小议建筑被动式节能设计

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  深圳市建筑设计研究总院有限公司 广东深圳 518031
  摘要:21世纪,随着我国的资源消耗问题日益严峻,节能减排是现代社会发展的必然要求,也是现代化发展的重要组成部分,我国现阶段对于被动式节能建筑尚无相关标准或规范,更缺乏可操作执行的适应我国各地域气候特征的判定方法和指标。本文主要针对被动建筑在我国现阶段的应用状况,通过对建筑耗能的来源、种类及特征的研究,对比分析了被动节能技术与主动节能技术的应用方式与作用,说明主动节能技术对于辅助协调被动节能技术实现建筑总体的一次能源消耗量指标和建筑室内环境舒适度参数指标的必要性和可行性。简要介绍了被动建筑中采用的部分主要主动节能技术。
  关键词:设计;被动式节能;技术;建筑自身能量;可再生能源
  1、动式节能设计概念
  一般而言,被动式节能建筑的两个重要判定指标:一个是建筑总体的一次能源消耗量指标,另一个是建筑室内环境的舒适度参数指标。而建筑节能就是指采用特定的技术在建筑周期范围内达到节能目的,在这个过程中涉及到建筑构造、材料的获取和使用、施工现场的操作以及建筑的运行维护。而被动式节能,是指采用非机械电气设备干预手段,对建筑节能技术进行干预。具体表现在对建筑的朝向问题和建筑结构的保温隔热技能方面上的节能设计。建筑的采暖通风和空调的节能降耗都与建筑的朝向相关,所以在进行建筑设计的时候要着重注意这些问题。被动式节能设计方法涵盖到建筑的方方面面,包括建筑朝向、建筑保温、建筑体形、自然通风等设计。被动式设计方法对建筑师要求很高,除了专业能力到位之外,还要建筑师对于建筑环境有充分的了解,要求设计师努力将学科间的限制突破掉,用全新思维来进行建筑的节能设计。随着建筑规模巨大化,要学会运用被动式节能设计,以此获得良好的建筑环境。
  2、建筑自身能量的利用
  2.1被动建筑自身的热损失非常小,对外部能源的依赖也极低
  除了在建造施工过程中及设备安装完毕启动调试过程中所需要的外部能源,被动建筑在建造完成之后便可以不再主动向外需求能源,而是转为可再生能源提供。冬季,主要依靠建筑自身得热满足室内供暖需求,极寒天气热负荷不足部分和夏季供冷负荷需求尽量从可再生能源中获取。建筑自身得热主要来自于室内人体散热、照明、电器、食物、烹饪炉火、太阳辐射以及新风热回收等。这些热量在冬季对实现室内环境参数是有益的,可以减少甚至取消室内热负荷,但在夏季这些室内得热却全部转变成为冷负荷,需要通过自然通风或其他主动技术手段消除。通常,室内热(冷)负荷需求可以通过对热回收后的新风辅助加热(冷却)或通过埋在楼板、墙面内的管道系统进行辐射供暖(供冷)等主动技术来满足。作为对建筑物被动节能技术节能效果的补充和完善,主动节能技术的应用使得建筑室内环境参数可控可调,不仅可以根据房屋使用者的自身习惯和感受进行灵活精确的调节,更增加了室内环境的稳定性,减小了室内外干扰因素的影响,满足以人为本的个性化需求,是现代被动节能建筑区别于仅仅采用原始被动技术建筑的重要特征。
  2.2 主动及被动节能技术合理应用
  通过主动及被动节能技术合理应用,利用可再生能源的替代,被动建筑减少了自身对外部能源的依赖,冬季依靠其自身热量有效降低了供暖热负荷需求,甚至可以取消传统的供暖系统,节省了锅炉房建设费、市政热力管线接入费、园区热力管网埋设费、热计量装置安装或改造费、供暖系统施工安装及日常维护费、供暖季的系统运行费、燃料费、水电治污费、管理人员费等等;并减轻由此产生的各类环境问题,如大量温室气体的排放、有毒有害污染物的排放以及由此产生的雾霾天气等;极大缓解城市夏季空调用电负荷高峰,降低北方供暖季煤炭、天然气等的能源压力。
