庄 园

1 公共建筑能耗及被动式节能技术

（1）公共建筑能耗。公共建筑包括办公建筑、商场建筑、旅游服务类建筑、文化教育类建筑以及体育建筑等，目前各个省份和直辖市已经建立了大规模的公共建筑能耗监测系统。图1 是国内某直辖市2020 年各类公共建筑年用电占比情况，其中办公建筑、商场建筑以及综合建筑的用电份额均超过20%，尤其是办公建筑，其占比接近30%。另外，该城市的统计数据反映出夏季制冷消耗的能源约为冬季制暖的1.5 倍，制冷时的平均能耗达到了40.2 kW·h/m2，冬季制暖时的平均能耗达到了26.5 kW·h/m2。由于公共建筑在城市管理、商业经营等各个方面都发挥着非常重要的作用，并且此类建筑物体量巨大，整体能耗占比突出，因此成为节能管理重点。

图1 国内某直辖市2020 年各类公共建筑年用电占比情况

（2）被动式节能技术。被动式节能技术不依赖建筑物中的各种机械和电气设备，其主要理念是充分利用自然环境中的风、光、热等能源，科学合理地设计建筑物主体，达到降低能耗的目的。被动式节能设计包括3 个方面：一是建筑物场地选址和设计，该项为设计重点；二是建筑物空间和体型设计；三是建筑物围护结构设计[1]。

2 被动式节能策略在公共建筑规划设计阶段的实践应用

2.1 公共建筑朝向设计

（1）朝向影响风环境。风力作用对建筑物夏季降温和冬季保暖具有非常显著的影响，如果能合理设计建筑物朝向，那么将有助于减少空调的使用，依靠自然通风获得舒适的体感。我国冬季多以西北风向和东北风向为主，而夏季则以东南风向和西南风向为主，在设计建筑物朝向时应充分考虑季节性因素，夏季要尽可能利用自然风达到降温换气的效果，而进入冬季后则要通过保温来降低能耗，避免主导风穿过建筑物。因此，公共建筑朝向设计时可根据每个地区的季风特点，将外立面设计为与冬季主导风向垂直并减少通风面积，同时要有助于夏季主导风向通过，减少阻挡面积[2]。风向与建筑朝向的关系如图2 所示。

图2 风向与建筑朝向的关系

（2）朝向影响建筑物采光。朝向直接影响建筑物的采光效果，合理设计建筑物朝向需做到采光和建筑室内温度控制的平衡。采光的最佳方向是朝南，但正对南侧会导致夏季室内热辐射过强，因而需采用南偏西或者南偏东的朝向，角度调整范围均控制在东西两侧15°，同时建筑物南侧不应设置遮挡物，以免影响整体的采光效果。另外，正东、正西的采光设计均不可取，如果受到场地限制等因素影响不得不在正东、正西的方向设计窗户，那么就要控制采光面积并通过绿植遮挡阳光，避免直射。

2.2 景观绿化设计

景观园林绿化是公共建筑设计中重要的组成部分，园林绿化植被系统具有遮光、改变风向、阻挡寒风以及吸收环境热量等作用。

在炎热的夏季可借助景观园林遮蔽直射的阳光，尤其在建筑物的东、西两个方向；在冬季，建筑物外围的植被系统可阻挡强风，减少建筑物的热量散失。此外，在设计园林绿化植被时要将其布署在冬季主导风向上，夏季主导风向的空间也要预留出来，以便夏季穿堂风的形成[3]。

2.3 地面处理措施

传统建筑工程中，公共建筑周边及内部地坪多为混凝土硬化地面，这种结构在夏季阳光辐射作用下会吸收大量热量，不仅地表温度很高，其散热速度也非常缓慢，形成了城市热岛效应，因此被动节能设计中应改变地面铺装形式。例如，在旅游类建筑的内部，可以设计大量透水铺装材料和湿地系统，这种地面对热量吸收率较低，会直接反射太阳辐射的热量。

另外，根据实践经验，浅色铺装材料不易吸收热量，而深色铺装材料的吸热能力比较显著，因此地面铺装和各种建筑物表面铺装都尽量采用浅色材料。

3 被动式节能策略在公共建筑及图纸设计阶段的实践应用

3.1 建筑体型和空间设计

3.1.1 基本原则

（1）夏热冬冷地区的设计原则。北方地区的夏季炎热且持续时间较长，冬季气温较低；南方地区则是夏季湿热，冬季阴冷。对于夏热冬冷地区，公共建筑体型与空间设计的基本原则是采用舒朗开敞的空间布局，形成有利于夏季导风的结构形式，同时兼顾冬季防风，并利用自然通风系统，在东、西两面少量开窗且设计隔热措施[4]。

