绿色生态住宅被动式节能技术
时间：2023-04-21 18:40:04 来源：千叶帆 本文已影响人
梁 峰
（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京）
住宅建筑的被动节能设计，其关键在于利用相关技术手段[1]，调整所在地区建筑内部环境的微气候，使住宅更好地适应周边环境和气候，利用阳光、风力、地形等因素，达到对建筑内部环境的调控效果。由于被动节能不需安装任何附属设备，因此其结构设计相对简单，不依赖于先进的技术，并且可以极大地降低结构所需负荷，从而减少建筑能耗[2]。采用不同的被动式节能设计手段，可以使室内达到良好的热、湿环境，从而减少住宅用户对主动供暖和制冷设备的需求。将此类建筑与目前市场常规的砖混建筑相比，前者可以节约90%的建筑能耗，是今后建筑发展的重要趋势。为实现对此项技术的全面推广应用，提高此类建筑的可靠性，本文将在此次研究中，以某绿色生态住宅项目为例，开展被动式节能技术的应用研究，旨在通过此次设计，为建筑工程的节能发展提供进一步的技术指导。
为满足绿色生态住宅的被动式节能设计需求，开展相关研究前，进行住宅的通风设计。根据建筑所在地的自然条件，设计建筑内部结构中的地道通风组织[3]。地道风管的成本较低，可以实现对建筑内新风的热处理与冷处理。在此基础上，增设建筑内部竖井通风组织，坚井也叫“拔风筒”。具体见图1。
图1 竖井结构
在竖井上方，安装玻璃天窗，当太阳的光线照射在上面时，会使井壁的温度和热风的流动变得更快，利用热压作用，实现建筑的门窗之间的通风，通风口与竖井玻璃通风孔有一定的高低差，利用此种风压，实现建筑室内环境的良好通风。同时，利用热压和风压的结合，可以提高建筑内部自然通风的流速。
为进一步实现场地通风的优化，还应设计建筑内的场地自然通风[4]。在此过程中，应明确建筑场地设计要考虑到冬季和夏季的自然风向，建筑的平面设计可采用弯曲、扭曲等设计方法，以此增加夏天的主要通风方向外立面，避免与冬季的主风形成90 度的角度，不利的风向对建筑内部环境造成影响。
为了满足住宅冬季日照的需要，在室外附加日光房的南立面上安装可移动的室外遮阳装置，并以入口门为界，对西、东两侧分别进行设计。根据需求和操作要求，西边的遮阳区设计宽度在8 m～10 m 范围内，东边遮阳区设计宽度在3 m～5 m 范围内，另外的日光房的透光区的高度控制在1.5 m～2.0 m 范围内。
将建筑遮阳时段与日照临界时刻作为参照，计算构件的垂直板、水平板出挑长度。计算公式如下。
式中，L 表示建筑遮阳构件的垂直板出挑长度，计算单位为m；
B 表示墙方位角，计算单位为°；
γ 表示墙方位角与太阳日照方位角的差值
式中，L2表示水平板出挑长度，计算单位为m；
H 表示遮阳透明部分长度，计算单位为m；
S 表示太阳高度角，计算单位为°。上述计算公式中：γ 可通过下述公式计算得到。
式中，a1表示正南北朝向面的方位角；
a2表示墙面方向与垂直遮阳板之间的夹角。按照上述方式，完成遮阳构件尺寸计算与选型。
完成上述设计后，进行绿色生态住宅建筑的外墙围护结构主要节点细部处理。其中建筑外墙为ALC 预制板结构，具体见图2。
图2 ALC 预制板结构
设计预制板结构与本体L 型钢托架、滑动式S 板连接，以消除钢结构变形。如果板之间呈现刚性状态，应充分挤压黏合剂，如果板之间使用软接头连接，可采用在外层涂上防水隔气膜（需要留出一定的变形空间），再用岩棉板错缝粘贴、用螺栓+耐碱性网格抗裂砂浆加固的方式，实现对外墙结构的优化。