  3、太阳能及其他可再生能源的利用
  现阶段建筑对太阳能的应用主要包括自然采光、光热转换和光电转换。
  3.1自然采光可分为直接采光和间接采光
  直接采光可以简单理解为太阳光直接透过外窗投射进室内的光线,间接采光则是太阳光经过物体反射后照射进室内的光线。我们这里所说的自然采光是指直接采光的情况。建筑室内采光效果的好坏直接影响人体对室内环境舒适度的感受;建筑良好的自然采光条件,不仅可以使人心情舒畅,而且可以大幅降低日间灯光照明的主动耗能。在白天自然采光条件不足需要补充人工照明时,宜选择接近自然光色温的高色温光源。
  3.2建筑物对太阳能光热转换的利用可简单分为直接得热和间接得热
  (1)直接得热属于被动式的太阳能利用,是一种建筑物直接利用日照的形式。通过对建筑形式及构造的优化设计,合理利用太阳辐射热量来改善建筑物室内热工环境。在北方地区,设计中常将对室内环境要求相对较低的厨房、卫生间、走道、储物间等设置在建筑北侧,而卧室、起居室等对室内环境要求较高的房间则布置在日照较为充足的南侧,并设置封闭阳台作为阳光室,在冬季充分利用阳光辐射得热,并可作为室外环境与室内环境之间的缓冲过渡空间,降低传热能耗并提高居室内环境的舒适度。
  (2)间接得热作为一种主动节能技术,在被动节能建筑中的应用主要指太阳能集热系统,其通常是由太阳能集热器、蓄热设备、循环管路等主要设备部件组成。太阳能集热器常用的有聚焦型集热器(槽式、碟式、塔式)、平板型集热器、真空管集热器以及陶瓷集热器。集热器应根据当地的太阳能资源状况及气候条件等选择适合的形式,保证系统的全年安全稳定运行,选择性价比最优的产品。循环水管路可分为自然循环和机械循环两种。自然循环型,其特点是蓄热水箱置于集热器上方,依靠重力流推动系统循环。机械循环型,蓄热水箱置于集热器下方,利用循环水泵以机械动力使系统内热水强制循环。条件允许的情况下建议使用自然循环型,不仅系统简单、维护方便,而且更加节能可靠。太阳能集热系统可采用自动控制变流量设计,通过设置光伏电池板等太阳辐照感应传感器,实时监测太阳辐照强度并以此控制变频循环水泵改变系统流量;太阳能集热自动控制系统除了需要实现系统正常运行时的调节控制,还要在需要辅热设备时及时切换热源,液体工质还要特别注意防冻和防过热保护措施,保证系统的安全并节能优化运行。   太阳能集热系统主要应用于生活热水系统、供暖系统、空调热水系统等。通过与热泵系统结合使用,利用太阳能热水装置产生的热能推动热泵工作,从而利用更多可再生能源进行加热或制冷,不仅可以为供暖系统或冬季空调系统提供热源,也可以在夏季为空调系统提供冷源。
  3.3太阳能光电转换主要是指太阳能光伏发电
  利用太阳能电池将太阳能转化为电能,整套系统由太阳能电池组、太阳能控制器以及蓄电池组等设备部件组成。太阳能光伏电池板可以作为建筑外墙表面材料与建筑设计结合,敷设在外墙面、屋面,或是作为外遮阳、天窗。当太阳能电池板的铺设面积足够大,太阳能发电装置可以为被动建筑提供其正常运转所需全部电能。
  3.4 除太阳能以外的其他可再生能源
