一、被动式节能技术

被动式设计的概念由英文词语 Passive Design 翻译而成，其中 Passive 理解为被动、顺从、诱导的意思。因此，被动式建筑设计也可以理解为顺应自然、诱导自然的的建筑设计。在避免利用化石能源的前提下，利用太阳光、风、温差等自然原理，并通过这些自然原理的物理变化，通过规划、设计、环境配套等手段来创造和改善宜居的生活环境。被动式设计中，尽量回避了通过机械和设备手段如人工照明、设备采暖与制冷、机械通风等来达到建筑的功能目的。

被动式节能是采用非机械式的手段，直接利用阳光、风力、气温、湿度、地形、植物等现场自然条件，通过优化建筑设计来实现降低建筑能耗的节能方式。考虑建筑的总体布局、朝向分析、体形控制、自然通风、保温性与密闭性等因素结合气候背景、水体分布、植被和土壤情况等进行合理设计、有机整合，降低建筑总体能耗。因地制宜的利用本地气候条件和地质条件，通过建筑围护结构与室外环境在物理层面的热传导，实现建筑室内外的和谐环境的同时降低了传统能源的使用。

（1）保温设计：虽然热工规范中规定夏热冬冷地区在冬季可适当兼顾保温，但从上述图例中可以看出人们对冬季室内热舒适性的要求和夏季一样迫切，冬季使用能耗占全年总能耗比例的与夏季相似，因此本地区内的冬季保温设计应引起足够重视。冬季室内的外温差较大，可从合理布置建筑朝向和整体布局、提高围护结构保温性能等方面采取措施保证室内热舒适。

建筑朝向与整体布局：1.将住宅建筑布置在向阳、避风的地段，由于冷气在低洼的地方容易聚集，易在冬天形成霜洞效应，因此也应避免将房屋建在凹地处。2.建筑外表面避免过多的凹凸，控制建筑外表面面积。3.尽量避免建筑大面积朝向冬季主导风向，并在迎风面上减少窗洞的开启。4.合理利用周边地形与绿化，使周边房屋和绿化成为挡风屏障。5.夏热冬冷地区在冬季南向获得的太阳辐射远大于其它朝向，因此应保证建筑墙体大面积朝南且将主要活动房间设计于建筑南边，利用建筑物南向墙面和南向窗户吸收太阳辐射热，增加透过南面窗户进入室内的太阳辐射。

提高围护结构保温性能：提高围护结构的保温性能力，主要可从控制围护结构的传热系数和加强热桥部位的保温两方面着手。1.采用高蓄热性能材料，减少室外温度波幅对室内产生的影响。晚上，墙体等材料将储存吸收的热量散发，可防止室内气温在晚上骤降。2.提高围护结构的保温性能，以减少室内热环境受室外低温的影响。3.提高门窗的密闭性，控制门窗的空气渗透量，避免过大的室内热损失。4.采用蓄热墙体或蓄热屋顶，通过自然方式收集和传送辐射热量。5.增加围护结构传热阻，减少室外环境对室内热环境影响。6.采用外保温的构造措施，减少热桥处损失热量，同时增强房间热稳定性。

（2）防热设计：热工规范中规定，夏热冬冷地区必须充分满足夏季防热要求。夏季气温炎热、太阳辐射照度很大，容易造成室内气温过高，再加上室内外空气湿度大、风速小，容易造成人体排汗蒸发散热受限，导致室内热环境不理想。被动式的防热设计主要依靠减少室内传入热量，并使室内热量尽快排出室外，主要措施有：选择正确的朝向和总体布局，增加围护结构隔热，组织良好的自然通风，采取合理有效的遮阳措施等方式。

朝向与总体布局：① 合理组织通风通道，将风引入社区内部，避免建筑阻挡风道。②建筑尽量靠近南北朝向，以保证靠近夏季主导风向。③ 考虑地理气候因素，充分利用水陆风、山谷风增强室内通风 。④ 避免主要房间受到东、西向日晒，避开不利气候因素对室内热作用。

