2.2　被动式节能技术

2.2.1　概述

被动式节能是近年来非常流行的一种建筑设计方法与理念。它主要指不依赖于机械电气设备，而是利用建筑本身构造减少冷热负荷，注重利用自然能量和能量回收，从而降低建筑能耗的节能技术。具体来说，被动式节能技术在建筑规划设计中，通过对建筑朝向和布局的合理布置、建筑围护结构的保温隔热技术、遮阳的设置而降低建筑采暖、空调和通风等能耗。目前，一般把自然通风以及用于强化自然通风效果的辅助机械设备（如泵、风机和能量回收设备等）归类于被动式节能技术。

被动式节能技术虽然包含许多新的技术，但它并不是一个新的概念。中国传统建筑一般都非常巧妙地利用了高效的围护结构、自然通风、自然采光等被动式节能技术来实现节能的目的。例如，我国典型的徽派建筑、岭南建筑等，建筑天井小、四周阁楼围合，建筑自身构成一个烟囱效应的通风口，在带走室内热气的同时，室外凉风可从建筑阴影区底部进入，形成自然的通风廊道散热。又如，我国北方的土筑瓦房，土层厚、保温隔热好，并且采用三角形拱顶结构，有充分的容纳热气的空间，质朴的设计却实现了高效的节能结果。此外，北方地区的窑洞还可以充分利用土壤层与室外的温差，自然而然地实现了冬暖夏凉的效果，除了采光受限外，可称得上是最早的低能耗建筑。

被动式节能技术的流行是因为人们对自然环境的关注，以及碳排放的压力。在2.1节中已提到不断增长的建筑能耗使得节能减排的压力也在不断增长。举例来说，清华大学20世纪八九十年代修建的教学楼，每平方米耗电大于为30kW·h，而21世纪初新建的教学楼，每平方米能耗涨到了60kW·h以上。这些因素都使得节能技术，特别是被动式节能技术日益受到重视和流行，传统建筑的一些设计理念又逐渐回归。

被动式节能技术的利用可以使得建筑的冷热负荷大幅降低。在寒冷地区，通过高效的保温措施，并充分利用太阳、家电及热回收装置等带来的热能，不需要主动热源的供给，就能使房屋本身保持一个舒适的温度，消耗的能源非常少。现在，这种基于被动式节能技术建造的建筑又被称为被动式节能屋（德语：passivhaus）或被动式房屋。它不仅适用于住宅，还适用于办公建筑、学校、幼儿园、超市等。普通住宅与被动式房屋的对比如图2-8所示。

被动式房屋的概念最早由瑞典隆德大学的Bo Adamson教授和德国被动式房屋研究所（passivhaus institute）的Wolfgang Feist博士于1988年提出。成立于1996年的德国被动式房屋研究所致力于推广和规范被动式房屋的标准。截至2010年，仅在德国就有13000多座被动式节能屋投入使用，2012年全世界有37000座被动式房屋。这些被动式房屋不但有独栋房屋，还有公寓、学校、办公楼、游泳馆等。特别是多层建筑，更能体现它的优势。例如，位于Innsbruck的能容纳354个住户的Lodenareal项目是世界上最大的被动式建筑。

被动式节能技术应用于不同气候条件时，其基本方式是一致的，特别是保温、窗户和遮阳的设计，但却不能直接复制应用，应根据不同地区的气候条件予以调整和优化。在寒冷地区建筑的主要需求是采暖，因此更关心墙体厚度、保温层厚度、采光的设计。而在夏热冬暖地区建筑的主要需求是制冷、除湿，因此遮阳、通风以及热回收才是建筑设计关注的重点。被动式房屋起源于欧洲寒冷地区，在我国多样化的气候条件中应用时，可以借鉴但却不能照搬。

被动式节能技术的方式多样，总体来说，有以下几种分类：

（1）外围护结构节能技术。

（2）节能窗技术。

（3）遮阳。

（4）采光技术。

（5）通风技术和设备。

（6）被动式采暖技术。

（7）建筑热质与相变材料。

下面就典型的被动式节能技术进行介绍。

2.2.2　外围护结构节能技术

建筑围护结构，包括墙体、窗、屋顶、地基、热质量、遮阳等，将室内外环境隔离开来，是决定室内环境质量的重要因素。寒冷和严寒地区冬季采暖负荷高，炎热地区夏季制冷负荷高。这些冷热负荷大部分是由于建筑外围护结构与外界环境的热交换造成的。有效的围护结构可以形成良好的保温隔热系统，从而大幅降低建筑的冷热负荷，进而降低建筑能耗。香港理工大学陈国泰教授的研究表明：设计良好的外围护结构可以降低湿热地区高层公寓楼36.8％的峰值负荷，可节能31.4％。低能耗建筑的一个显著的特点就是具备高效的保温隔热系统。因此，降低建筑空调能耗的重点是提高建筑围护结构的热力学性能，降低传热系数，提高气密性，从而减少热损失。

