比较国内外被动房论节能建筑的关键技术

比较国内外被动房论节能建筑的关键技术

王建华1张雍2

关键词：被动房；节能；技术措施

1引言

近年来，随着我国建筑行业规模不断扩大，建筑能耗问题日显突出。被动房作为一种先进的节能建筑已在国内外得到广泛应用。它是通过大幅度提升建筑物围护结构的热工性能及气密性，采用高效热回收技术，并充分利用可再生能源，力求以更少的能源消耗带来更舒适的室内环境，从而最大限度地降低对机械采暖和制冷系统的依赖。被动房已经成为建筑节能发展的新趋势。目前，国内已有多个城市颁布与被动房相关的政策和设计标准，涉及多个气候带，寒冷地区是我国被动房发展的重要区域。截至目前，大约60%的项目分布在此区域，其中河北省和山东省的发展势头最为迅猛。2017年以来，河北省已经在张家口、秦皇岛、石家庄、保定、邢台、定州等多市开展被动房试点项目；山东省已经在青岛、济南、菏泽、济宁等市开展项目推广。

“被动房”这个名字已经表明，被动房原理强调被动方式，即运用的技术中不需要运动部件（例如：阀门、泵、发动机等），不需要麻烦的控制方式，不需要要复杂的机械。而用到的主动式技术则简单，易于安装，易于维护，故障风险低，预期寿命长。这种“外围优先”（fabricfirst）的方法可以归纳为以下五个基本原则：（1）保温材料。应用良好的保温材料包裹整个建筑，包括屋顶，墙体，底板或地下室顶板。典型的保温水平因气候而异。通常情况下，屋面的保温应优于墙面，墙面优于底板。（2）避免热桥。避免热桥，例如阳台造成的突出混凝土板，或在非采暖制冷的地下室中，穿入地下室顶替板砌体内墙。窗户应安装在保温层内。为地下室保温层选择既能承重又能保温的材料。尽可能使保温层以均匀的保温效果围绕整个建筑，选择高度隔热的断桥窗框。（3）门窗。使用高品质低辐射（low-e）玻璃，用惰性气体充填。在许多气候条件下，传热系数U值约0.6W/（m2k），太阳得热系数g值50%至60%的三玻窗是合适的。在温和气候区，低辐射双玻窗可能就足够了。对于制冷需要为主的炎热地区，带遮阳的双玻或三玻窗是正确的选择。（4）气密设计。周密考虑气密设计，建立一个非常气密的外围护。所有节点和接口都要设计为气密。气密可以避免不适感，减少温湿调节能耗需求，提高室内空气品质，并降低未经控制的潮湿气流损害热围护的风险。通常在每个被动房气密外围护完成后，都要以“鼓风门测试”测量气密性。在50Pa（n50）的压力差下，换气次数应低于0.6h-1。（5）持续新风。通过有热交换的机械通风系统，持续提供新风。这种系统的优点和上述的气密性优点机上。热回收的效率应达到75%至90%，该数字受气候影响。对于冬季严寒或夏季潮湿的气候，应使用含湿度回收的热量回收通风系统（全热交换新风系统）。根据不同的气候，对以上手段未能完全避免的小量剩余热负荷，需用机械手段满足制冷、采暖、除湿等一种或多种任务。这方面有多种不同的选择，例如小型化的常规设备，或专门为被动房开发的新技术。

2被动房的基本情况

2.1被动房的定义

按照欧盟委员会支持的欧洲被动房建筑促进项目中对被动房的定义，被动房是指不通过传统的采暖方式和主动的空调形式来实现舒适的冬季和夏季室内环境的建筑。

2.2被动房的主要技术措施

目前的被动房项目主要致力于解决冬季的采暖问题，其设计理念的核心思想在于最大限度地减少建筑的热量损失。其技术措施有四个方面：加强建筑外围护结构的保温性能；提高建筑的气密性；机械送风并进行热回收；低热负荷的采暖方式。被动房的外围护结构体系有很好的保温隔热性能和整体气密性，有效减少了热传导和热量损失，但为了提供更舒适的室内空气品质，需要机械送新风并进行热回收。同时，为了满足居住舒适度的要求，须保证一定的新风量。被动房把建筑排风中的热量回收，用以预热室外的新鲜空气并送入室内，解决了传统建筑在冬季采暖与通风换气的主要技术矛盾。