  除太阳能以外的其他可再生能源,包括空气热能、风能、地表浅层土壤热能、地下水热能、地表水热能、河水动能、潮汐能等等。被动节能建筑可以根据所在地域的具体气候特征及水文地质条件等因地制宜的选用适合的可再生能源为自身提供所需能量,减少对外界能源的依赖。热泵系统是现在利用各种热能资源的主要技术手段。在被动建筑中,热泵系统为整个建筑的制冷和供暖供给能量。常用的形式有空气源热泵、地下水地源热泵、地表水地源热泵、地埋管地源热泵。空气源热泵适合于夏热冬冷地区的中小型建筑,有同时供冷、供热需求的情况建议采用热回收式热泵机组。地下水地源热泵、地表水地源热泵、地埋管地源热泵的设置均要特别注意严禁对地下水资源的污染性、破坏性利用,要进行系统的全年动态负荷计算,热泵系统总释热量与总吸热量应平衡,否则应采取相应辅助措施。
  4、可控通风的理念
  被动建筑通常采用两种通风方式,一种是自然通风,一种是新风热回收系统。
  4.1 自然通风的技术古已有之
  我国传统民居中可以随意找出许多结合当地气候特点、生活习惯的自然通风设计建造技术。我们最常见到的也是最简单的室内自然通风设计就是通过开关外窗调节,但被动建筑由于其对室内舒适度参数的稳定性要求,决定了过于依赖室外气候条件、无法进行人为精确调控的自然通风方式难以满足被动建筑的要求。所以我们对于被动建筑中所设计采用的自然通风是一种可控通风,是一种在主动节能技术辅助下的被动节能技术。这种可控主要表现在对于流量、流向、风速、过滤、温度、湿度、噪声等方面。
  自然通风有三种基本方式:风压通风、热压通风、机械辅助自然通风。首先采用被动技术,充分利用风压、热压作用,巧妙设计建筑通风节能构造,并协调遮阳形式对自然通风效果的影响,协调窗墙比与太阳辐射热能利用、自然采光、自然通风之间的影响。然后辅助通风控制系统,设置感应器,采集室外温度、湿度、风向、风速、空气污染程度等信息,采集室内温度、湿度、二氧化碳浓度等信息,结合各项室内环境设定参数,通过控制系统对各处控制机构进行通风调节。
  4.2 被动建筑新风的提供
  在室外气候条件舒适的情况下,应首先考虑并采用自然通风的方式,以排除室内余热及室内污染物,为室内人员提供新鲜空气,调节室内温湿度,当仅采用自然通风无法满足室内新风要求时,诸如污染天气、无风天气、风沙天气、高温高湿或寒冷天气或柳絮花粉等过敏源较多的季节,都不适宜单独采用自然通风。应采用同时设置自然通风及机械新风系统的复合方式,以此降低室内空调负荷并减少机械新风系统运行费用。被动建筑中对新风系统高效热回收装置的应用也是其显著特点之一。系统的显热回收效率要求不低于75%,这就是说经过热回收装置的新风负荷以及排风热损失都同时得到了大幅降低,在冬季大部分时间里被动建筑仅仅依靠自身得热便实现了室内环境温度的稳定。此外,被动建筑采用热泵机组为新风系统提供冷热源,夏季由热泵机组提供新风降温除湿冷源,冬季可以利用热泵加热新风,提高经由热回收装置预热后的新风温度,满足室内热负荷要求,保证室内温度稳定。新风热回收系统常设功能及流程:过滤、预热(预冷、显热回收、加热(冷却)、加湿(除湿)、消声。这样的新风热回收系统为建筑内所有房间提供经过加热加湿或冷却除湿的新风,可根据使用者要求自由调控室内环境温湿度、洁净度及空气新鲜度,降低新风及排风能耗。新风热回收系统设计使用时应确保室内总送排风量的平衡;应定期清洗或更换滤芯,保证送入室内的新风清洁度及换热效率;设备及管道安装采用减震支吊架、消声器等消声降噪措施,避免产生噪声污染。
  4.3 新风热回收系统
