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基于超低能耗的被动主动式建筑设计探研

日期: 2020-02-12
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1 概念对比[1]

对各个类似概念的出处、特征进行收集归纳、对比分析,避免由于对各种概念指标的理解混淆,造成对建筑僵化设计。

1.1 被动式/ 主动式设计

• 被动式设计: 利用自然方式,采用不需任何机械动力来降低能源消耗的设计手法。如建筑遮阳、屋顶绿化、自然采光及通风措施等。

• 主动式设计: 需机械动力来降低能源消耗的设计手法。如可再生能源系统、空气净化处理系统等。

1.2 被动房/ 主动房[2]

1.2.1 被动房: “被动式设计”为主,“主动式设计”为辅。

1988 年,由德国被动式房屋研究所(PHI) 和瑞典隆德大学研究人员提出了“被动房”(PassiveHouse)建筑理念。

其后,其他国家包括中国,陆续推出了本土被动式超低能耗建筑技术标准。它们基于德国被动房(PHI),但也有部分适宜性补充调整。即此文所指被动房并不单纯对等于大众比较熟悉的德国被动房,笔者把德国被动房(PHI) 理解为狭义被动房,把中国被动房理解为广义“被动房”。

1.2.2 主动房: 主动式设计为主,被动式设计为辅

相对“被动房”理念,2006 年,丹麦、芬兰、德国、美国等国家的专业人士又提出了“主动房”(ActiveHouse)建筑理念。“主动房” 理念倡导建筑应该实现气候平衡、居住舒适、感官体验、应具备充足的日光照明和新鲜的空气,即实现能耗效率与最佳室内气候之间的平衡,同时保证建筑以动态方式适应周围环境,实现碳中和。在这一理念指导下,建筑将自主生产能源,以可持续地利用资源,有效改善人们的健康水平和居住舒适度。

1.2.3“主动房”对比“被动房”

• 技术路线:强调通过日光照射和蓄能,不限制主动采暖(或空调)系统的使用,更强调可再生能源在建筑中的应用, 不只是增强保温,技术手段更丰富。被动房着重大幅度提升围护结构热工性能和气密性,同时利用高效新风热回收技术.

• 核心目标:以保证(二次能源)“能耗超低”为目的,增加“舒适健康安全”,强调舒适、环境和能源三者的统一。

• 考核指标:有一个打分赋值的评价体系。明确考察“建筑与环境的关联”,直接将能源荷载作为定性定量考核这种关联的指标,并提出“热舒适、湿度舒适、声学舒适、光舒适、室内新鲜空气”等较高的硬性指标进行设计指导.

• 控制方式:更关心居住者对建筑的“主动控制”,使用更多自动化机械(暖通)系统, 帮助用户实现更高程度的舒适性。

1.3 超低能耗建筑/ 近零能耗/ 零能耗建筑[3]

1.3.1 国际发展

• 近零能耗建筑(nearly zero energy building)一词源于欧盟《建筑能效指令》(Energy Performance of Building Directive recast, EPBD)。近零能耗建筑设计技术路线为强调通过建筑自身的被动式、主动式的设计,大幅度降低建筑供热供冷的能耗需求,使能耗控制目标绝对值降低。

•“净零能耗建筑”(net zero energy building) 一词源于美国。净零能耗建筑技术路线为在被动式、主动式建筑节能措施外,通过太阳能光电技术、智能微电网技术、蓄能技术联合应用,存储、提供和储存电能,使建筑物可以达到能量供给和使用的长期平衡。

1.3.2 国内发展[4]

• 超低能耗建筑/ 近零能耗/ 零能耗则是我国伴随《近零能耗建筑技术标准》[1] 的研究编制逐渐明晰的三个概念。为方便对比理解,笔者将此标准中的三级建筑大致类比于德国被动房/ 近零能耗建筑/ 净零能耗建筑。对应三个层次的具体指标并不尽相同,但是体现了我国对以能耗为考核指标也是本着分层级分阶段的宗旨( 见表1)。

