门窗幕墙的被动设计

　　随着建筑对环境的影响日益明显，“被动设计”作为减少建筑对环境不利影响的一种尝试，得到了越来越多的重视。建筑是离不开当地的气候环境的。各地的传统建筑存在的时间比我们所谓的现代建筑存在的时间要长得多，与当地气候的适应性非常强。
　　
　　随着建筑对环境的影响日益明显，“被动设计”作为减少建筑对环境不利影响的一种尝试，得到了越来越多的重视。建筑是离不开当地的气候环境的。各地的传统建筑存在的时间比我们所谓的现代建筑存在的时间要长得多，与当地气候的适应性非常强。它们不仅仅具有历史文化价值，它们绝大多数仍然具有使用价值，对他们进行建筑物理方面的研究是具有非常重要的意义的。但是，我们知道传统建筑的体形系数都比较大，一般在0.5~0.7之间，它们有足够的空间可以在建筑物理方面做文章。对于我们这种人口大国来说，完全的回归传统是很难做到的，人口的增长和城市化进程要求我们必须针对现有的高容积率的建筑形式提出解决方案，去适应城市化导致的人口集中，同时确保居住者的舒适。
　　
　　1.“被动设计”的原则
　　
　　以往建筑师更多地从结构角度看待外立面，通常把建筑外立面叫做围护结构，更多地强调封闭和隔断。但对于“被动设计”，应该尽量多地利用建筑周围的自然环境中的有利因素。因此我们把它看作一种能够随环境动态变化的半透膜，把不利的环境条件隔离掉，把有利的环境条件引入到室内。设计这种半透膜式的外立面的目的和着眼点是确保使用者的舒适，没有了这个前提，其他任何努力都是没有意义的。舒适完全可以用一些特定的指标来量化，而且这些指标不会因为居住者的肤色和种族不同而变化。因此，我们说“被动”的外立面设计应遵循的原则是：在确保舒适的前提下，使外立面动态地适应环境变化，最小化建筑能耗，也就是尽量节约由于采暖、制冷、通风和照明所消耗的能源，同时利用建筑的空闲立面来生成能源。
　　
　　2.“被动设计”要考虑的几个关键因素
　　
　　a)门窗保温和控制
　　
　　提高门窗的保温性能和气密性能是建筑节能不可或缺的措施之一，特别是针对有采暖要求的地区。随着热传导系数(U值)的降低，门窗的保温性能会相应提高，采暖能耗会相应降低，但是当门窗的热传导系数(U值)降至1.5W/(m2K)以下时，继续降低热传导系数所带来的益处与付出的成本之比(益本比)就会明显下降。以上考虑的只是采暖工况，强调的是仍然是隔断和封闭。在制冷工况或适于自然通风的工况下，门窗的保温性能就并不显得很重要了，相比之下，门窗的开启方式和控制方式对于有效节约能源的作用会更大一些。将门窗的开启方式和开闭状态置于电控和程序控制之下，就可以利用昼夜温差和室内空气流向，调节室内温度和空气质量，其所耗费的能量要远远低于空调能耗。
　　
　　b)外墙保温
　　
　　在炎热潮湿地区和炎热干燥地区，年平均温度大于25℃，在墙面和屋面上添加40mm的保温层后，对降低制冷负荷的效果并不明显(均小于5%)。而对于夏热冬冷地区的采暖负荷的降低贡献很大(达到20%)。因此在夏热冬冷地区和寒冷地区的建筑墙面和屋面上敷设保温层能够有效提高外墙表面温度，从而节约采暖能耗，提高室内舒适性。对于夏热冬暖地区，则需要仔细考虑铺设保温层的初期投资成本和节约制冷能耗的效果。在定量分析保温层的经济厚度时，我们发现，针对制冷负荷的保温层经济厚度为40mm，大于这个厚度对于继续降低制冷负荷的作用会不明显;针对采暖负荷时，保温层的经济厚度则为80mm。
　　
　　c)遮阳
　　
　　最有效率的遮阳形式(外遮阳)与最不节能的内遮阳形式之间的差异非常明显，最多可以达到10℃，这种结果使室内的舒适性出现巨大差异。我们知道，空调设备的选型是以夏季室内最高温度为依据的，选择正确的遮阳形式对降低初始投资和运营成本的意义重大。
　　
　　d)夜间通风
　　
　　在昼夜温差较大的地区，利用夜间室外较凉的空气来冷却建筑主体是一种非常有效的降低制冷负荷的手段。两个相同热惰性的房间内，有夜间通风时，室内温度能够降低2到6℃另外，热惰性较大的房间的温度要比热惰性较小的房间低4℃左右。似乎热惰性较大的房间节能效果更明显，特别是在白天运营状态下。因此，在温带和亚热带的昼夜温差较大的地区，最有效的降低通风和通调系统初期投资和运营能耗的方法是，设计具有较高热惰性的房间，同时使外窗具备夜间通风功能。但是，如果该地区室外湿度较大或昼夜温差不明显，采取夜间通风方式并不足以帮助冷却建筑主体，反而会破坏室内的舒适。
　　
　　e)自然采光
　　
　　由于公共建筑能耗中的40%被用于人工照明，因此采用一些适当的技术将自然光引入室内，并使其不受日照角度和云层的影响，柔和地分布在室内，对于节约能源和创造健康舒适的室内环境有着重要的意义。在不采用日光引入系统的普通房间中，照度随着与窗口的距离增大而迅速衰减，在增加了不同形式的日光引入系统后，室内的自然采光状态明显改善。
　　
　　以上谈到的几个针对门窗幕墙“被动设计”的影响因素是综合作用的。优化它们的过程就是最大限度地利用当地气候中的有利因素去对冲人工调节的能耗。一个很好的应用实例是我们目前在国内越来越常见的双层幕墙。这种构造形式，我们与其将其成为一种新型产品，还不如把它叫做前面几种影响因素综合优化后的一种结果。它是在综合考虑该建筑所处的风环境、光环境、热工环境后，优化了各个立面的保温、遮阳、通风和采光，设计出的一种外墙构造。所以我们说双层幕墙不是一种标准产品，而是被动应用气候条件的一种构造形式。
　　
　　这种随当地气候动态变化的墙体，对冲了建筑周围环境变化幅度，确保了室内相对恒定的舒适环境。这样，即使在一些极端的环境条件下，人工调节系统的介入是不可避免的，但无论如何都能够使能耗最小化。