围护结构隔热：① 合理选择围护结构材料，增大围护结构传热阻。② 将围护结构表面刷白，增加围护结构对太阳辐射的反射量。③ 设置通风层，通过流体的热量交换带走围护表面热空气，同时空气层也可使围护结构热阻的增加，减少室内得热。④ 在窗玻璃中设置空气间层，使用 lowe 玻璃，在空气层热表面粘贴铝箔增加对太阳辐射的反射。

自然通风：① 尽量使房间的进风口面向夏季风主导风向，利用风压原理促进室内外空气交换。② 利用热压原理，使进风口低于出风口，增加自然通风。③ 合理利用各构造措施组织室内通风路线，保证室内流场均匀和适宜风速。④ 合理设计进、出风口位置和面积，增大室内影响区域保证通风效果。

建筑遮阳：① 在夏季，窗口遮阳可防止太阳光通过窗口直射入室内，引起室内气温过高。② 绿化遮阳利用植物蒸腾、光合作用消耗太阳辐射热的同时，植物的叶茎等部位也能阻挡大部分太阳光线的直射。③ 利用空斗墙等墙体构造，在墙体上下两端开排风、进风口设置通风遮阳墙。也可使用陶土烧纸或混凝土浇筑的花格砌成遮阳墙，遮阳墙还可根据光线变化产生不同光影，营造唯美的建筑艺术效果。④ 加宽挑檐、设置百叶挑檐、设置外廊和凹廊、阳台等构造措施，结合建筑构件处理遮阳问题。

（3）天然采光：夏热冬冷地区区域与我国《建筑采光标准》中光气候分中的第Ⅳ、Ⅴ分区区域大致相同，此区域内光气候系数 K 值分别为 1.10 和 1.20（成都、重庆、贵州部分地区），室外天然光临界照度值为 4500 和 4000，在全国范围内排在末尾，因此需注意该地区的天然光利用需因地制宜，不能照搬其它地区的天然光设计。 

采光口与照度：采光口的位置与大小最大程度上决定了室内天然光照度的大小，居住社区内除别墅外的建筑由于楼层多、每间房相对面积不大，所以一般采用侧向采光。在侧向采光口面积相等、窗台标高一致时，正方形采光口采光量最大，竖向矩形次之，横向矩形最差，在设置住宅采光口时应注选择合理的形状，以达到理想的室内天然光照度。另外，房间内采用浅色的地面、屋顶和天棚可以有效增加室内反射光照度，提高室内亮度。

室内照度均匀度：居住建筑多数采用的是侧面采光，而侧面采光对于大进深房间的采光均匀性不利，照度不均匀易造成人眼疲累、视功能下降。居住建筑可通过适当提高侧窗窗台位置和增强房间离窗口较远处的照度等方式来增加室内照度均匀度。

眩光：侧窗由于位置相对较低，人眼易通过窗口见到明亮的天空而产生眩光，窗口处的绿化处理和遮阳设置得当可在一定程度上避免室内眩光。

社区内各栋建筑布置：总平面呈行列式布置的居住社区若间距留得不够，前侧建筑对后侧建筑会形成严重的挡光。在全晴天多的地区，朝北房间采光不足，但增加窗面积容易导致热量损失过大。考虑到太阳在南向垂直面的照度较高，将窗口对面建筑的南向立面做浅色处理，可有效增大后栋建筑的北向房间采光量。

（4）绿化组织：居住社区内部的绿化环境在一定程度上可调节局部建筑的微气候，清新室内外空气，而且合理种植的绿化可引导小区内部风道组织，遮挡太阳直射光，在夏季降低小区内部室外整体温度。

二、被动式技术案例使用分析

（1）中鹰•黑森林：中鹰黑森林居住小区位于上海普陀区万里城核心区域，在内环线与中环线之间，南起新村路，西侧紧邻 15 万平方米中央绿化带，居住社区内营造了自然和谐的生态环境，其采用的被动式技术如图 3-15 所示。