1 低能耗建筑/ 近零能耗建筑/ 零能耗建筑特征对比

基于超低能耗的被动主动式建筑设计探研

1.4 概念对比小结

•“被动式设计”“主动式设计”是以是否需机械动力为划分原则的不同设计手法。

•“被动房”“主动房”是以设计手法组合差异为划分原则的不同建筑类型。

•“超低能耗建筑”“近零能耗建筑”“零能耗建筑”是以能耗高低差异为划分原则的不同建筑类型。

•“主动房”和“被动房”都会运用“被动式设计”和“主动式设计”,只是占比差异。

•“主动房”和“被动房”都以降低能耗作为核心指标,都有可能实现“超低能耗建筑”“近零能耗建筑”“零能耗建筑”中的任何一种。

•“主动房”和“被动房”中主动式/ 被动式设计手法的组合配比需基于建筑自身特征进行整合权衡,无所谓哪种组合配比更好。而“超低能耗建筑”“近零能耗建筑”“零能耗建筑”的能耗标准则有明确指标,指标存在梯级高低。

• 不论哪种类型何种称谓,不存在孰优孰劣。建筑设计焦点应关注在技术措施本身。结合建筑形态特征、建筑用能特点、能源核算方法及气候差异、生活习惯这些根本要素。

2 措施探研

具体介绍现实应用中的主动式/ 被动式设计手法,并借助计算机模拟对指标进行科学分析,为有的放矢适宜设计提供参考。篇幅所限,本文选取夏热冬冷地区建筑设计中最重要的遮阳设计和采光设计,对其典型主动式/ 被动式技术措施进行探研。

2.1 遮阳措施

2.1.1 现有评价指标

相关标准中的遮阳指标对比,见表2。

2 相关标准中的遮阳指标对比

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2.1.2 常见技术措施

依照上一节对主动式/ 被动式设计手法的解释,将常见遮阳措施归纳如下:

3 遮阳措施的主要形式

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2.1.3 重点措施研究[5]

选取表3 中的措施4 进行分析。

1)模拟分析

遮阳模拟分析,见图1 和图2。

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1 水平遮阳宽度与夏季空调能耗关系

 



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2 水平遮阳间距与夏季空调能耗关系

2)数据分析

• 尺寸及间距

以间距1000 的遮阳构件为例,模拟结果显示:

空调能耗随构件宽度变化呈二次曲线变化:遮阳宽度增大,夏季空调热负荷显著减小。但若宽度过大,超出1.2m 时,空调能耗变化显著变缓。遮阳构件尺寸过大,也将显著降低房间照度(图1)。

空调能耗随遮阳间距变化呈二次曲线变化:遮阳间距减小,夏季空调热负荷显著减小。但若间距过密,超过约1.5m 时,空调能耗变化显著变缓。遮阳构件间距过密,也将显著降低房间照度(图2)。

• 安装位置

遮阳板安装的位置对玻璃散热影响很大。例如将板面紧靠墙面布置时,受热表面加热而上升的热空气将受室外风压作用导入室内,对玻璃表面上升的热空气有阻挡作用。这种情况对综合式遮阳更为严重。遮阳设施对房间通风也有一定的阻挡作用,在开启窗通风的情况下,室内的风速会减弱22%-47%,具体视遮阳设施的构造情况而定。

3)措施小结

• 优先选择水平遮阳板,其次是垂直遮阳板。遮阳构件宽度以0.5 ~ 1.2m 为宜。

• 遮阳板间间距应与外立面窗大小尺度适应。遮阳构件间距以0.5 ~ 1.5m 为宜。

2.2 采光措施

2.2.1 现有评价指标

相关标准中的采光指标对比,见表5。

5 相关标准中的采光指标对比

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2.2.2 常见技术措施

采光措施的主要形式,见表6。

6 采光措施的主要形式

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1)天窗/ 侧窗

天窗采光的效率比侧窗的高2-3 倍,且可以提高内区采光系数避免眩光。天窗的种类很多种,设计师可以根据建筑类型和立面造型灵活设计。米泽尔法特储蓄银行,采用83 个棱镜式的采光天窗组成了独特的屋顶表面(图3)。

