(xiàn)滲透量與內(nèi)外壓差關(guān)系的線性分析，可以對上述公式進(jìn)行取對數(shù)處理，得到公式InQ=InC+nln△P，通過如表2所示的測試方法，可以得到不同設(shè)定壓差下，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空氣滲透量，進(jìn)而計(jì)算得出建筑在任意氣壓下的滲透量。

表2 氣密性測試方法

考慮到被動式超低能耗建筑對于建筑機(jī)密性的要求較高，因此在開展心理性設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以通過保證建筑外圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅有一個氣密層，緊緊包裹整個建筑采暖空間，減少穿透性問題出現(xiàn)，將隔熱墊片放置在元器件與墻體之間等方式，減少建筑熱橋，提升辦公建筑的節(jié)能效果[6]。

2.4 機(jī)械通風(fēng)

在開展被動式超低能耗辦公樓設(shè)計(jì)工作室，考慮到該建筑為一個封閉的空間，室內(nèi)外氣體交流相對較少，為了在降低建筑能耗的同時(shí)，提升建筑室內(nèi)空氣的新鮮度，設(shè)計(jì)人員可以通過在設(shè)計(jì)過程中設(shè)置超低能耗新風(fēng)冷暖系統(tǒng)，由通風(fēng)系統(tǒng)自動控制室內(nèi)外空氣交換，實(shí)現(xiàn)空氣熱量的高效回收。

結(jié)束語

在當(dāng)前的被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)工作中，為了保證建筑最終施工質(zhì)量能夠滿足預(yù)期的效果，設(shè)計(jì)人員可以在明確節(jié)能環(huán)保理念、應(yīng)用意義的基礎(chǔ)上，通過將節(jié)能環(huán)保技術(shù)融入到設(shè)計(jì)規(guī)劃工作當(dāng)中，并強(qiáng)化建筑設(shè)計(jì)方案保溫效果的方式，為建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升提供保障。