北京門窗幕墻工程中的“被動設計”

          隨著建筑對環境的影響日益明顯，“幕墻被動設計”作為減少建筑對環境不利影響的一種嘗試，得到了越來越多的重視。建筑是離不開當地的氣候環境的。各地的傳統建筑存在的時間比，我們所謂的現代建筑存在的時間要長得多，與當地氣候的適應性非常強。它們不僅僅具有歷史文化價值，它們絕大多數仍然具有使用價值，對他們進行建筑物理方面的研究是具有非常重要的意義的。但是，我們知道傳統建筑的體形系數都比較大，一般在0.5~0.7之間，它們有足夠的空間可以在建筑物理方面做文章。對于我們這種人口大國來說，完全的回歸傳統是很難做到的，人口的增長和城市化進程要求我們必須針對現有的高容積率的建筑形式提出解決方案，去適應城市化導致的人口集中，同時確保居住者的舒適。

“被動設計”的原則

以往建筑師更多地從結構角度看待外立面，通常把建筑外立面叫做圍護結構，更多地強調封閉和隔斷。但對于“被動設計”，應該盡量多地利用建筑周圍的自然環境中的有利因素。因此我們把它看作一種能夠隨環境動態變化的半透膜，把不利的環境條件隔離掉，把有利的環境條件引入到室內。設計這種半透膜式的外立面的目的和著眼點是確保使用者的舒適，沒有了這個前提，其他任何努力都是沒有意義的。舒適完全可以用一些特定的指標來量化，而且這些指標不會因為居住者的膚色和種族不同而變化。因此，我們說“被動”的外立面設計應遵循的原則是：在確保舒適的前提下，使外立面動態地適應環境變化，最小化建筑能耗，也就是盡量節約由于采暖、制冷、通風和照明所消耗的能源，同時利用建筑的空閑立面來生成能源。

 

“被動設計”要考慮的幾個關鍵因素

1、門窗保溫和控制

    提高門窗的保溫性能和氣密性能是建筑節能不可或缺的措施之一，特別是針對有采暖要求的地區。隨著熱傳導系數（U值）的降低，門窗的保溫性能會相應提高，采暖能耗會相應降低，但是當門窗的熱傳導系數（U值）降至1.5W/(m2K)以下時，繼續降低熱傳導系數所帶來的益處與付出的成本之比（益本比）就會明顯下降。以上考慮的只是采暖工況，強調的是仍然是隔斷和封閉。在制冷工況或適于自然通風的工況下，門窗的保溫性能就并不顯得很重要了，相比之下，門窗的開啟方式和控制方式對于有效節約能源的作用會更大一些。將門窗的開啟方式和開閉狀態置于電控和程序控制之下，就可以利用晝夜溫差和室內空氣流向，調節室內溫度和空氣質量，其所耗費的能量要遠遠低于空調能耗。

2、外墻保溫

   在炎熱潮濕地區和炎熱干燥地區，年平均溫度大于25℃，在墻面和屋面上添加40mm的保溫層后，對降低制冷負荷的效果并不明顯（均小于5%）。而對于夏熱冬冷地區的采暖負荷的降低貢獻很大（達到20%）。因此在夏熱冬冷地區和寒冷地區的建筑墻面和屋面上敷設保溫層能夠有效提高外墻表面溫度，從而節約采暖能耗，提高室內舒適性。對于夏熱冬暖地區，則需要仔細考慮鋪設保溫層的初期投資成本和節約制冷能耗的效果。在定量分析保溫層的經濟厚度時，我們發現，針對制冷負荷的保溫層經濟厚度為40mm，大于這個厚度對于繼續降低制冷負荷的作用會不明顯；針對采暖負荷時，保溫層的經濟厚度則為80mm。

3、遮陽

    最有效率的遮陽形式（外遮陽）與最不節能的內遮陽形式之間的差異非常明顯，最多可以達到10℃，這種結果使室內的舒適性出現巨大差異。我們知道，空調設備的選型是以夏季室內最高溫度為依據的，選擇正確的遮陽形式對降低初始投資和運營成本的意義重大。

4、夜間通風

   在晝夜溫差較大的地區，利用夜間室外較涼的空氣來冷卻建筑主體是一種非常有效的降低制冷負荷的手段。兩個相同熱惰性的房間內，有夜間通風時，室內溫度能夠降低2到6℃另外，熱惰性較大的房間的溫度要比熱惰性較小的房間低4℃左右。似乎熱惰性較大的房間節能效果更明顯，特別是在白天運營狀態下。因此，在溫帶和亞熱帶的晝夜溫差較大的地區，最有效的降低通風和空調系統初期投資和運營能耗的方法是，設計具有較高熱惰性的房間，同時使外窗具備夜間通風功能。但是，如果該地區室外濕度較大或晝夜溫差不明顯，采取夜間通風方式并不足以幫助冷卻建筑主體，反而會破壞室內的舒適。

5、自然采光

   由于公共建筑能耗中的40%被用于人工照明，因此采用一些適當的技術將自然光引入室內，并使其不受日照角度和云層的影響，柔和地分布在室內，對于節約能源和創造健康舒適的室內環境有著重要的意義。在不采用日光引入系統的普通房間中，照度隨著與窗口的距離增大而迅速衰減，在增加了不同形式的日光引入系統后，室內的自然采光狀態明顯改善。

以上談到的幾個針對門窗幕墻“被動設計”的影響因素是綜合作用的。優化它們的過程就

是最大限度地利用當地氣候中的有利因素去對沖人工調節的能耗。一個很好的應用實例是我們目前在國內越來越常見的雙層幕墻。這種構造形式，我們與其將其成為一種新型產品，還不如把它叫做前面幾種影響因素綜合優化后的一種結果。它是在綜合考慮該建筑所處的風環境、光環境、熱工環境后，優化了各個立面的保溫、遮陽、通風和采光，設計出的一種外墻構造。所以我們說雙層幕墻不是一種標準產品，而是被動應用氣候條件的一種構造形式。

這種隨當地氣候動態變化的墻體，對沖了建筑周圍環境變化幅度，確保了室內相對恒定的

舒適環境。這樣，即使在一些極端的環境條件下，人工調節系統的介入是不可避免的，但無論如何都能夠使能耗最小化。