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3 米泽尔法特储蓄银行

侧窗对人的感受更有直接影响,且是建筑立面效果的重要组成。CFA-Cristián Fernandez 建筑事务所,窗口角度的设置是沿垂直于太阳光在最极端时刻的入射角度的切线进行设计的,这些开窗角度的组合产生类似“褶皱”的门立面效果(图4)。

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4 CFA-Cristián Fernandez 建筑事务所

2)中庭

中庭/ 侧庭是和天窗结合的改善自然采光的建筑设计措施。布来一号办公楼,设计高达130m 的中庭可以把自然光照和通风引入到建筑最深处和每层面向中庭的阳台中(图5)。

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5 布来一号办公楼

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6 某办公楼侧庭剖面

3)内院/ 采光井

公共建筑中一般地下购物商场、站前交通、文化娱乐广场等面积较大的外部开场空间常做下沉式广场,使地面一部分“下沉”至自然标高以下,利用下沉的部分获得自然采光。

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7 世博园阳光谷下沉广场

世博园阳光谷下沉广场,其阳光谷独特的喇叭状设计,将自然光线引入地下,实现地下空间的自然采光(图7)。

4)反光板

朝南设置的反光板主要作用是将光线反射到顶棚,再通过顶棚反射到室内深处,提高室内远窗处的照度值,进而改善整个室内的照度均匀性,并能有效地减少采光面产生的直接眩光。反射板材料的选择不仅要考虑建筑室内外造型美观而且还需要综合考虑其反射系数、结构强度等多种因素。铝质板材是比较合适用在室外的,因为其反射系数高,耐久性好,容易清洁和维护(图8)。

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8 反光板示意图

(5)定日镜

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9 定日镜示意图——上海南市电厂

定日镜即利用日光镜“追踪”反射技术的“主动阳光收集器”,即使是在阴天也能跟踪太阳。收集器上的“超阳光集中器”可以在任意距离上的任何地方收集自然光。该技术使用最新的红外截止涂层技术,所接收的日光几乎没有热损耗或增益,减少能耗和空调的成本(图9)。

6)导光管

导光管是一种通过采光器高效采集室外自然光线,再经过特殊制作的导光管传输后由底部的漫射装置把自然光引入室内的系统(图10)。

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10 导光管示意图

(7) 光导纤维

光导纤维法与导光管法类似,也由三部分组成:光采集板(聚光部分)+ 光导纤维(传光部分)+ 发光体(出光部分)。其中光导纤维一般用塑料制成,直径在10mm 左右,它可实现自由传送自然光,从而避免其他利用光反射原理的方法(反射、折射、管道传送等)存在的损耗多、传送距离短的缺点(图11)。

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11 光导纤维示意图- 光采集板+ 光导纤维+ 发光体

8)棱镜组

棱镜组多次反射技术是建筑师新创造出来改善室内自然光环境的一种主动手段,用一组传光棱镜将集光器收集的太阳光传送到需要采光的部位。棱镜窗通过棱镜折射的原理改变入射光的方向。

德国国会大厦的新建玻璃穹顶设计为内嵌有各种角度镜子椎体和移动保护装置的棱镜窗,保护装置与太阳运行的轨迹同步运转,从而实现了反射水平射入建筑内的光线,同时防止过热和耀眼的阳光(图12)。

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12 棱镜组示意图——德国国会大厦及上海南市电厂

2.2.3 重点措施分析[5]

选取表6 中的措施1( 侧窗) 进行分析( 图13 ~图16)。

1)模拟分析

窗地比越大室内采光均匀度越高,人工照明能耗就会越低,室内的光环境状况越好。

2)数据对比

13 中横坐标代表窗墙比(从大至小),纵坐标代表能耗(单位兆瓦)。

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13 “全年·空调+ 灯光”能耗对比

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14 “全年·空调”能耗对比

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15“全年·灯光”能耗对比

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16 “冬季·灯光”能耗对比及“夏季·灯光”能耗对比

3)数据分析

夏热冬冷地区:

• 窗墙比- 总能耗总能耗与窗墙比之间并非简单的线性关系,其变化趋势是两端高、中间低的谷形曲线,即窗墙比过大或过小,都会导致建筑总能耗的结果偏高。窗墙比在0.1 ~ 0.7的某一数值下,建筑总能耗会达到最低(下文将总能耗最小时对应的窗墙比称为拐点)。

