建筑設(shè)計(jì)中被動(dòng)式節(jié)能的運(yùn)用
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【摘要】文章對(duì)被動(dòng)式節(jié)能建筑所運(yùn)用到的關(guān)于風(fēng)能方面、太陽(yáng)能方面和其他外墻與屋頂?shù)谋粍?dòng)式節(jié)能方式進(jìn)行介紹，以期對(duì)被動(dòng)式節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)有更加全面的了解。
【關(guān)鍵詞】節(jié)能設(shè)計(jì)；被動(dòng)式節(jié)能；風(fēng)能利用；太陽(yáng)能利用
1引言
在我國(guó)的能源消耗中有超過(guò)一半的能源用于建筑的建造、使用和維護(hù)[1]。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，越來(lái)越多的人為了追求更好的室內(nèi)舒適度，開(kāi)始大量安裝和使用空調(diào)設(shè)備、鋪設(shè)和使用供暖設(shè)備和熱水器等電子產(chǎn)品。而另一方面，大量的能源消耗所帶來(lái)的資源枯竭、環(huán)境污染等問(wèn)題。由此開(kāi)始提倡了要采取被動(dòng)式節(jié)能的方法來(lái)降低建筑的能耗。而風(fēng)能和太陽(yáng)能作為最原始、最基本的方式在控制室內(nèi)氣候方面發(fā)揮著重要作用。
2被動(dòng)式建筑
1963年，VictorOlgyay出版了《設(shè)計(jì)結(jié)合氣候》一書(shū)，提出了應(yīng)從氣候條件對(duì)人體舒適度的影響出發(fā)，采取被動(dòng)的方法，最大限度地利用可再生能源，降低建筑的運(yùn)行能耗。被動(dòng)式建筑節(jié)能的原則是不依賴(lài)外部能源，通過(guò)周?chē)h(huán)境的布置、建筑朝向、內(nèi)部空間的巧妙設(shè)計(jì)，建筑材料的使用以及幾種非常規(guī)能源（風(fēng)、水、太陽(yáng)等）收集和使用裝置的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到優(yōu)化采光、通風(fēng)、冬季取暖和夏季制冷的效果。往往體現(xiàn)出投資低、技術(shù)水平低的傾向[2,3]。
3風(fēng)能利用
自然通風(fēng)是當(dāng)今節(jié)能建筑中被廣泛使用的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，也是室內(nèi)空氣優(yōu)化的最基本方式之一。它是主動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，如空調(diào)和機(jī)械通風(fēng)等的替代品。自然通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)是它不消耗能源和可以帶來(lái)新鮮空氣，這對(duì)在室內(nèi)居住和長(zhǎng)時(shí)間工作的人們的健康非常有益。雖然使用機(jī)械設(shè)備可以保持室內(nèi)干凈，但空調(diào)產(chǎn)生的內(nèi)部循環(huán)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(fēng)系統(tǒng)來(lái)改善惡劣的室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)，降低能源消耗。
3.1熱壓通風(fēng)
熱壓通風(fēng)是利用空氣受熱膨脹變輕的原理。溫差導(dǎo)致壓差。壓差是由建筑物內(nèi)部的熱的空氣柱與建筑物外部環(huán)境溫度以及熱風(fēng)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(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)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(jìn)入的現(xiàn)象是“煙囪效應(yīng)”。同時(shí)，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(jìn)入，完成了室內(nèi)空氣的交換。也可利用熱回收通風(fēng)裝置回收渾濁空氣的熱能，進(jìn)一步的節(jié)能。這是一種可持續(xù)的、穩(wěn)定的換氣通風(fēng)方式。實(shí)現(xiàn)煙囪通風(fēng)有兩種不同的策略。第一個(gè)假設(shè)建筑內(nèi)部溫度相同，要求內(nèi)部溫度高于外部溫度的情況。第二種策略是將建筑內(nèi)的使用區(qū)保持在室外溫度以下，例如通過(guò)夜間通風(fēng)降低室內(nèi)溫度，并僅依靠浮力效應(yīng)通風(fēng)。當(dāng)溫差變化不足以引起熱壓通風(fēng)時(shí)，可以結(jié)合機(jī)械設(shè)備通過(guò)升溫的方式輔助熱壓通風(fēng)和通過(guò)降溫的方式輔助熱壓通風(fēng)，前者是指利用用電設(shè)備加熱或太陽(yáng)能加熱的方法，使建筑內(nèi)局部的空氣升溫，形成整體的溫度差，從而促進(jìn)空氣流動(dòng)并增強(qiáng)通風(fēng)效果；后者與前者方法相同，利用雨水或地下水循環(huán)或空調(diào)降 溫的方式實(shí)現(xiàn)溫度差的變化，從而得到良好的被動(dòng)通風(fēng)效果。