（2）湿热地区的设计原则。加强各个方向的遮阳设计，并且利用挑檐、挑台以及回廊等结构增加户外阴影空间，同样以舒朗开敞的布局为主，尽可能利用自然通风。

3.1.2 窗墙面积比

窗墙面积比对建筑物采光、通风、散热以及保温的影响较大，通常窗墙面积比越高，采光和通风效果越好，但如果窗户占比过大，那么对于建筑物的冬季保温又会产生负面影响。因此，设计时需通过科学模拟和计算确定合理的窗墙面积比。同时，地区的气候特点对窗墙比设计也具有重要影响，北方寒冷地区要适当降低窗墙面积比，减少散热面积。《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）中对公共建筑的窗墙面积比设计有着明确规定：严寒地区的甲类公共建筑单一立面窗墙面积比不得超过0.6，非严寒地区（包括寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区）均不得超过0.7；为了满足采光需求，公共建筑窗墙面积比不得低于0.4，若因结构限制无法达到0.4 的最低窗墙面积比，则透光材料的可见光透射比不得小于0.6[5]。从表1 可以看出，公共建筑南侧和北侧墙面的窗墙面积比明显高于东、西两侧。

表1 公共建筑窗墙面积比示例

3.1.3 自然采光

（1）公共建筑整体采光要求。公共建筑周边通常相对比较开阔且建筑高度也低于住宅建筑，这种布局形式有利于自然采光，不同类型的公共建筑对采光的要求存在很大差异。例如，图书馆、综合性服务建筑以及文化馆等对自然采光的要求比较高，而剧院、影院、健身馆和体育馆等公共建筑对采光的整体要求较低。因此，在设计时可将采光要求较高的公共建筑布置在南侧，而要求较低的公共建筑应布置在北侧。另外，大型公共建筑中大多设计有中庭结构，而中庭剖面的高宽比显著影响了室内照明效果，高度小、宽度大的中庭剖面结构有利于阳光洒满室内，阳光经过多次漫反射将明显提高室内的整体照明效果[6]。

（2）采光模拟。采光设计方案的科学性与合理性可通过软件系统进行模拟。例如，可以借助和使用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）中的Ecotect Analysis 软件实施采光模拟，具体实施方法是建立完整的公共建筑模型，导入气象数据并设计建筑物网格，合理控制网格密度，设置完基础参数后由计算机自动完成计算。

3.1.4 自然通风设计

（1）风压通风。公共建筑室内的空气压力相对比较稳定，而室外空气压力主要决定于大气压和局部风力作用，大气压维持不变，但局部风力作用会导致风压增加。当室外大风、强风等吹向建筑物时，外部风压会高于室内风压，此时便产生了风压通风，在风力作用下室内空气流动并带走热量，给人以舒适感。要想利用建筑物的自然风压，应使夏季主导方向的窗墙面积比较大，并且建筑物的整体结构布局要有利于空气流通。因此，建筑物的窗户既要满足采光要求，又要满足通风需求，同时还要减少热量散失，满足被动式节能要求。

（2）热压通风。公共建筑内部空间较大，靠近顶棚的部分设计有中庭，其顶部和侧面的采光较充足，而中下部的采光效果相对较差，形成上下温差，此时上部空气气压大于下部，打开气窗可实现上下空气对流，形成热压通风效应。烟囱、气窗等结构在热压通风中均发挥着重要作用。

3.2 建筑围护结构设计

围护结构主要指公共建筑上的玻璃材料、外墙保温隔热材料以及表面涂层材料等，被动式节能建筑设计要求提高建筑能量利用率。由于屋面、墙体等结构直接与外部空间相连，因此成为室内外空间实现能量交互的主要媒介。围护结构的设计重点如下。

（1）外墙围护结构。墙体作为主要的承载结构，多为钢筋混凝土结构或钢结构。外墙隔热保温材料是墙体上最重要的节能型材料，其主要作用是避免室内热量流失，同时减少外部热量向室内传递，目前常用材料为聚氨酯板、岩棉板、玄武岩憎水棉板以及挤塑板等。玻璃幕墙是现代城市建筑中常用的设计形式，这种材料的透光率、折射率与反射率等均可预先设定，能较好地防止热辐射[7]。

（2）花园屋顶。公共建筑的屋顶结构大多为平面或者带有一定坡度的屋面，其中花园屋顶、种植屋顶可起到冬季保温、夏季隔热的作用，从而提高建筑物的整体节能效果。屋顶花园设计时可采用乔木、灌木以及草本植物，乔木不宜太高，防止其在大风天气出现折断的情况。由于屋顶往往存在高温暴晒和低温冻害方面的风险，因此对植被系统的环境适应能力提出很高的要求，设计时应优先选用抗旱、耐寒的植物。

（3）节能型屋面结构。屋面结构的设计影响着公共建筑屋顶的防水性能、隔热性能以及保温性能，在被动式节能设计中要进一步提升屋面结构的节能性。屋面结构中的防水层主要为卷材防水或者涂料防水，保温隔热层可使用挤塑板、聚氨酯板等，在节能建筑设计中还可在隔热层和防水层之间增设轻质架空隔热板。另外，公共建筑屋顶还可大面积设计太阳能集热系统，通过设计光伏板吸收大量太阳辐射，避免屋面结构直接吸收热量，同时还能起到良好的遮阳作用。

4 结语

公共建筑被动式节能设计主要围绕3个层面进行分析，其中建筑场地设计主要关注朝向、采光、通风以及周围的景观绿化设施等。

建筑体型和空间设计的重点是科学控制窗墙面积比，以获得合理的采光方式和通风路径，并在通风管理中尽可能实现风压通风和热压通风。而围护结构设计主要包括公共建筑墙体、屋面以及屋面植被系统，重点在于强化保温、隔热效果。