被动式超低能耗建筑设计基础与应用

分类：建筑工程论文发表 时间：2021-12-23 10:51 关注：(1)

     人居环境的可持续发展需要同时解决建筑环境质量、建筑节能减排以及地域文化传承 问题, 运用被动式建筑设计技术创建适宜于地域气候与资源环境的超低能耗建筑是实现人居 环境可持续发展的根本途径. 本文从被动式设计原理出发, 提炼了实现超低能耗建筑设计的 关键技术问题, 并综合运用建筑学、建筑气候学和建筑环境工学等交叉学科基本理论, 通过理 论分析、实验测试、方案设计与工程示范, 系统建立了室内人体热舒适需求规律和室外典型气 候的精细化表征方法, 提出了低能耗建筑设计的气候分析技术与气候分区方法, 被动式太阳 能采暖与蓄热通风降温技术的热工设计计算方法, 形成了被动式超低能耗建筑设计理论体系, 并在西部地区得到推广和应用, 为地域建筑的可持续发展提供了理论支撑和解决途径.

　　关键词 人居环境 被动式设计 超低能耗建筑 建筑节能 中国西部 可持续发展

　　人居环境的可持续发展, 既要在快速的城镇化 进程中不断提高建筑环境质量, 也要节约建筑能耗 和减少污染物排放, 还要继承和发扬传统地域建筑 文明. 然而, 建立在工业文明基础之上的现代建筑体 系, 在满足人们对建筑空间和环境需求的同时, 则须 付出高能耗、高污染以及湮灭传统地域建筑文明的 代价. 我国虽然地域广袤, 但人口众多. 在此基数之上 的能源与资源极其短缺, 生态环境脆弱, 经济发展落 后. 在快速的城镇化进程中, 简单地继承传统的建造 方式, 或者单一运用现有的城市建筑设计规范及方 法, 均不能有效解决建筑环境质量、建筑节能减排和 建筑文化传承的综合需求问题. 目前, 城镇建筑要么 “千篇一律”、“千城一面”, 要么“贪大求洋”、“媚俗求 怪”. 因此, 急需针对地域气候条件和社会经济文化 背景, 研究发展可持续的低(超低)能耗建筑设计方法 体系, 以保证建筑室内环境的舒适性、地域建筑风貌 和传统生态经验的传承, 同时尽可能利用太阳能、风

　　能等自然能源, 实现能源的节约. 此方法被学界称之 为“被动式低(超低)能耗建筑设计”. 被动式低能耗建筑设计理论与方法是研究运用 建筑设计的而非人工环境控制(主动式)的方法与技 术创建室内热舒适, 同时也是研究建筑与室外气候、 室内微气候相互作用的科学. 现代建筑室内热环境 设计遵循稳态热平衡理论, 完全依赖采暖、通风、空 调等主动式环境控制技术来维持和调节室内热环境 在相对稳定、均匀的舒适状态, 室内微气候与室外自 然气候完全隔离, 既耗能又不健康. 由于人体需求的 热舒适处于常温状态, 通常为18~26℃, 多数地区室 外气候在大部分时间具备这种舒适条件, 因此, 如果 能够采用合理的建筑设计方法如太阳能采暖、自然通 风等被动式技术, 充分利用这部分时间的自然冷/热 量, 即可大幅减少建筑设备能耗, 实现超低能耗甚至 零能耗建筑, 这就是建筑的被动式设计原理[1]. 一般 将建筑能耗接近于零的建筑称为超低能耗建筑或近 零能耗建筑.