3.2風(fēng)壓通風(fēng)
風(fēng)壓通風(fēng)是指風(fēng)在建筑外部繞行的時(shí)候產(chǎn)生風(fēng)壓差。風(fēng)通過(guò)建筑物時(shí)，迎風(fēng)面產(chǎn)生的壓力為正(向內(nèi))，背風(fēng)面產(chǎn)生的壓力為負(fù)（見(jiàn)圖1）。因此，建筑物在整個(gè)區(qū)域產(chǎn)生壓力差，從而驅(qū)動(dòng)交叉通風(fēng)，這就是常說(shuō)的“穿堂風(fēng)”。但這種方式相對(duì)于熱壓通風(fēng)不太穩(wěn)定，容易造成短時(shí)間內(nèi)的大量通風(fēng)。風(fēng)壓通風(fēng)不僅受建筑形體的因素影響，而且不同時(shí)間、不同環(huán)境對(duì)其的影響也大。為了減小這些影響，可以控制空間的進(jìn)深和高度；在建筑上加入適當(dāng)?shù)臉?gòu)件引導(dǎo)風(fēng)向；選擇合適的開(kāi)窗位置來(lái)增加壓力差；在通風(fēng)空間盡可能少的布置障礙物。
3.3通風(fēng)方式
不同的開(kāi)窗位置會(huì)形成不同的通風(fēng)方式，總體分為交叉通風(fēng)、單面通風(fēng)和中庭通風(fēng)。當(dāng)入口和出口位于建筑物或空間的相對(duì)外墻上，并在兩者之間設(shè)計(jì)一條清晰的流動(dòng)路徑時(shí)，就會(huì)發(fā)生交叉通風(fēng)。交叉通風(fēng)策略的流動(dòng)路徑需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)為連續(xù)的空間。路徑上最小的開(kāi)口決定了換氣速率。交叉通風(fēng)常和中庭的煙囪通風(fēng)結(jié)合使用（見(jiàn)圖2），可以增加建筑的進(jìn)深。單側(cè)通風(fēng)是風(fēng)通過(guò)一個(gè)大開(kāi)口進(jìn)入和離開(kāi)，或者通過(guò)空間同一側(cè)上間隔開(kāi)的兩個(gè)開(kāi)口進(jìn)入和離開(kāi)的情況。單側(cè)通風(fēng)是最不集中的自然通風(fēng)策略，它可以在建筑的不同部分獨(dú)立運(yùn)行。單側(cè)通風(fēng)通常比交叉通風(fēng)通風(fēng)率低，且只能進(jìn)入到有限的空間距離。通風(fēng)方式在建筑中能否充分發(fā)揮作用則影響到 整個(gè)建筑的節(jié)能效果。不同的氣候區(qū)都有一定的規(guī)律，可以通過(guò)分析外部的風(fēng)環(huán)境條件和建筑本身的外形作為根據(jù)，來(lái)設(shè)計(jì)建筑內(nèi)部的不同區(qū)域應(yīng)該采用熱壓通風(fēng)或風(fēng)壓通風(fēng)、選擇不同的通風(fēng)方式。風(fēng)作為一種資源，無(wú)論是大小還是方向都不穩(wěn)定。因此，建筑物上的壓力場(chǎng)不斷變化，并且很難預(yù)測(cè)風(fēng)壓通風(fēng)策略的準(zhǔn)確換風(fēng)量?？梢越柚嚓P(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)分析并模擬風(fēng)場(chǎng)變化，從而來(lái)驗(yàn)證或調(diào)整建筑上的節(jié)能策略。
4太陽(yáng)能利用
作為歷史悠久的能源——太陽(yáng)能源，自古人們就對(duì)它加以利用。比如，在建筑上開(kāi)窗，將陽(yáng)光引入屋內(nèi)照明；利用大面積透光屋頂，通過(guò)陽(yáng)光直射，升高室內(nèi)溫度等方式。隨著無(wú)污染能源的發(fā)展，出現(xiàn)了利用光能源轉(zhuǎn)化為熱能的太陽(yáng)能熱水器、轉(zhuǎn)化為電能的光伏板。這就將應(yīng)用在節(jié)能建筑上的太陽(yáng)能利用分為兩種：一種為主動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)，另一種為被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)。
4.1主動(dòng)式太陽(yáng)能利用
主動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)是通過(guò)技術(shù)手段（如：太陽(yáng)能板）對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行收集并儲(chǔ)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(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)不受地域環(huán)境的限制，只要滿(mǎn)足陽(yáng)光照射就可以使用，但其關(guān)于機(jī)械設(shè)備的前期投入巨大，在設(shè)備成本無(wú)法降低的現(xiàn)今，不適用大范圍的使用。