  为保证室内空气新鲜度,设置二氧化碳浓度探测器,室内设定值应小于1000ppm,这一数值略高于室外自然空气二氧化碳浓度,当室内实测二氧化碳浓度值高于设定数值一定程度后,自动控制开启送、排风机。而对于电动可开启外窗、自然通风器等自然通风手段,则还需要同时结合室外环境温湿度、污染、风向风速状况等参数控制启闭。对于温湿度独立控制系统,还要设置外窗启闭状态探测器,室内湿度监测报警器等。
  5、围绕着一次能源消耗量评价指标的自动控制系统
  5.1 被动节能建筑的判定
  我国现行节能规范对于节能建筑性能的判定方法是通过在设计过程中对不同气候区的不同性质的建筑物规定其应符合要求的体形系数、窗墙比、遮阳系数、维护结构传热系数、气密性等;当上述系数无法满足限定值时则通过权衡判断来判定其围护结构的总体热工性能是否符合节能标准。在施工阶段则通过对建筑材料、建筑构件的物理性能检测指标来判定其是否为节能建筑。在德国,对于被动节能建筑的判定方法是采用能耗模拟计算软件,将建筑物的各项相关参数输入,计算出建筑物的一次能源消耗量,并将此数值用于校核建筑实际运行中的一次能源消耗量,最终判定其是否为节能建筑。被动建筑采用一次能源消耗量指标而非我国传统节能规范中50%、65%的相对节能指标或建筑物耗热量指标。通过对建筑物的总体能耗的限制,平衡各种节能指标之间此消彼长的问题。
  5.2太阳辐照感应传感器   优良的外窗保温性能及较大的窗墙比为建筑物冬季室内充分利用太阳能辐射热提供了条件,降低了冬季热负荷,然而,封闭且保温的房间内热量难以自然消散,导致夏季空调冷负荷的增加。因此,增加可调节活动建筑外遮阳措施来协调这一矛盾,但我们会发现,夏季制冷能耗降低的同时室内照明能耗却相应增加了。建筑电动外遮阳百叶的调节:被动建筑采用保温与透光性能好的节能窗,夏季,在满足了室内采光要求的前提下,需要采用电动外遮阳百叶将多余的日照隔绝在室外,降低室内空调冷负荷。而冬季则调节百叶,尽量多的将阳光引入室内,降低室内供暖热负荷。太阳辐照感应传感器,可根据实时室外环境参数随时调整,也可根据预设模式自动操作。自动调节百叶位置角度,保证室内得到适度的太阳辐射量。
  5.3合理利用主动节能技术作为被动节能技术的补充和完善
  由于被动建筑冬夏季冷热负荷极低,有时我们需要通过热泵系统来满足室内少量的冷热负荷。需要注意的是,在我们讨论应用何种可再生能源之前,应仔细核算我们采用被动节能手段可以在多大程度上满足需求?热泵系统在全生命周期中的总能耗是否已经大于了其所节省的能耗?避免为了使用可再生能源而使用,认证评估被动节能手段与主动节能手段的切换时机,减少无谓的一次能源消耗。为了避免被动建筑设计与使用过程中应用过多效能较低的节能技术,合理有针对性的采用主动节能技术作为被动节能技术的补充和完善,采用智能建筑物整体一次能源消耗评价系统主动实时采集数据、计算分析,通过系统末端自动控制装置及设备对各被动节能措施根据室内外环境变化要求及时准确的进行监控和调节。
  6、结束语
  综上所述,现阶段我们在被动建筑的规划方案及施工图设计阶段,国内尚无可参照的标准或规范,而国外的技术指标又不能简单的直接套用,逐步总结出适合我国国情的相关规范标准是当务之急。这种情况之下,应避免主动和被动节能技术的不加以选择的堆砌,避免不因地制宜、不加以分析验算的套用节能指标,避免对可再生资源低效甚至无必要的浪费式应用。同时,注意选用节能电器、节能灯具;注意设备安装空间及管线布置空间的合理性,隔声降噪;注意明装设备与建筑风格的融合。提高建筑材料、设备的研发及加工水平,提高建筑施工及管理水平,促进建筑产业的整体升级。
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