　　被动式设计涉及2个关键问题和1个设计目标: 第1个问题是, 气候资源利用的可行性问题, 即室外 气候在什么条件下可用于室内采暖和降温? 第2个问 题是, 建筑设计方法问题, 即采用什么样的建筑技术 措施和怎样采用这些技术, 实现对气候冷热源的利 用, 也就是被动式设计方法问题. 需要实现的目标 是: 尽可能缩小人体热舒适需求与室外气候的差异, 尽可能扩大建筑的被动式技术可调节和控制的气候 区间, 从而最大限度降低建筑对人工环境设备的需 求(图1). 围绕以上问题和目标, 提炼出如下若干基础问 题. (1) 建筑气候分析技术与室外气候特征的描述方 法. 我国建筑节能始于20世纪80年代初期, 不仅缺乏 设计前期针对室外气候自然冷热源可利用率的定量 分析方法, 而且还缺乏精细化模拟分析用室外气候 数据. (2) 室内热舒适预测与评价技术. 对于我国普 遍存在的自然通风模式(零能耗)或自然与设备调节 相混合(低能耗)模式, 缺乏全国尺度的热舒适预测模 型. (3) 被动式设计方法. 我国建筑节能研究一直集 中在单项技术的研发与设备系统能效的提升方面, 针对地域资源与气候, 提出系统综合的被动式低能 耗建筑设计方法未有系统报道. 综合运用建筑学、建筑气候学和建筑环境工学原 理, 在理论分析、实验测试和数据统计的基础上, 揭 示了中国人群在自然气候波动条件下的热舒适规律, 界定了各类被动式技术适宜的气候界域, 建立了基 于人体热需求的气候分析方法, 提出了被动式太阳 能采暖和蓄热通风降温设计计算方法, 实现了方案 阶段综合定量分析“人-建筑-气候”3个复杂系统的科 学难题. 上述理论成果首先在中国西部进行了开创 性应用与实践, 形成了黄土高原、西北旱区和四川震 区等多种低能耗乡村建筑设计模式, 成为中国地域 建筑更新设计的典范. 理论研究成果被认为是对国 际地域建筑创作理论的延续与发展. 1 建筑气候分析技术 建筑与气候密切相关. 在建筑方案设计中, 充分 考虑气候对设计各个环节的影响是提高建筑节能的 前提, 而准确确定室外气候条件与人体热感觉、室内 微气候的关系是气候分析的关键. 尽管行业内建筑 师都具有初步的气候设计知识, 但很少用于实践, 主 要原因是缺少简单、直观、实用、且能定量计算的气。

　　候分析方法和工具. 目前, 国际上常用的建筑气候分 析方法主要分为两大类: 一类是图形分析方法, 如 Olgyay以及由此发展的Givoni的生物气候图[2]; 另一 类是以Mahoney为代表的表格分析方法[3]. 这些分析 方法都是从人体热舒适的角度分析当地气候特征, 然 后给出具体的被动式技术的选择原则. 由于各国气候 背景的差异, 以及中国显著的地区气候差异, 有必要 针对我国气候特点研究建立中国建筑气候分析方法. 在研发气候分析技术之前, 还需要解决3个最基 础的科学问题: 一个是对室外气候的认知, 即从热舒 适和建筑热环境设计的角度描述室外气候的典型特征 和逐时变化; 一个是舒适基准的确定, 即人体在什么 样的室内微气候条件下是舒适的, 以及室外气候的变 化是否会对人体热感觉产生本质影响; 一个是不同的 被动式技术可以调节的室外气候的区域和边界. 归根 结底是需要解决“人-建筑-气候”3个复杂系统的耦合 作用问题, 也是被动式低能耗建筑研究的难点. 与主动式控制技术相比, 被动式技术的基本特 点是: 室内微气候与室外气候是随时交互作用的, 并 随室外气候的波动而做相应的规律性变化, 呈现出 显著的“自由运行状态”. 因而, 室内外空气就成为连 接3个系统的分析主体, 以此为依据, 提出运用暖通 空调工程领域常用的, 描述空气性质的“空气焓湿 图”[4]作为建筑气候分析的底图工具(图2(a)). 而从热 环境设计目标来讲, 人体热舒适是控制指标, 因而可 以同时描述空气性质和热舒适状态, 由温湿度相组 合的“有效温度”就成为联系“人-建筑-气候”3个系统 的最佳指标参数. 以焓湿图为底图, 有效温度为变 量, 建立了建筑气候分析工具—建筑气候分析图 (图2(b))[1]. 横坐标为空气温度, 纵坐标为空气湿度, 由两点组成的“有效温度”, 既可以描述室外气候条 件, 也可以表述室内气候的舒适程度, 还可以表示气 候与舒适的距离. 纵横交差的虚线部分代表室外气 候条件, 红色线段代表特定地区的逐月气候, 灰色区 域代表人体热舒适区, 也是建筑需要设计的总目标, 实线围成的区域代表不同的被动式技术可以调节的 气候区域. 由图中可知, 当室外气候落在实线区域时, 则完全可以通过被动式技术获得舒适, 实现零能耗. 2 室外气候的精细化表征方法 从建筑热环境和人体热舒适角度对室外气候特 征进行准确的数学描述是建立建筑气候分析技术首先涉及的基础问题, 也是进行低能耗设计优化的必 备条件. 与理论分析与数值模拟研究相比, 我国对建 筑节能领域的基础气象参数研究远滞后于国际发达 国家水平. 而又以2005年为分水岭, 之前对室外气象 参数的需求一直停留在稳态计算层面, 逐月、逐日平 均数据就可满足需求, 而且数据覆盖台站少, 1980年 后未有更新, 同时为建筑能耗模拟服务的精细化逐 时数据处于空白, 成为制约建筑节能行业发展的瓶 颈. 2005年, 随着精确计算逐时能耗的动态设计方法 被列为国家标准, 研发准确描述室外典型气候逐时 变化特征的气象年数据成为建筑节能的首要问题. 2.1 室外气候逐时变化表征方法 在此背景下, 国内学者进行了大量基础研究, 提 出以美国 Sandia 国家实验室提出的典型气象年 (TMY)为基本生成方法, 考虑我国气象数据背景和 建筑热环境需求, 研发本土化的典型气象年的研究 思路[5~8]. 典型气象年是一个既要准确反映建筑能耗 的逐时变化, 又要能够以最少量的气象数据代表气 候的典型变化, 即做到精细化模拟与减少计算量的 平衡是其技术难点. 它是由12个均具有气候代表性 的典型月(TMM)组成的一个“假想”的气象年[9,10]. 每