下面对主要的围护结构节能技术及其最新进展进行介绍。

2.2.2.1　高效能的建筑外墙保温技术

满足建筑节能50％的节能外墙，其构造主要有四种：单一材料节能外墙、外墙内保温系统、夹芯保温外墙、外墙外保温系统。

单一材料节能外墙仅限于用保温砂浆砌筑的加气混凝土砌块和煤矸石多孔砖等少数几种材料，且墙体厚度较大，在窗口等热桥部位还需要做保温处理，局限性较大，用量较小；外墙内保温系统则面临热桥问题难以解决、占用室内空间较多、保温层及内粉饰层易开裂、不便于二次装修等许多缺点；夹芯保温外墙最大的优点是内外粉饰均不受影响，且造价较低，但这种做法施工比较麻烦、不易拉结、安全性较差、不易保证工程质量且因保温层不连续，存在较严重的热桥问题、结露问题。

目前比较流行的是外墙外保温系统，即exterior insulation and finish system（EIFS）或external wall insulation system（EWIS）。如图2-9所示，EIFS设置在建筑物外墙外侧，由界面层、保温层、抗裂防护层和饰面层（面砖或涂料）构成，对建筑物能起到冬季保温、夏季隔热和装饰保护的效果。保温层通常通过黏结或/和机械方式固定到基底上。外墙外保温系统使用寿命较长，平均为30年，有的甚至达到40年。

外墙外保温系统通常以膨胀聚苯板为保温材料，采用专用胶黏剂粘贴和机械锚固方式将保温材料固定在墙体外表面上，聚合物抹面胶浆作保护层，以耐碱玻纤网格布为增强层，外饰面为涂料或其他装饰材料而形成的。保温材料也可以是XPS、PU等其他材料。

外墙外保温系统是欧美发达国家市场占有率最高的一种节能技术，适用地区和范围非常广，包括寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的采暖建筑、空调建筑、民用建筑、工业建筑、新建筑、旧建筑、低层、高层建筑等均可采用。外墙外保温系统有许多优点：外保温可以避免产生热桥；外保温的基层墙体在内侧，具有蓄热好的优点，可减小室温波动，舒适感较好；外保温可减少夏季太阳辐射热的影响，使建筑物内冬暖夏凉；外保温可提高外墙内表面温度，即使室内的空气温度有所降低，也能得到舒适的热环境；外保温可使内部的实墙免受室外温差的影响及风霜雨雪的侵蚀，从而减轻墙体裂缝、变形、破损，以延长墙体的寿命；外保温不会影响室内装修，并可以与室内装修同时进行；外保温适用于旧房改造，施工时不会影响住户的生活，同时会使旧房外貌大为改观。图2-10所示为使用外墙保温系统改造的德国一古砖石建筑，改建后，不但节能性能提升，外观也大为改善。

外墙外保温系统选用的保温材料，对保温层厚度、施工工序、工期和造价等有很大的影响。外墙外保温系统的保温材料的种类很多，常用的有膨胀聚苯板（EPS板）、挤塑聚苯板（XPS板）、聚苯颗粒浆料、聚氨酯硬泡体、矿棉、玻璃棉、泡沫玻璃、纤维素和木质保温隔热材料等，图2-11所示为典型保温材料的导热系数曲线。从这些保温材料的技术性能来看，各种性能较好的材料是聚氨酯硬泡体和挤塑聚苯板。但从技术成熟度及应用来看，膨胀聚苯板则是目前使用最广泛的绝热材料，已占据德国82％以上的市场，在我国也有较为广泛的应用。

膨胀聚苯板（EPS板）是用含低沸点液体发泡剂的可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后，在模具中加热成形。它具有自重轻和极低的导热系数。EPS板的吸水率比挤塑聚苯板（XPS板）偏高，容易吸水，这是该材料的一个缺点。EPS板的吸水率对其热传导性的影响明显，随着吸水量的增大，导热系数也增大，保温效果随之变差，在使用时要特别注意。

除了EPS板等常用的保温隔热材料外，还有许多新型的绝热材料被研发应用，效果优异的材料主要包括气凝胶保温材料、真空保温材料等。

气凝胶保温材料是绝热性能非常优异的一种轻质纳米多孔材料，它具有极小的密度和极低的导热系数，非常薄的材料即可达到非常好的绝热效果。气凝胶是由胶体粒子相互聚集构成的，一般呈链状或串珠状结构，直径为2～50nm，其内部孔隙率在80％以上，最高可达99％。从形态上说，典型的SiO2气凝胶可以制成颗粒、块状或者板状材料。气凝胶密度为0.05～0.2g/cm3，是世界上最轻的固体，被誉为“固体的烟”。气凝胶常温下的导热系数低至0.015W/（m·K），是目前已知绝热性能最好的固体材料。但由于气凝胶制备较为复杂且强度不高，因此一般与其他材料结合加工成板材等复合绝热材料。目前国内外已有多家公司制作出以气凝胶为填充物、聚酯纤维等材料作为内芯的隔热板材，例如美国波士顿Cabet公司，日本Dynax公司，国内的纳诺科技、长沙星纳气凝胶有限公司等。这种材料集超级隔热、耐高温、不燃、耐火焰烧穿、超疏水、隔音减震、环保、低密度、绝缘等性能于一体，非常适合于建筑节能墙体材料。

