被动式节能建筑中的主动节能技术应用_戴旭

Trending Topics戴旭/中国建筑标准设计研究院摘要：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：被动式节能建筑，被动节能技术，主动节能技术，总体能耗，一次能源，可控通风，建筑自身能量，可再生能源，自动控制，质量控制被动节能技术一般是指在保证室内环境舒适度前提下，通过对建筑的布局、朝向、形体、遮阳、保温、气密性、自然通风等方面进行合理的节能优化设计，从而降低建筑总体能耗。

很多中国传统建筑中都或多或少的采用了一些被动节能原理的设计和建造方法，比如通过对建筑布局、建筑形式的巧妙设计，适应当地气候特点，对自然通风、自然采光、太阳热能、池塘水体、植被、土壤等进行合理有效的利用，使之为建筑环境的改善服务。

东暖夏凉的陕北窑洞利用土壤作为保温围护结构，南方民居中采用常见的池塘利用水体蒸发冷却原理降低区域温度，采用天井利用热压原理进行自然通风等等。

传统建筑作为一种经验性的实践作品，体现着古代劳动人民的智慧，是被动技能技术的一种原始应用，而现代被动建筑所采用的被动技能技术则是建立在严谨的科学理论、大量的实验数据以及长期的应用实践基础之上，并辅以主动节能技术手段。

主动节能技术是指通过对机电系统、自动监测控制系统的节能优化设计以及高效节能设备材料的选择，辅助被动节能技术手段满足室内环境精确、稳定且可控的舒适性参数并实现建筑总体能耗的进一步降低。

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。

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。

由于地域性的差异，不同地区的气候条件、地质条件、水文条件、生活习惯等均不尽相同，同时，即便是同一地区，随着季节的变迁、气象状况的变化、昼夜的交替，这些都会导致相同建筑物的可用能源种类及能源效率不同，建筑总体能耗不同。

因此，因地制宜的采用与之相适应的节能策略，制定相应设计指标尤为重要。

2.1 借鉴一下德国被动建筑的经验数值舒适度要求常用指标如：室内相对湿度40％~60％，温度20℃～26℃，超温频率10%（室内温度超出规定范围的小时数与全年小时数之比）等。

被动建筑采用了诸多被动节能技术来保证上述室内环境舒适度指标的实现，其消耗的一次能源一般仅有普通建筑的十分之一。

首先通过紧凑的外形设计以实现较小的体型系数，降低建筑总体散热外表面积；确保良好的围护结构保温隔热性能：采用保温防潮性能、防火性能均优良的外墙及屋顶保温材料，当保温材料足够厚时，建筑通过外墙、屋顶损失的能量足够低，且通过技术经济的比较，我们可以得到一个所谓经济保温厚度；采用隔热透光效果好的节能外窗产品，例如三层Low-E玻璃的外窗，玻璃之间充入惰性气体隔热，外窗要选择适当的遮阳措施，兼顾自然采光和室内冷负荷的关系；采用有效的消除围护结构热桥的措施。

注意建筑围护结构的保温设计应首先满足热工要求，对围护结构内部冷凝受潮情况进行验算，使供暖期间围护结构中保温材料因内部冷凝受潮而增加的湿度不超过相应的允许量，且室内外墙表面与空气之间的温差不大于3℃，避免对室内人体产生冷辐射。

此外，建筑的气密性能也十分重要，德国被动建筑要求室内外压差60Pa时，房间每小时换气次数小于0.6次，就是为了尽量减少室外空气渗透对室内环境的影响。

2.2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。

Trending Topics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。

2.3 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。

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。

在冬季，人们希望能够让阳光尽可能多的照射进室内，加热室内环境的同时又能增加室内自然采光，增加室内舒适度。

但在夏季，室内的降温需求与自然采光需求又成为了一对矛盾，多引入阳光照射进室内，自然采光的问题解决了，室内的灯光照明能耗降低了，然而，随着透射进室内的阳光增多，太阳辐射热也同时导致室内热量的增加，这些热量需要通过通风或空调系统进行及时排除，以免室内温度的持续上升，为了避免通风空调系统能耗过度增加，通常采用的方式是在朝阳侧外窗设置遮阳设施对阳光进行适度的遮挡，并要特别注意协调通风空调系统与灯光照明系统之间的此消彼长的能耗关系。

合理的建筑朝向和遮阳，可以使建筑物优化利用太阳的光和热，对于小体量建筑效果尤其明显。

一般来说，外遮阳比内遮阳的效果好，应根据建筑物的不同朝向选择不同的外遮阳形式，并采用不同的主动节能控制策略。

通常采用的可控外遮阳设施有电动遮阳百叶、可移动网状遮阳板等。

其他太阳能直接得热的利用方式还包括蓄热墙、导光板、呼吸幕墙等。

蓄热墙是指采用蓄能材料制作，可以在日间将太阳能以热能的形式储存，利用时滞效应在夜间向室内散热，减少昼夜间室外温度波动对室内环境温度的影响。

导光板则是利用反光材料将更多阳光及太阳辐射热反射进室内以增强太阳能利用效果。

呼吸幕墙是利用阳光加热双层幕墙间空气，通过空气对流作用和阀门、风机引导幕墙及室内的空气流动，对室内进行辅助加热或冷却。

（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Trending Topics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。