由于绿色生态住宅的窗子重量大于传统的外窗，因此，建筑外窗使用半内嵌式安装方式。根据建筑的要求，采用加固窗孔连接，窗框和窗孔之间用防水和透气性薄膜密封，辅助使用膨胀密封条或泡沫填料填充孔洞。
为了防止热桥的发生，建筑物的外立面装饰板和外部的横向装饰部件都是由断热桥支架连接的。第一层顶板处托座与主体结构通过断热桥连接，中间层龙骨系统只与本体连接，拉结点不直接承载，从而尽量减小热桥。在点状断热桥的连接部位，利用XPS 隔热材料将女儿墙与建筑物的主体连接。
安装固定遮阳，东西向和西南方三扇窗户均安装可移动的户外百叶，太阳能透过率为10%。外百叶横向遮阳可以随意调节光线，同时兼顾遮阳、视线调节和光照。穹顶天窗剖面呈“之”字形（锯齿状）。锯齿形的角度与当地冬天的日照高度角相结合，可以在冬天提高气温，也可以防止夏天过于炎热。按照上述方式，实现建筑外墙围护结构主要节点细部处理，完成绿色生态住宅被动式节能技术的设计。
为确保设计工作在实际应用中可以达到预期的节能效果，需要在设计与施工前，根据工程方的需求，进行该工程项目的现场勘察，并通过与技术单位的交底，深度剖析合同内容，掌握与该工程项目相关的概况信息。将此方面内容作为工程建设的关键，为工程的顺利实施提供全面的技术支持。统计并整理已知内容，见表1。
表1 绿色生态住宅基本情况
掌握该住宅建筑的基本情况后，根据工程设计内容，对该建筑的结构设计进行分析，相关内容见表2。
表2 绿色生态住宅结构形式
按照上述方式，完成该建筑工程项目在施工前的准备工作。在此基础上，按照本文提出的内容，进行建筑被动式节能设计。设计过程中，需要先掌握该地区气候基本情况后，进行绿色生态住宅通风设计。同时，根据主体建筑结构形式，计算建筑中遮阳结构的尺寸，结合实际需求进行遮阳构件的选型。在此基础上，通过对建筑外墙围护结构主要节点的细部处理，完成被动式节能技术在所选工程中的应用。
完成本文设计方法的应用后，应明确国家规定住宅建筑中，起居卧室的适宜温度在18 ℃～20 ℃，室内温度过高、过低，都会影响居民的居住与生活体验。根据本文设计的被动式建筑节能需求，建筑应具备一定的室内温度调节作用，即起居卧室应在未使用主动电气设备的条件下（未使用空调等温度主动调节设备），满足起居卧室温度的适宜需求。将上述提出的内容作为评价被动式节能技术应用效果的关键指标，实验过程中，安排技术人员每间隔1 h 测定一次住宅建筑室外环境温度，与此同时，另一名技术人员需要在同一时刻下测量住宅建筑起居卧室环境温度。统计实验结果，见图3。
从图3 所示的实验结果可以看出，住宅建筑起居卧室环境温度在实验过程中，一直稳定在18℃～20℃范围内，建筑室外环境温度呈现逐步提升趋势。而住宅建筑起居卧室环境温度并未受到室外环境的影响而出现下降趋势。因此，在完成上述实验后，得到如下结论：本文设计的绿色生态住宅被动式节能技术在实际应用中效果良好，此项技术可以起到保温、隔热的作用，使住宅建筑起居卧室环境温度控制在适宜温度范围内，以此种方式，为居民用户生活提供一个相对良好的生活环境。
图3 绿色生态被动式节能建筑室温测量结果
本研究通过绿色生态住宅通风设计、遮阳构件尺寸计算与选型、建筑外墙围护结构主要节点细部处理，以某绿色生态住宅项目为例，开展被动式节能技术的应用研究。设计成果经过实例检验证明：可以起到保温、隔热的作用，使住宅建筑起居卧室环境温度控制在适宜温度范围内。
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