真空保温材料通常采用微孔硅酸作为支撑，硅酸表面包裹一层薄膜，多借助滑道或黏合剂进行固定。真空保温材料的导热系数为0.007～0.009W/（m·K），其保温性能优于传统的保温材料10倍，2cm的真空保温层的保温效果相当于20cmEPS板的保温效果。但真空保温材料极易受损，且需要进行现场质量控制，相对于传统保温材料费用较高。

保温材料的厚度是随着节能意识的提高以及对保温层作用的了解而逐渐增加的。例如，德国法规对保温层厚度的规定，从1980年的4cm，逐渐提高到6cm、8cm，直到现在的10cm。研究发现，保温层厚度为20cm时，经济性能比达到最佳，因此，在德国新建低能耗住宅外墙保温层的厚度都在19～20cm，而被动式房屋中如果采用EPS板，外墙保温层厚度一般为24～30cm，如图2-12所示。但应注意的是，保温层厚度的确定也与保温材料的选择有关。例如，选用XPS板时，因为XPS板的导热系数比EPS板小所以厚度可适当降低。另外，保温层也不是越厚越好，保温层越厚，其表面变形越大，对外粉饰产生裂缝的影响也越大，故保温层的厚度不宜过大保温层的厚度以满足节能设计的标准为宜。

2.2.2.2　屋顶和地面

建筑围护结构中，屋顶是受太阳辐射和其他环境影响最大的部分，也是建筑得热的主要部分，特别是对于大面积屋顶的建筑，如展览馆、音乐厅、运动馆等。因此，要提高建筑综合热性能，就必须重视屋顶的热性能表现。低能耗建筑对屋顶的传热系数U值的限制也在不断加强。例如，英国对新建建筑屋顶传热系数的要求从1985年的不大于0.35W/（m2·K）变为现在的不大于0.25 W/（m2·K）。典型的屋顶绝热系统由屋面、隔热层和反射层组成，如图2-13（a）所示。图2-13（b）是优化设计的屋顶绝热系统，它可以使屋顶背面的温度降低10℃以上。

反射层通过反射阳光而减少对太阳辐射的吸收，进而降低建筑的热负荷。反射层一般为铝箔等材料或涂料，其性能一般用太阳反射率（SR）和红外辐射率来表示。增大SR或红外辐射率可以降低屋顶温度。传统屋顶的SR一般仅为0.05～0.25，而带有反射层的屋顶的SR可以达到0.6，甚至更高。例如，白色弹性涂层或铝涂层可以把SR提高到0.5，甚至更高。对部分产品来说，SR的增加还与涂层厚度有关。试验发现：带反射涂层的屋顶，其最高屋顶温度可以降低33～42℃；对于单层商业或工业建筑，高SR的屋顶可以降低制冷负荷5％～40％，峰值负荷5％～10％。

屋面保温隔热材料一般分为两类：一是板材型材料，如XPS板、EPS板、硬泡聚氨酯板（PU）、玻璃纤维、岩棉板；二是现场浇注型材料，如现场喷涂硬泡聚氨酯整体防水屋面。研究表明：使用XPS板或PU板作为绝热层的屋顶能比不使用绝热层的同类屋顶减少50％以上的热负荷[5]。保温隔热材料的厚度可根据节能标准进行设计。被动式房屋一般要求保温隔热材料的厚度为24～30cm。

除了屋顶绝热系统外，还有很多优秀的被动式节能技术可以应用于绿色建筑的屋顶中来降低建筑热负荷，例如通风屋顶、拱顶、绿色屋顶、蒸发冷却屋顶、光伏屋顶等。

如图2-14所示，通风屋顶一般是由双层板构成的一个允许空气流动的通道，这个空气通道可以降低通过屋顶向室内的传热。通风可以是被动式的，利用烟囱效应来实现空气的流动；也可以是主动式的，通过风机来驱动空气的流动。通风屋顶多见于热带地区，更适用于拥有较高且宽阔的屋顶的建筑。在寒冷的冬季，则建议关闭空气通道，或仅保留非常少的通风以排除少量的凝结水。

拱顶适用于炎热和干燥地区，比如中东地区的传统建筑。通过对拱形屋顶和平屋顶热性能研究发现[6]：拱形屋顶可以在白天有效地反射太阳直射辐射，也可以在夜晚更快速地散热。在应用拱顶的建筑中，75％的热分层出现在拱形区域，从而使得建筑下部的空间相对凉爽。

对凉爽。绿色屋顶更符合绿色建筑的概念。绿色屋顶是在屋顶全部或部分种植植被，一般由防水膜、生长介质（水或土）以及植被组成，也会包含有防水层、排水和灌溉装置。绿色屋顶不仅能反射太阳光，还可以作为屋顶额外的隔热层。与传统屋顶的对比发现：传统屋顶吸收了86％的太阳辐射，仅反射10％；而绿色屋顶仅吸收39％，反射却达到23％[7]。绿色屋顶更适用于没有良好保温隔热的建筑，它可以提高建筑的隔热，但不能取代屋顶隔热层。绿色屋顶的附加载荷一般为1200～1500N/m2，这对多数建筑来说不会造成影响。

