青年科学家趣谈科学 | 刘衍：超低能耗建筑来啦，冬暖夏凉不是梦！

　　五四青年节来啦！《知识就是力量》特别策划“青年科学家趣谈科学”系列内容，我们将从航空航天、生命科学、化学、人工智能、动植物、物理天文等领域挑选青年科学家，一方面带领大家认识中国优秀的青年科学家群体，另一方面，这些青年科学家将带领大家读科学、知科学、爱科学。

　　冬天怕冷，紧挨暖气

　　夏天怕热，空调常开

　　你是不是也幻想

　　拥有一个四季如春的房间？

　　你别说，冬暖夏凉的建筑还真有！

　　它就是

　　被动式超低能耗建筑，简称“被动房”，

　　关键是它还绿色环保哟！

　　接下来，

　　青年科学家刘衍将带我们

　　去看看如何实现“被动式超低能耗建筑”！

　　刘衍 师从国家杰出青年科学基金获得者、教育部“长江学者”杨柳教授，依托西部绿色建筑国家重点实验室（西安建筑科技大学）等科研平台，致力于建筑与城市环境领域的研究工作。现主持“十三五”国家重点研发计划合作单位课题1项、国家自然科学基金1项，主持省部级项目4项，参与国家杰出青年科学基金项目和重点项目各1项。发表学术论文50余篇，受邀撰写英文专著1章，以第一完成人获陕西省高等学校科学技术一等奖1项，研究成果入选2018年全国100名优秀博士后成果选介，入选中国科协“青年人才托举工程”计划和国家“香江学者”计划。

　　被动式超低能耗建筑如何实现？

　　我国建筑节能形势严峻。清华大学建筑节能研究中心的研究结果显示从2000年到2010年，我国建筑运行商品用能从2.89亿吨标准煤增加到了6.77亿吨标准煤，建筑能耗在我国能源总消费量中所占的比例已从上世纪七十年代末的10%上升到27.45%，预计到2020年将达到35%以上。因此，“建筑节能与绿色建筑”越来越受到国家重视。

　　建筑节能是什么？

　　建筑节能主要是指运用恰当的设计方法和节能技术尽可能节约建筑在运行过程中因采暖、通风、空调等消耗的常规能源。建筑节能主要分为建筑本体节能和非建筑本体节能，后者主要指建筑在运行过程中暖通空调等建筑设备节能。建筑本体节能旨在通过提升建筑自身的热工性能从而降低暖通空调等建筑设备的用能负荷，因此建筑本体节能是建筑节能的基础。理想的节能建筑是建筑的运行能耗为“零”的建筑（如下图），而超低能耗建筑设计是实现零能耗建筑的重要前置阶段。

　　哈佛大学零能耗建筑实验室（图源：哈佛大学绿色建筑和城市中心）

　　为什么建筑行业的能耗如此之高？

　　一方面是随着我国经济社会的发展，人们对建筑空间和环境品质的需求不断提高；另一方面是在快速城镇化进程中，城镇建筑缺乏对传统地域建筑文明的继承和发扬，要么“千篇一律”、“千城一面”，要么“贪大求洋”、“媚俗求怪”。因此需要针对地域气候条件和社会经济文化背景，保证建筑室内环境的舒适性，传承建筑风貌和传统生态经验，并最大化利用太阳能、风能等自然能源，营造“被动式超低能耗建筑”（如下图）。

　　① 夏季白天

　　② 夏季夜间

　　被动式超低能耗建筑示意图（绘图/刘衍）

　　那么，如何实现超低能耗建筑？

　　实现超低能耗建筑，首先要认知室外气候，简而言之就是认知冬天有多冷或者夏天有多热，冷热持续的时间有多长等问题，这些被称为“室外计算参数”，而拥有准确可靠的室外计算参数是发展超低能耗建筑的重要前提。我国保温设计室外计算参数覆盖城镇分布见下图：

　　我国保温设计室外计算参数覆盖城镇分布图（图源：GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》）

　　室外计算参数可分为两类，一类是空气温度、空气湿度等常规气象参数，数据主要来源于我国1000多个基本地面观测台站；另一类是太阳辐射，其观测站点还不到基本地面观测站点数的6%，也就是说绝大部分地方都没有太阳辐射数据。与常规气象参数相比，太阳辐射随海拔、地形、下垫面状况的变化而变化，其影响机制非常复杂，是当前的“卡脖子问题”。当务之急是挖掘室外气候要素的时空分布规律，准确描述其逐时变化特征，并覆盖到县一级行政单位，实现“有数可依”。

　　实现超低能耗建筑，还要确定人的舒适条件，人体热舒适需求是被动式超低能耗建筑的重要基准条件。在一定区间内，夏季空调设定温度每提升1C，可节约10%左右的空调能耗。因此，合理设定室内基准温度可提升建筑的节能性能。

　　我国现行建筑节能设计的标准中，对于室内温度的设定是采用统一的定值（冬、夏季室内计算温度分别为18C、26C，幼儿园、养老院建筑等除外），这些温度指标的界定，未考量人体对环境的主动适应能力。比如在室外空气温度无显著差异的春、秋两季，人们在衣着、热感觉等方面往往存在差异，即“春捂秋冻”。再比如研究发现我国干热干冷气候条件下吐鲁番地区居民对“热”的耐受性较强，而对“冷”的耐受性较弱。据此，可适当调整建筑室内设计温度基准来实现建筑节能。

　　实现超低能耗建筑，更要设计好建筑本体。充分利用建筑物自身热工性能的提升，并利用可再生的自然气候资源作为建筑采暖和降温的替代能源，是降低建筑能耗的最具生态属性的技术途径。

　　被动式太阳能采暖、自然通风、建筑蓄热、夜间通风、蒸发冷却等是普遍适用于我国的被动式技术，而对“室外气候”和“人”的认知程度直接影响到这些被动式技术的应用效果。以窑洞建筑为例，厚重的墙体能够有效抵御室外气候的不利影响，门洞处的圆拱加上高窗使得冬季有更多的阳光进入室内，起到调节室内热环境、降低建筑能耗的作用（见下图）。再比如南方是否需要通过加大保温层厚度来提高节能率呢？事实上，南方由于冬季室内外温差小，通过围护结构传热造成的热损失相对较小，而且保温效果太好也会影响夏季室内热量散失，反而会增加能耗。

　　我国北方窑洞建筑（来源：西部绿色建筑国家重点实验室）

　　只有明晰室外气候、人在被动式控制环境下的热舒适需求规律以及与“气候”和“人”相适应的被动式超低能耗建筑设计方法，才能真正实现被动式超低能耗建筑。

　　作者介绍：

　　刘衍，西安建筑科技大学副教授，中国科协“青年人才托举工程”入选者；

　　杨柳，西安建筑科技大学教授，博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授。

　　今天，青年科学家刘衍为我们带来的“建筑节能”的内容你都了解了吗？如果你有更多关于“节能”的思考，欢迎留言区互动哟！