围护结构：外墙实体部分采用白色饰面，浅色表面可增大对太阳辐射的反射率，减少室内由于太阳辐射的热。同时外墙使用了双层铝镁复合板，便于外饰面的自清洁，可自主保持干净的外立面。保温层采用 10cm 厚的岩棉层，加上构造处理可达到比传统外墙高 10 倍的保温性能，同时结合各层构造可有效隔音，降低外墙龟裂可能性。由于对景观视线的考虑，建筑大面积采用玻璃幕墙作为围护结构，为了保证室内热舒适性，玻璃构造采用了四层超薄玻璃和双层中空 lowe玻璃，开向室外的门框与窗框采用断桥隔热铝合金门窗，此两者结合可以达到与实体墙相同的保温效果。

生态绿化：在地面绿化方面，与同时代普遍采用的社区绿化方式不同，其社区绿化强调高品质与高密度，社区内 11000 余棵巨大樟树构成了整片的小森林，社区内人体感觉温度比社区外环境降低 3-5 ℃。  同时采用了绿化屋顶进一步增加社区内的绿化面积，屋顶绿化结合社区高质量的小森林降低了社区的热岛效应，形成宜人的社区微气候。

（2）上海青浦环境监测站：青浦环境监测站位于上海市青浦区，占地面积5000 ㎡，建成时间为 2011 年。如图 3-16 所示，建筑设计通过人本身对自然的观察、直观的体验周遭环境等方式，融合西方“科学自然观”和中国“人文自然观”，形成了感染人内心的“现象自然观”。采用“三墙、三院、三楼”的手法，糅合了墙与院的空间，并由此形象化的构成建筑形体。

外围护结构：建筑外墙围护结构选用了大面积的实墙体，在造价相同的情况下，实墙体的保温性能优于玻璃幕墙，可在节省成本的前提下减少室外气温对室内产生的影响，增加围护结构的热惰性。而大面积的白色墙面与小面积灰色的结合，对当地传统建筑和本地文化的同时也减少了夏季太阳辐射得热。 

生态系统：在建筑立面外墙处理上，采用了绿色植物墙面。通过植入钢钉悬挂钢索的方式，使钢索作为藤蔓植物生长的骨架。由于植物不是直接攀附于外墙墙面，因此外墙不会受到植物根茎系统的影响，不减短构造层的使用寿命也降低了建筑运营维护的难度。绿植墙体一方面通过植物的蒸腾和光合作用降低了围护结构外表面温度、清新了空气，一方面起到遮档太阳直射光的作用，避免室内由于受太阳辐射影响产生过热的情况。与此同时，外挂钢索也给鸟类提供了栖息的空间，同时鸟类的排泄物又可为藤蔓生长提供自然肥料，形成一个有机循环。 

此外，在建筑入口的屋檐通过反梁结构形成二层室外的植物种植空间，有效降了低屋檐下的室外温度，也为上层建筑整个楼层提供了宜人的植物景观。室外庭院采用自然植被和青砖组合，组成砖与土壤间隙排列的透水性铺装，构成了自然可渗透的下垫面并能最大程度的将雨水保留于土壤之下，营造了良好的建筑室内外微环境。

三、主动式节能技术

主动式技术是指，通过机械的手段结合技术配套设施，以满足在建筑使用过程中室内环境舒适的需求。主动式节能技术是指，保证主动式技术调节所达到的舒适度条件，通过对建筑内部运行设备的性能优化，避免或减少主动机械设备及配套设施消耗的不可再生能源。主动式节能技术主要有地源热泵系统、水源热泵系统、太能光伏系统、风能发电系统等，通过减少机械设备和不可再生能源的消耗，达到节能的目的。

主动式节能技术既保证了人对生活环境的需求，又兼顾了减小设备运行对环境产生的负面影响。虽然主动式节能建筑在项目前期需要的投入的资金比被动式建筑大、建筑投入使用后也需进行维护管理、其投资回报需要的时间周期也较长，但相对被动式技术来说，主动式技术对室内环境的调节效率更高。主动式节能建筑可通过对机电系统的准确控制、自动检测系统的节能控制等手段，使舒适度参数精确、可控、稳定。