蒸发冷却屋顶利用水的蒸发潜热来冷却屋顶，适用于炎热地区。它利用屋顶的浅水池或在屋顶覆盖湿麻布袋，在夏季可以降低15～20℃的室温。

光伏屋顶在屋顶覆盖光伏组件，不但可以降低对太阳辐射的吸收、增强对屋顶的保护，还可以在白天产生可观的电力。

地面在建筑围护结构中的作用略小，但对于体型系数较大的建筑，地面传热也是建筑得热和热损失的一个重要影响因素。为获得较好的保温效果，被动式房屋要求地面保温层厚度应大于25cm。

2.2.2.3　无热桥设计

建筑围护结构中的一些部位，在室内外温差的作用下，可形成热流相对密集、内表面温度较低的区域。这些部位成为传热较多的桥梁，故称为热桥（thermalbridge），有时又称冷桥（coldbridge）。所谓热桥效应，即热传导的物理效应，由于楼层和墙角处有混凝土圈梁和构造柱，而混凝土材料比起砌墙材料有较好的热传导性（混凝土材料的导热系数是普通砖块导热系数的2～4倍），同时由于室内通风不畅，秋末冬初室内外温差较大，冷热空气频繁接触，墙体保温层导热不均匀，产生热桥效应，造成房屋内墙结露、发霉，甚至滴水。热桥效应是由于没有处理好热传导（保温）而引起的。热桥效应在砖混结构的建筑中出现较多。常见的热桥包括外墙周边的钢筋混凝土抗震柱、圈梁、门窗过梁，钢筋混凝土或钢框架梁、柱，钢筋混凝土或金属屋面板中的边肋或小肋，以及金属玻璃窗幕墙中和金属窗中的金属框和框料等，如图2-15所示。无热桥建筑结构可避免上述现象的发生。

要使建筑保温隔热系统发挥良好的作用，除了保温材料和厚度的选择外，加强关键节点的设计与施工，避免热桥非常重要。实现无热桥要求建筑物必须无疏漏地包裹在保温层里，避免穿透保温隔热平面的构件，避免结构件外突的建筑部件。阳台最好能处理成自承重移前的构件，采用预安装结构等，可将热桥最小化。

2.2.2.4　良好的气密性

低能耗建筑应有良好的气密性。部分建筑无法做到很好的密封，使建筑内部与外界有太多的空气交换，从而大大增加了冷热负荷。

要形成良好的密封，建筑围护结构关键部位（如窗洞口、空调支架与栏板、穿墙预埋件、屋顶连接处、建筑物阴阳角包角等）应采用相应的密封材料和配件隔绝传热，确保保温系统的完整性。主要的密封方法包括玻璃纤维密封、闭孔喷涂泡沫密封、开孔喷涂泡沫密封等。图2-16所示为围护结构气密性处理。

被动式房屋要求建筑的气密性应满足N50≤0.6，即在室内外压差50Pa的条件下，每小时的换气次数不得超过0.6次。

2.2.3　节能窗技术

窗户是建筑保温、隔热、隔音的薄弱环节。为了增大采光面积或体现设计风格，建筑物的窗户面积越来越大，更有全玻璃的幕墙建筑，33％～40％建筑围护结构热损失从窗户“悄然流失”，是建筑节能的重中之重。因此窗户是节能的重点并单独列为一种被动式节能技术。窗户既是能源得失的敏感部位，又关系到建筑采光、通风、隔声、立面造型。这就对窗户的节能技术提出了更高的要求，其节能处理主要是改善材料的保温隔热性能和改进窗户构造并提供窗户的密闭性能。

评价窗户热性能的主要参数是传热系数U值。为解决大面积玻璃造成的热量散失问题，目前节能标准中对窗户传热系数U值的要求也越来越高。例如，德国2009年颁布的《节约能源法》规定窗户的Uw限值为1.3W/（m2·K），这就要求玻璃的Ug值不大于1.1 W/（m2·K），根据表2-2，基本上只有双层低辐射（Low-E）玻璃填充稀有气体才能满足该要求。在欧洲，除了西班牙的3.1W/（m2·K）和法国的2.6W/（m2·K）外，其他国家的Uw都在2.0W/（m2·K）以下。特别是北欧地区，Uw全部在1.5W/（m2·K）以下。被动式房屋标准中，更是要求Uw不大于0.8W/（m2·K）。而在我国，北京的限制是2.0W/（m2·K），东北地区的是1.5W/（m2·K）。

因此，各种中空玻璃、镀膜玻璃、Low-E玻璃、三玻保温窗等逐渐成为市场主流，常见的保温隔热玻璃的参数见表2-2。

节能效果非常显著的三层玻璃保温窗在欧美地区开始流行，其结构如图2-17所示，采用三玻两腔结构（双Low-E、双暖边、充氩气或氪气），窗框体通常采用高效的发泡芯材保温多腔框架，具有超强的保温性能。玻璃Ug值一般为0.7W/（m2·K），窗框Uf值达到0.7 W/（m2·K），窗户的Uw值可低至0.8W/（m2·K）。当然，三层玻璃内腔填充氩气的节能窗造价较高，在国内的推广还有难度。

三层玻璃保温窗不仅能减少热量损失，而且还能增加舒适度。当室外温度为-10℃，室内为20℃时，若采用双层玻璃保温窗，则窗户内侧玻璃的温度约为8℃；若采用三剖解示意图（来源：Ecohome Magazine）层玻璃保温窗，则窗户内侧玻璃的温度可高达17℃，在靠窗区域不会觉得寒冷，舒适度大为提升。