4.2被動(dòng)式太陽(yáng)能利用
與使用太陽(yáng)能光伏板不同，被動(dòng)式太陽(yáng)能板依賴(lài)于設(shè)計(jì)師的巧妙建筑設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的利用。被動(dòng)式太陽(yáng)能的利用受地域環(huán)境限制，但有技術(shù)含量低、前期投入少的特點(diǎn)，有利于普及和推廣。被動(dòng)式太陽(yáng)能有以下幾種方式。
4.2.1直接受益的方式通過(guò)采光口和反光板的合理設(shè)計(jì)提高窗地比，可以讓更多的光線(xiàn)進(jìn)入室內(nèi)，不僅利于增加建筑進(jìn)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(yáng)光直射的時(shí)間段儲(chǔ)存大量的太陽(yáng)能，在無(wú)直射的時(shí)間段，如夜晚時(shí)段緩慢放熱，為建筑室內(nèi)升溫。
4.2.2蓄熱墻體蓄熱墻體是將向陽(yáng)墻面做成雙層墻，內(nèi)側(cè)厚重實(shí)墻，外層設(shè)玻璃幕墻（上、下留洞口），兩者之間為空氣間層。內(nèi)墻向外側(cè)涂黑并安有遮陽(yáng)板，墻上在合適位置留出采光洞口，在內(nèi)側(cè)墻面的上、下留洞口。冬季時(shí)，外層玻璃幕墻洞口關(guān)閉，一是可通過(guò)陽(yáng)光直射內(nèi)墻面吸熱，并通過(guò)緩慢放熱，為室內(nèi)升溫；二是可以通過(guò)室內(nèi)的冷空氣從下洞口進(jìn)入空氣間層區(qū)，受直射陽(yáng)光和內(nèi)墻散熱升溫，再經(jīng)由上部洞口進(jìn)入室內(nèi)，形成空氣循環(huán)。夏季時(shí)，內(nèi)墻和玻璃幕墻上的洞口均開(kāi)啟并拉下內(nèi)墻遮陽(yáng)板，通過(guò)陽(yáng)光直射加熱間層空氣，熱空氣上升排出，由此形成通風(fēng)對(duì)流。
4.2.3附加日光間在建筑南側(cè)的灰空間(如：陽(yáng)臺(tái)、廊到、門(mén)廳等)加蓋透明玻璃房間成為陽(yáng)光間，其中設(shè)置一定的蓄熱體（如：涂黑墻面、水墻等）。在冬季，太陽(yáng)輻射的作用下，陽(yáng)光間迅速升溫，一部分由蓄熱體貯存，一部分則通過(guò)窗洞進(jìn)入室內(nèi)，由此提高室內(nèi)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(yáng)設(shè)施。
5其他外墻與屋頂?shù)谋粍?dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)
外墻的被動(dòng)式節(jié)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(lái)達(dá)到保溫隔熱的作用，這種方式應(yīng)注意墻面防水。其次利用植物進(jìn)行隔熱，如采用攀爬或纏繞類(lèi)的植物覆蓋在外墻面上。植物的最佳選擇是落葉類(lèi)，既可以夏季遮陽(yáng)，也可以在冬季讓外墻吸收熱能[3]。同時(shí)可選擇深色墻面加強(qiáng)吸收熱能的效果。此外，可以用百葉或折板代替植被，通過(guò)手動(dòng)控制來(lái)達(dá)到遮陽(yáng)和墻體吸熱的不同效果轉(zhuǎn)換。屋頂是建筑接收陽(yáng)光直射最長(zhǎng)時(shí)間的部分。傳統(tǒng)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(jié)能的。最好的辦法是用植被或水覆蓋，以達(dá)到白天遮陽(yáng)儲(chǔ)存熱能夜晚放熱保溫的效果。若條件允許建造一個(gè)屋頂花園，包含可以集結(jié)雨水的蓄水池和植物景觀(guān)，可利用蓄水池的水來(lái)澆灌植被，同時(shí)具有美化環(huán)境的效果。
6結(jié)語(yǔ)
隨著21世紀(jì)以來(lái)的能源危機(jī)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到其嚴(yán)重性，并對(duì)建筑的節(jié)能降耗要求有增無(wú)減。節(jié)能建筑逐步發(fā)展，分化了主動(dòng)式節(jié)能和被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同類(lèi)型的建筑。被動(dòng)式建筑需要考慮技術(shù)的支持和能源消耗標(biāo)準(zhǔn)，以及生態(tài)，功能和美學(xué)各個(gè)方面。也受到建筑物的地理位置以及周?chē)沫h(huán)境條件和資金的約束。建筑師要把握建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)理念，在盡可能不使用設(shè)備的情況下，設(shè)計(jì)出適宜居住、環(huán)境友好的建筑。這是對(duì)建筑設(shè)計(jì)師的一個(gè)考驗(yàn)。也是以建筑師為主導(dǎo)，可以把節(jié)能理念更好的貫徹在建筑中。
參考文獻(xiàn)
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作者：任梓寧 單位：沈陽(yáng)建筑大學(xué)