夏热冬冷地区与世界相同纬度地区相比，气候条件是最恶劣的。单纯依靠被动式设计技术，很难满足极端天气下人体对室内舒适度的要求。因此，在夏热冬冷地区必须采取主、被动结合的设计，完全抛弃主动式节能技术设计在该地区是不可行的。

由于地区内全年湿度较大的特性，蒸发冷却技术在此地区内用于降温并不合适。冬季室外气温在 0℃左右不至于过低，夏热冬冷地区内部分地区可考虑选用气源热泵系统，太阳能利用是本地区内清洁能源利用的主要方法，此外智能化节能控制系统也在夏热冬冷地区居住社区内涉及和使用。

（1）地源热的利用：地源热利用方面，由于夏热冬冷地区全年冷热负荷比较平均，在采暖和空调系统的利用上地源热泵非常有优势。盘管系统通过地源热泵将环境中的热能提取出来对建筑物供暖或将建筑物中过多的热能释放到环境中去而实现对建筑物的制冷。夏季可以将富余的热能存于地层之中以备冬用；同样，冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。这样，通过利用地层自身的特点实现对建筑物、环境的能量交换。

地源热泵的地热源利用是在建筑基础施工过程中在地下埋入工程管形成封闭式的循环系统，以水作为载体在夏季将建筑物中的热量转移到土壤中，在冬季则从土壤中提取热量。盘管埋深一般在地下  10－20m  左右的深度，在此之上的土壤温度受外界气候影响而产生季节性波动；在此之下的土壤温度受地心热力影响，每向下  33m  土壤温度上升  1℃左右。但在此深度范围内，夏热冬冷地区土壤温度全年保持在  13℃左右。（2）太阳能利用：在太阳能利用方面，地区内夏季太阳辐射热大于 1000MJ/ m²，但在冬季的太阳辐射热小于 750 MJ/m²，四川盆地等山区更不足 400MJ/m²。因此，在太阳能利用方面，不应盲目跟从太阳能资源丰富地区经验。太阳能的利用途径主要有光电转换和光热转换两种。夏热冬冷地区冬季太阳辐射量小，而太阳能光电转化率在采用多晶硅组件时约为 20%，采用薄膜组件时转化效率更低约为 10%。由此看出在居住社区内采用光电转化的太阳能利用性价比不高，但光热转换的光热转换率约为 50%，技术较成熟、使用成本较低。因此，目前在居住建筑中主要的太阳能利用方式还是光热转换方式。

四、主动式技术案例使用分析

上海青浦环境监测站：在主动式技术层面上，本项目主要应用了夏热冬冷地区适用的地源热泵系统，达到社区内建筑冬季保温采暖和夏季降温散热对电网系统产生负荷的目的。如图 3-17 所示，本项目采用地源热泵竖直管井的深度达到地下 80 米，通过大深度的垂直管井与底下恒温进行交换，形成有效的建筑节能策略。

中鹰·黑森林：居住小区采用了多种主动式技术，从而使室内达到可精确控制的温湿度条件，创造了与发达国家相同的室内高端生活方式及相同的舒适居住环境。

（1）建筑整体能源利用方面，项目采用了地源热泵与使用了冰蓄冷空调技术的中央能源系统结合的主动式节能方式，如图 3-18、3-19 所示。地源热泵深入地下利用地源热能量，同时对主机冷凝进行回收，此过程可提供建筑内的生活热水，热水水温可达到 50℃，实现了全年中央热水的低能耗供给及使用。冰蓄冷技术的使用避免了电力系统峰谷差大的情况，避免了高峰时段供电不足而低谷时段电力得不到有效利用的情况，并可减少传统住宅空调运行费用的 30%-50%。

（2）新风系统采用了置换式新风系统，通过控制对进、出风口水平位置的高低，达到上回风、下送风的模式。室外空气经过新风系统过滤除尘、湿度调控等措施之后送入室内。

（3）在建筑遮阳方面采用了智能控制的自遮阳系统，自遮阳系统材料由双层铝板滚压成型，中间填充绝热发泡材料。活动的遮阳卷帘不但能有效阻隔太阳直射辐射，而且有一定的隔音降噪、增加围护结构传热阻的功效。