除了窗户本身节能外，窗户的安装方式及安装位置、窗户的密封对于提高窗户的气密性都有很大的作用。被动式房屋窗户是安装在外墙外保温的中部，即窗框外侧凸出外墙一部分，窗框外侧落在木质支架上，同时借助于角钢或小钢板固定，整个窗户被嵌入保温层约1/3的厚度。窗户密封采用防水材料，如建筑用连接铝或者合适的丁基胶带，胶带可用灰浆嵌入安装。外部密封可采用压缩、浸渍和敞孔的密封条，如人工树脂阻燃的聚氨酯泡沫材料。

2.2.4　遮阳

在夏热地区，建筑遮阳或许是成本最小且最为立竿见影的被动式节能技术。在低能耗建筑等节能建筑标准中，一般会对通过窗户进入到室内的太阳光得热（totalenergy transmittance）进行限制。遮阳对降低建筑能耗，提高室内居住舒适性有显著的效果，遮阳的种类主要有窗口、屋面、墙面、绿化遮阳等形式，其中窗口无疑是最重要的。窗户作为室内采光的主要通道，同时也是建筑得热的主要途径。因此，在需要制冷的季节，需要对建筑，特别是窗户进行遮阳，以减少建筑的得热和冷负荷。

建筑遮阳针对不同朝向和太阳高度角可以选择水平遮阳、竖直遮阳或者挡板式等三种方式。水平遮阳适用于窗口朝南及其附近朝向的窗户；竖直遮阳适用于窗口朝北及北偏东及偏西朝向的窗户，例如，在建筑西立面中的西晒问题，由于太阳高度角偏低，水平遮阳的阻挡有限，垂直遮阳可以很好地解决；挡板式适用于窗口朝东、西及其附近朝向的窗户，但此种遮阳板遮挡了视线和风，通常需要做成百叶式或活动式的挡板。

以上三种遮阳都可以做成外遮阳、中置遮阳和内遮阳三种形式。外遮阳的最大优势是在遮挡太阳直射光的同时也把太阳直接辐射阻隔在外，遮阳效果优于中置遮阳和内遮阳。

建筑外遮阳可以是固定的，也可以是活动的。固定的建筑遮阳结构如遮阳板、屋檐等。活动式外遮阳如百叶、活动挡板、外遮阳卷帘窗等。相对来说，活动式外遮阳因为可以调节效果更优。传统单层或多层建筑多依靠屋檐或挑檐的设计涵盖遮阳的功能，现代建筑多采用遮阳板、百叶等方式实现外遮阳。优秀的外遮阳应具备遮阳隔热、透光透景、通风透气等特点。

外遮阳卷帘是一种有效的外遮阳措施：完全放下的卷帘能遮挡住几乎所有的太阳辐射；此外卷帘与窗户玻璃之间保持适当距离时，还可以利用烟囱效应带走卷帘上的热量，减少热量向室内传递。百叶帘既可以升降，也可以调节角度在遮阳和采光、通风之间达到了平衡，因而在办公楼宇及民用住宅上得到了很大的应用。如图2-18所示的导光百叶和挡板式外遮阳，不但起到遮阳的效果，还可以将部分阳光倾斜角度后导入室内的天花板上，补充自然采光，是一种非常有创意的设计。值得注意的是，外遮阳在建筑立面上非常明显，设计不好便会影响美感，而且还有造价的压力，还有可能在强风中变成安全隐患。

内遮阳时，太阳辐射穿过玻璃会使室内窗帘自身受热升温，这部分热量实际上已经进入室内会使室内的温度升高，因此遮阳效果较差。内遮阳一般是在外遮阳不能满足需求时的替代做法，窗帘、百叶都是常见的内遮阳方式。对于现代建筑，内遮阳安装、维护方便，对建筑外观无影响，因此使用较多。此外，内遮阳的使用者更容易接近和控制，可以根据自己的喜好调整内遮阳板、帘来提高舒适度。

玻璃自遮阳利用窗户玻璃自身的遮阳性能，阻断部分阳光进入室内。遮阳性能好的玻璃常见的有吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射玻璃（Low-E玻璃），以及近年来得到应用的热致变色和电致变色玻璃等。

吸热玻璃可以将入射到玻璃30％～40％的太阳辐射转化为热能被玻璃吸收，再以对流和辐射的形式把热能散发出去。热反射玻璃在玻璃表面形成一层热反射镀层玻璃。热反射玻璃的热反射率高，同样条件下，6mm浮法玻璃的总反射热仅16％，吸热玻璃为40％，而热反射玻璃则可高达61％。热致变色玻璃可以根据环境温度对红外光透过率进行自动调控，在夏天阻挡红外光进入室内，从而可以实现冬暖夏凉的效果。热致变色玻璃主要利用二氧化钒的可逆相变特性。电致变色玻璃可以在电场作用下调节光吸收透过率，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热扩散，不但能减少建筑能耗，同时能起到改善自然光照程度、防窥的目的。这几种玻璃的遮阳系数低，具有良好的效果。值得注意的是，前两种玻璃对采光有不同程度的影响，而低辐射玻璃的透光性能良好。此外，利用玻璃自遮阳时，需要关闭窗户，从而影响房间的自然通风，使滞留在室内的部分热量无法散发出去。因此，玻璃自遮阳必须配合必要的遮阳产品，取长补短。