　　一个典型月由逐时变化, 且是真实纪录的干球温度、 露点温度、风速和水平面总辐射、直射辐射等若干影 响能耗的关键气象要素构成, 每个要素因对能耗和热 环境的影响程度的不同而被赋予不同的权重[11]. 目前, 我国记录气象数据的台站分为基准站、基 本站和一般站, 所记录的数据按时间精度分为逐时、 4次定时和逐日数据. 针对我国原始气象数据特征, 需要解决系列数据处理问题: (1) 逐日和定时观测数 据的逐时化插值方法; (2) 针对关键数据, 如辐射、风 速等, 因缺测带来的建立各类气象数据的预测模型 问题; (3) 不同地区气象因子对能耗影响权重的选择 问题; (4) 为分析气候变化与建筑能耗的耦合关系, 需要建立未来典型年的生成方法等. 其中, 对于周期 性变化明显的干球温度、相对湿度和大气压的逐时化 可采用3次样条方法, 辐射数据处理方法将在下文中 详细介绍. 而对于随机变化的风速、风向以及云量等 气象参数, 建立保证精度的逐时化模型还没有突破. 另外, 由于中国气象台站的逐时化数据不能为其他 行业领域所共享. 今后长期存在的技术难点将是如 何将日值的各类气象数据推衍出满足精度需求的逐 时数据. 经过大量数据分析与能耗模拟研究, 建立了 我国典型气象年的生成方法。

　　2.2 太阳辐射因子的推测模型 太阳辐射是引起建筑光热反应、影响人体热舒适 和建筑能耗不可或缺的气象参数, 是构成典型年数 据中最重要的气象参数. 但与气温、气湿等常规气象 参数相比, 由于辐射观测站点数还不到基本地面观 测站数的6%, 致使辐射观测资料无论是平均尺度的 日总辐射, 还是精细化的逐时尺度, 都极其匮乏, 严 重制约了低能耗建筑设计的发展. 因而急需研究建 立辐射数据的系统生成方法和日总辐射、直射辐射、 散射辐射、逐时辐射等各类辐射数据的预测模型. 对于日总辐射的计算, 常用模型计算方法或空间 插值方法. 模型计算方法是通过日照时数、云量等其 他与太阳辐射密切相关的气象要素来估算太阳总辐射 值. 例如, 利用日照辐射推测日总辐射的AngstromPrescott模型、利用云量和干球温度推测的张晴原模 型. 空间差值方法是利用已有的一定数量的空间样 本, 反应辐射数据的空间分布特征, 然后据此预测未 知地理空间的辐射特征. 通过交叉验证法分析发现, 在我国目前的辐射观测数据下 , 运 用 AngstromPrescott模型推测日总辐射值要优于空间插值法[12]. 对于直射辐射和散射辐射的计算, 国内外更多 采用的是模型求解的计算方法. 按照不同天气状态。