• 窗墙比- 空调能耗:

西、东向能耗差异不大,均明显高于南向能耗,北向能耗居中。

夏季空调能耗总是明显高于冬季空调能耗,窗墙比与夏季空调能耗的互动关联主导了整个空调季空调的空调能耗水平及变化规律。

• 窗墙比- 灯光能耗

总体而言,冬夏季灯光能耗之和与窗墙比之间是明显的反比关系。各朝向能耗变化均无拐点。不同朝向条件下:南向日照最充裕,东西向次之,北向明显不足,故北向灯光能耗明显最高。这是上海所处纬度地区的气象特点决定的。

不同季节条件下:冬季灯光能耗明显高于夏季灯光能耗。

由于夏热冬冷地区的冬季日照条件不够充足,冬季的灯光能耗会明显高于夏季。因此,确立窗墙比时,应充分考虑建筑所处的地理位置。

分析结论:

上文研究数据反映出能耗和窗墙比的关系并非简单的正比例或反比例关系。即窗墙比的增大或减小,并不直接导致建筑总能耗的增大或减小。

但由研究数据可见:随着窗墙比的增大,空调能耗逐渐增大,因为随着窗墙比的增大,房间通过窗户得失的热量值会相应增大,从而增大外围护负荷及空调能耗;同时灯光能耗逐渐减小,因为窗墙比增大,将直接改善室内采光状况,增加室内采光系数,引起室内照明时长及开关频率减少,从而降低灯光能耗。

所以总能耗有可能会随着窗墙比的变化呈现拐点,这是空调能耗与灯光能耗“博弈”的必然结果。

可见对窗墙比的选择,应以空调和灯光能耗之和为参考依据进行综合衡量,确定空调能耗与灯光能耗之间的平衡点是关键所在。盲目增减开窗面积,不仅不利于建筑节能减耗,还可能无法满足使用者对温湿度及采光性的需求。

尽量争取南北朝向开窗。不同朝向开窗时,应基于冬夏全年要求,选择相对节约能耗的窗墙比,各朝向建议范围为:西0.15 ~ 0.25;东0.25 ~ 0.35;南0.35 ~ 0.45;北0.35 ~ 0.45;夏热冬冷地区节能,夏季隔热是关键,建议加强外窗东西向外遮阳设置。应兼顾冬季采光要求,适当增加北向外窗面积。

4)措施小结

• 适当增加窗地比

• 结合房间形状设计窗形状

侧窗窗户的形状与房间内采光均匀度有一定影响。窗户越宽,房间内采光量和均匀度越大,正方形窗户的采光量最大,其中竖长方形侧窗进深处照度偏高,横长方形侧窗近窗处照度偏高,因此窄而深的房间宜用竖长方形窗户,宽而浅的房间宜用横长方形侧窗。设计师应根据具体情况设计侧窗形状。

• 根据太阳光入射角度设计窗朝向

区域不同、朝向不同获得的太阳辐射不相同,设计师可以根据当地阳光入射光角度,设计窗户形式,保证建筑在获得足够自然采光量的同时所受到的热辐射作用最低,这使得建筑立面造型更加丰富。

• 适当提高窗台高度(灵活运用高侧窗和双侧窗)

满足视野要求的前提下适当提高窗台高度对房间内均匀度会有一定改善,对于进深较大的房间可以采用高侧窗来改善室内采光状况。高侧窗一般在大厂房和博物馆用的较多,情况允许的条件下也可以运用双侧窗来提高室内采光量。

参考文献

[1] 被动房的结构• 概念篇.

[2] 被动式建筑设计技术与应用[M] 上海: 上海科学技术出版社,2012.

[3.] 张时聪徐伟等[J]“零能耗建筑”定义发展历程及内涵研究,建筑科学,2013(10).

[4] 近零能耗建筑技术标准GB/T51350-2019 解析. 徐伟.

[5] 基于寿命周期评价的可持续建筑技术体系研究—上海市委党校现代综合教学楼及学员宿舍楼工程示范 .



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