多孔墙面（porouswall）是一种非常有效的建筑外墙遮阳技术。这样的外遮阳不但可以做到不影响立面效果，同时还便于通风。多孔墙面不是高新技术，早在伊朗、印度等很多干热和湿热地区的传统建筑中出现。图2-19所示为巴西住宅建筑BT House。

此外，建筑可以通过合理选择朝向，处理好建筑立面，进行被动式的遮阳或自遮阳，通过建筑构件本身，特别是窗户部分的缩紧形成阴影区，形成自遮阳；或是利用建筑互相造影形成建筑互遮阳。例如，宁波诺丁汉大学可持续能源技术研究中心大楼（见图2-20）的设计，扭曲的形体可以形成建筑自遮阳。但是，自遮阳在设计时，应避免对冬季的采暖造成影响。

2.2.5　采光技术

低能耗建筑的设计应在可能的前提下，充分利用自然光。设计良好的采光系统可以减少室内照明的需求，甚至可以在白天的部分时段完全关掉照明。采光不但能减少照明能耗，还可以提高室内舒适度。建筑采光可分为被动式采光和主动式采光。被动式采光技术主要指利用不同类型的窗户进行采光，而主动式采光则是利用集光、传光和散光等装置将自然光传送到需要照明的部位。虽然主动式采光有“主动式”的称呼，但因为它基本不消耗能量而节约了照明能耗，所以在本章中仍把它归类于被动式节能技术。下面从节能的角度讨论采光技术。

2.2.5.1　被动式自然采光

开窗或开口是最常用的自然采光方式，根据采光位置一般有侧窗采光、天窗采光、混合采光三类。从节能的角度来考虑，建筑的自然采光不应是独立的窗户及开口，而应该是与室内舒适度和节能等因素一起构成的建筑采光系统。例如，尽管大开窗甚至是落地窗可以让更多的阳光进入室内，同时也可能增大夏季的冷负荷或加快冬季室内热量的流失。

自然采光建筑设计的一个基本的要点是优化建筑空间布局。以下是一些非常实用的采光建筑设计原则。

限制房间纵深，增大建筑的周边区域面积。在单侧窗采光条件下，光线在室内的传播是有距离限制的，因此，限制室内南北方向的纵深、增大室内周边自然采光的面积，可以让尽可能多的光线进入室内。双侧窗采光可以起到弥补房间纵深的作用。

高侧窗或天窗采光。位于较高位置的开窗、天窗等设计都可以使得自然光获得更大的进深。普通单侧窗的位置较低，光线分布不均匀，近窗处亮，远窗处暗，使房间进深受到限制，并且易形成直接眩光。而高侧窗采光的室内照度均匀度要远优于普通单侧窗。图2-21所示为三种侧窗采光方式的室内照度对比。由图2-21可知，仅一半面积的高侧窗即可达到相应普通双侧窗采光的室内照度分布。为了可以实现高侧窗采光，建筑的天花板可以采用开放式设计，即不安装吊顶。

利用遮光板增加日光的进深以提升室内亮度。遮光板可以把阳光反射到天花板上，然后通过反射和散射让更多的阳光进入室内更深的空间。遮光板可以是水平的（见图2-22）或带有一定的角度或弧度（见图2-18），一般置于视线以上的开窗上。可调节遮光板可以根据太阳位置对角度进行调节而让更多的阳光进入室内。遮光板多与置于同等高度的外遮阳装置共同使用。

根据建筑朝向采取合适的采光措施。例如，前面提到的遮光板在南向的开窗非常有效，但对于东向或西向的开窗效果就大打折扣。

美国国家可再生能源实验室RSF大楼（见图2-23）是一个非常好的采光建筑范例，它利用了以上原则使得自然光可以得到最大化利用，整个办公区域在白天大部分时间仅用自然采光即可满足需要。

高效的采光系统是让更多的可见光进入室内，而不是更多的热量。窗户大小以满足采光要求为限，大开窗在增加室内亮度的同时也会在夏季带来不必要的得热或是在冬季造成不必要的热损失。这可以通过前文所述的高效绝热玻璃来实现。窗户玻璃应采用普通透明玻璃或淡色低辐射镀膜玻璃的中空玻璃，不建议采用可见光透过率低的深色镀膜玻璃或着色玻璃。最新的技术是采用热致变色玻璃和电致变色玻璃，在较强的太阳辐射时将玻璃变成深色，以减少得热。

2.2.5.2　主动式采光

在很多建筑中，往往无法安装窗户以提供自然采光，如地下室、车库、走廊等，或自然采光的强度不足以满足室内光舒适度的要求，如进深较大的房间。主动式采光系统可以在一定程度上满足这些场合的采光需求。它利用机械设备来增强对日光的收集，并将其传输到需要的地方。主动式采光系统又称导光系统，主要包括导光管系统、光纤导光系统等，它们的主要区别是光传输的介质不同。