　　下散射辐射在天空分布的不同, 可以分为2类计算模 型[13], 一种是各向同性散射辐射模型, 如Orgill & Hollands模型[14]、宇田川光弘模型[15]、Collares-Pereira & Rabl模型[16]、Erbs模型[17]等; 另一种是各向异性散 射辐射模型, 如Moon & Spencer模型[18]、Steven & Unsworth模型[19]等. 各向同性散射辐射模型都采用 晴空指数作为主要指标, 根据晴空指数的大小确定 天气状态, 带入到相应的计算公式中; 各向异性散射 辐射模型主要是根据太阳散射辐射在空间分布特性 的不同, 构建不同情况的散射辐射微元后再积分求 解得到. 因各向同性散射辐射模型参数较少, 参数物 理意义明确, 且容易求得, 计算结果也比较准确, 因 此, 该方法得到了普遍的应用和推广. 由于典型气象年是需要各要素的逐时数据, 因 此逐时的太阳辐射数据是必不可少的. 对于逐时太 阳辐射的计算一般主要有3种方法: 一是理论计算法, 根据太阳辐射穿越大气达到地面的传播物理过程, 利用大气学、物理学等知识, 输入详细的大气实际情 况的参数进行数学推导计算[20]; 二是统计模型法, 主要是通过多年统计的常规气象数据以及相关的地 理位置等信息, 找出逐时太阳辐射与其之间的关系, 进而推导出逐时太阳辐射值; 如Collares-Pereira & Rabl模型[16], 该模型利用逐时太阳辐射和逐日太阳 辐射之比与日落时角之间的关系来进行求解; 三是 人工神经网络方法, 通过学习推广训练能力, 建立非 线性模型来进行模拟计算. 如最小二乘支持向量机 法[21]. 理论计算法虽然参数物理概念清晰, 但是常 规气象站不监测相关的大气参数, 因而很难获得其 准确值, 限制了该方法的推广使用; 统计模型法和神 经网络法相比, 2种方法各有侧重, 通过验证发现, 在 我国目前的辐射观测数据下, 2种方法结果差别不 大[22], 但统计模型法计算过程相对简单, 参数获取 较容易, 更易推广使用. 3 室内微气候与人体热舒适 室内微气候是由室内空气的温度、湿度、风速和 周围表面辐射温度构成的, 影响人体热舒适的小气 候环境. 环境的舒适与否由室内微气候与人体表面的 换热平衡所决定, 当由建筑创造的室内微气候越接近 人体热舒适需求时, 建筑就越舒适, 同时也最节能. 2004年以前, 国际建筑热环境设计标准一直遵 循的是稳态热舒适理论, 是由著名学者Fanger教授在20世纪60年代所建立的. 其核心是在冬季和夏季, 建 筑室内分别采用恒定的温度控制指标. 然而, 大样本 量实地测试结果表明: (1) 建成环境的实际热舒适温 度比标准设定的恒定温度值要宽广得多(图4); (2) 当 人体处于舒适临界区时, 人体对自然变化的“动态”环 境的接受度明显高于主动式控制环境. 为此, 如何完 善稳态热舒适理论体系成为热舒适领域研究的焦点. 20世纪70年代末期, 以Humphrey[23,24]为代表的 国际学者提出了新的“热适应”理论, 认为人体对环 境的变化具有“主动的”适应能力, 并且通过行为、心 理和生理等各种调节方式对变化的环境产生热适 应[25,26], 使人体实际的热舒适范围比现行标准的预 测结果宽广. 随后对大量现场测试结果的统计分析, 发现了室内舒适温度随室外平均温度变化的适应关 系模型[23], 奠定了“热适应理论”的基础. 从而将建筑 热环境设计从“稳定、均匀、控制、耗能”的不可持续 的“空调”设计方向, 引向建筑应尊重人体对“适度变 化”环境的基本需求的“自然通风”设计方向, 进一步 从热舒适理论层面, 支持了被动式超低能耗建筑设 计理论. 这种同时考虑建筑的调节性能和人的主动 适应能力的设计理念为建筑热环境和空调系统设计 带来革命性的变革, 改变了基于机械调节的恒温环 境的设计思维, 促进了建筑的可持续发展