导光系统主要由集光、传输和漫射三部分构成，如图2-24所示。它利用集光器把室外的自然光线导入系统内，再经特殊制作的导光管或光纤传输和强化后由系统底部的漫射装置把自然光均匀高效地照射到室内。导光管可以是直管或弯管，导光管内壁会镀有多层反光膜以确保光线传输的高效和稳定，其全反射率达到99.7％，传输距离达20m或更长。光纤导光系统主要利用两层折射率不同的玻璃组成的光导纤维来传输光。光导纤维内层为直径几微米至几十微米的内芯玻璃，外层玻璃直径0.1～0.2mm，且内芯玻璃的折射率约比外层玻璃大1％。根据光的折射和全反射原理，当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面而是全部反射。光线在界面经过无数次的全反射，以锯齿状路线在内芯向前传播，最后传至纤维的另一端。

2.2.6　通风技术和设备

建筑群的设计应通过建筑物的布局使建筑之间在夏季形成良好的自然通风，以降低室内的热负荷。建筑群采用周边式布局形式时，则不利于形成自然通风。一种较好的做法是把低层建筑置于夏季主导风向的迎风面，多层建筑置于中间，高层建筑布置在最后面；否则，高层建筑的底层应局部架空并组织好建筑群间的自然通风。

低能耗建筑宜采用自然通风。在春秋季或热负荷较小时，宜利用自然通风来降低室内的热负荷，达到制冷要求。机械通风的风机每年会消耗大量的能量，自然通风还可以大幅度减小机械通风风机的能耗。由表2-3可知，自然通风为主的建筑，其每年风机能耗小于10kW·h/m2。

《绿色建筑评价标准》中，对自然通风做了强制性规定，要求住宅建筑居住空间能自然通风，通风开口面积不小于该房间地板面积的1/20；公共建筑外窗可开启面积不小于外窗总面积的30％，透明幕墙应具有可开启部分或设有通风换气装置。此外，房屋的平面布局宜有利于形成穿堂风，房屋的通风设计宜满足烟囱效应，如图2-14所示。

在需要制冷或供热的季节，因为无法使用自然通风，为了满足人员对新风的需求和空气交换卫生方面的要求，必须使用机械通风系统。机械通风系统不但能够提供足量的新风，还可以确保室内水蒸气排出室外，保持室内湿度适中，避免水蒸气破坏建筑构件，产生结露，可以排出有害物质和异味，保证室内空气质量。此时，为了减少排风的能量损耗，需要使用带热回收的排风和送风系统。在夏季，热回收送风系统利用排气的冷量对新风进行冷却；在冬季则利用排气的余热对新风进行加热。热回收效率与热回收装置的热交换效率有关。热回收装置包括叉流板式热交换器、逆流式热交换器、转轮式热交换器，其热交换效率都在75％以上。

2.2.7　被动式采暖技术

低能耗建筑的采暖方式以被动式为主，兼具优化主动式采暖系统。被动式采暖的建筑本身起到了热量收集和蓄热的作用。通过建筑朝向，周围环境布置，建筑材料选择和建筑平、立面构造等多方面的设计，使建筑物在冬季能最大限度地利用太阳能采暖而夏季又不至于过热。被动式采暖主要有窗户和墙体采暖两种方式。

通过窗户的直接得热可以满足建筑的部分热负荷。窗户作为集热器，而建筑本身提供蓄热。要增加通过窗户的直接得热需要加大房间向阳立面的窗，如做成落地式大玻璃窗或增设高侧窗，让阳光直接进到室内加热房间。这样的窗户需要配有保温窗帘或保温窗扇板，以防止夜间或太阳辐照较低时从窗户向外的热损失。同时，窗户应有较高的密封性。

集热蓄热墙体（trombe wall）把热量收集和蓄热集于一身，同样可满足建筑的部分热负荷。集热蓄热墙利用阳光照射到外面有玻璃罩的深色蓄热墙体上，加热玻璃和厚墙外表面之间的夹层空气，通过热压作用使空气流入室内向室内供热。室内的空气可以通过房间底部的通风口进入该夹层空间，被加热的空气则通过顶部的开口返回到室内。墙体的热量可以通过对流和辐射方式传递到室内。集热蓄热墙非常适用于我国北方太阳能资源丰富、昼夜温差比较大的地区，如西藏、新疆等，可大幅减少这些地区的采暖能耗。

美国国家可再生能源实验室利用了一种太阳能集热器加热新风技术来实现被动式采暖，如图2-25所示。通风管道入口安装有外置的带孔黑色金属板构成的太阳能集热器。在冬季需要采暖时，冷空气流进太阳能集热器而被加热变成热空气送入建筑内部。与集热蓄热墙的原理比较类似。

采用被动式采暖技术的前提是建筑的密封性较高。对于外围护结构U值小于0.15W/（m2·K）的被动式房屋，当采暖负荷低于10W/m2时，通过带有热回收装置的新风系统加热新风以及建筑自身得热，即可以维持室内温度在20℃以上，不再需要常规的采暖。在夏季也足以抵抗太阳辐射不传到室内。

2.2.8　建筑热质与相变材料

建筑热质（thermal mass）是建筑中具有较大比热的材料，包括外墙、隔墙、天花板、地板、家具等能储存热量并随后释放的材料。热质可以通过热量的吸收和释放来缓解室内温度的快速变化，对冷热负荷起到削峰填谷的作用。要使热质的蓄热起到较好的节能效果，日温差应大于10℃。这种被动式节能技术特别适用于办公室等白天使用、夜晚通风冷却的建筑。较大的热质可以降低建筑的峰值负荷，从而可以使用较小的空气调节系统（heating ventilation and，air conditioning，HVAC）系统，减少设备的初始投资和运行费用。

相变材料蓄热技术利用相变材料储存并释放热量来降低建筑的冷热负荷。相变材料的作用和热质比较类似，但单位体积的相变材料的蓄热能力要远远大于建筑热质。

2.2.9　被动式节能建筑范例

被动式节能技术的基本原则就是能效。它的理念是在低耗能的条件下，得到极为舒适的生活环境。杰出的保温墙体、创新的门窗技术、高效的建筑通风、电器节能都是解决能效的基础。下面介绍几个比较典型的使用被动式节能技术的建筑范例。

2.2.9.1　美国国家可再生能源实验室零能耗办公楼

美国国家可再生能源实验室零能耗办公楼（见图2-26）位于科罗拉多州的戈尔登郊区，于2010年6月完工。其建筑面积为20600m2，属于单体建筑。该建筑旨在作为一个净零能耗未来的蓝图，以推动建筑行业追求低能耗和净零能耗。该建筑获得了LEEDPlatinum认证，被美国建筑师协会环境委员会评为2011年十大绿色建筑之一。

该建筑根据当地的气候、场地、生态进行设计，是对灵活、高性能工作场所渴求的直接回应，采用了许多被动式节能设计的综合策略。

该建筑外墙采用预筑混凝土隔热板（I），可以提供较大的热质，从而缓解室内温度变化。建筑的地板提升了0.3m，下部的空隙用于电气系统走线和独立新风系统的管道（J）。在建筑地板的抬升区采用混凝土构成的迷宫设计（G）。迷宫可以储存热能，然后通过地板送风系统为建筑提供被动式供暖。

该建筑的窗户采用了多项被动式节能技术。东向窗户（A1）采用了热致变色玻璃，可减少冬季的热传递。南向窗户（A2）上半部分采用了百叶窗（C），可以把夏季高入射角的直射光变成30°向上的光投射到屋顶上，避免阳光直射进入建筑内部。南面窗户的下半部分采用了外遮阳和自动/手动调节窗户（A4）。外遮阳可以反射阳光并对下半部分的窗户进行遮挡。西向的窗户（A3）采用了电致变色玻璃，在傍晚的时候可以变色以减少得热或热损失。自动/手动调节窗户（A4）可以调节窗户的开闭以促进自然通风。

该建筑设计最大限度地利用自然光照明。每个办公位的最大高度为0.76m，距离最近窗户的距离都小于9m，从而所有的办公位都可采用自然光照明（F1）。建筑的办公区采用开放式吊顶（F2）把散射光引入建筑中心。另外，内墙（I）的高反射涂料也可以最大化地利用自然光照明。

建筑在非空调季节充分利用自动/手动调节窗户（A4）来实现自然通风。在空调季节则关闭窗户采用独立新风系统送风，新风管道入口安装有外置的太阳能空气集热器（E）。在冬季需要采暖时，冷空气流进带孔的黑色金属板集热器而被加热，热空气被吸进，布置在迷宫中的通风管道送入建筑内部，实现被动式供暖。

2.2.9.2　中国建筑科学研究院近零能耗示范楼

中国建筑科学研究院近零能耗示范楼（见图2-27）地上4层，建筑面积4025m2，于2014年7月正式落成并交付使用，是中美清洁能源联合研究中心在我国寒冷气候区的唯一示范工程。示范建筑集成展示28项世界前沿的建筑节能和绿色建筑技术，可以达到全年空调、采暖和照明能耗低于25kW·h/m2，冬季不使用化石能源供热，夏季供冷能耗降低50％，建筑照明能耗降低75％的能耗控制指标，获得的认证包括GBL 3 star、LEED Platinum、Energy Star95+。

项目设计原则为“被动优先，主动优化，经济实用”。其被动式设计体现在降低建筑体型系数、采用高性能围护结构体系及无热桥设计、保障气密性等方面。

示范楼围护结构采用超薄真空绝热板，将无机保温芯材与高阻隔薄膜通过抽真空封装技术复合而成，防火等级达到A级，传热系数0.004 W/（m2·K）。外墙综合传热系数不高于0.20W/（m2·K）。示范楼采用三玻铝包木外窗，内设中置电动百叶遮阳系统，传热系数不高于1.0W/（m2·K），遮阳系数小于0.2。四密封结构的外窗，在空气阻隔胶带和涂层的综合作用下，大幅提高门窗气密、水密及保温性能。中置遮阳系统可根据室外和室内环境变化，自动升降百叶及调节遮阳角度。示范楼还建有屋顶花园（绿色屋顶）和垂直绿化，不但美观，而且能有效降低建筑能耗。

在以上的示范建筑中，不仅使用了低成本的被动式节能技术，也使用了一些新的高科技技术。需要注意的是：被动式节能技术不应是高科技和高价材料的堆砌，而是要充分利用当地的资源和建筑传统，使其可以让公众消费得起，才能真正得到推广普及，而不仅仅是示范建筑。