3被动式房屋在国外的发展状况

被动式房屋的概念由瑞典隆德大学阿达姆森（BoAdamson）教授于1980年代提出，自德国物理学家沃尔夫冈?法伊斯特（WolfgangFeist）于1991年建造出全世界第一个具有现代意义的被动式房屋以来，至今已建成的被动式房屋近6万栋，总建筑面积达4000万m2。建筑类型涉及居住、办公、学校、养老院、工厂、超市、宾馆，等等。一些对节能减排比较重视的国家和地区纷纷提出了新的建筑节能目标。德国在福岛核电站事故后，率先宣布放弃使用核能，而核能占其能源供应的40%。2011年，德国提出了新的节能目标，即自2019年1月1日起，政府办公建筑将实现（近）零能耗；自2021年1月1日起，所有的新建建筑将建成（近）零能耗；2050年所有建筑要节约80%的一次能源。实现上述目标将为德国节省40%左右的社会终端能耗。

奥地利政府在相关专家数年的调查研究结果基础上，制定了能源自供自足循环经济政策，按照现在的实现速度，奥地利有望在2040年实现“不再依赖化石能源”和“全国CO2零排放”的“梦想”，成为世界上第一个无化石能源消耗的国家。比利时是世界上最早在全国范围内实施只建造“被动式房屋”的国家。从2015年1月1日起，比利时所有新建建筑将按被动式房屋标准建造。2009年12月18日欧盟决议：“要最大限度地利用建筑潜在的能源……自2020年起，所有新建建筑必须达到‘近零能耗建筑’标准”。此项规定意味着：新建建筑要达到零排放建筑标准，建筑物所需能源由可再生能源替代，对建筑物的改造也必须最大限度地发掘其内在的能源潜力。这些国家和地区逐渐将房屋建设成被动式房屋，不但将极大地节省能源，使其建筑摆脱对化石能源的依赖，而且房屋寿命可以得到极大的延长，资源与环境可以得到有效的保护。可以毫不夸张地说被动式房屋是人类得到永续发展的必经之路。

4国内发展情况

被动式建筑的优势在国内受到重视。全国各地都掀起了“被动房”热潮。作为严寒地区的黑龙江省等部分企业走在了前沿，无论在项目实践、产品技术创新还是自主科研方面都取得了良好成果。如2011年，黑龙江辰能房产公司落成了中德合作被动式住宅——辰能?溪树庭院。这是当时中国仅有的两个中德技术合作“被动式”节能建筑示范项目之一。河北省已建成的“在水一方”被动式绿色建筑节能率高达92%，经科学计算，“在水一方”8万多平方米被动式超低能耗绿色建筑与传统建筑相比，年节约标准煤998吨，减少二氧化碳排放2595吨。2016年，湖南株洲青龙湾田园国际新区楼盘落成，改楼盘是国内“被动房”技术标准建立后，第一批由国内PHI认证的技术人员设计完成的作品。

5被动房在外围护保温方面的技术措施

5.1气密性

建筑气密性是建筑的一项重要性能参数，在寒冷与严寒气候区，提高围护结构气密性可以大幅度减少室内热量的流失，减少供暖能源的消耗。被动房对房屋的气密性的要求为，N50≤0.6/h，即在室内外存在50Pa压力差时，每小时的室内空气渗透量不能超过建筑总容积的60%。气密性的关键点在于不同材料之间的连接部分，因此，提高被动房气密性的重点要素为：各种穿墙管线、管道与墙体间的气密性；门窗与墙体间的气密性；构造层的气密性。例如，在水一方中穿墙的各种管线包括排风管道、空调排水管道、入户电线等均采用密封胶条或者密封胶进行封堵，外窗、入户门与墙体的连接固定处采用密封胶带封堵，在构造层方面，混凝土墙体的空隙处用发泡剂封堵后，在墙体外侧用砂浆封堵，内侧用水泥封堵，挖开的管道洞口等用石膏封堵。再比如，某被动房施工中，北、东、西三向外墙采用砌块加两层石墨聚苯板外保温，石墨聚苯板采用四边双道企口缝拼接，两层石墨聚苯板错缝铺设，以最大限度地减少热损失。其屋面保温采用300mm厚挤塑板，分三层错缝铺设，设计传热系数为0.1W/（m2?K）。普通建筑地下室冬季热损失严重，中心地下室主墙面外贴挤塑聚苯板，分两层错缝铺设。

5.2高效节能门窗

外门窗系统是围护结构保温和气密性较为薄弱的环节，采用高效节能门窗在被动房的设计中至关重要。被动房外窗是目前国内市场上性能较为优越的窗户，它不仅考虑了窗户的传热系数，还考虑玻璃的太阳能总透射比等多个性能参数，从而达到集保温、隔热、隔声、不影响自然采光于一体的目的。

6案例分析

6.1案例1

在本项目中采用了对流式热交换器，因为这是最早的完全依赖机械通风的居住建筑之一，居室的空气质量受到特别的重视。为了监测空气质量，安装了一个CO2监测系统。居住空间里的空气用气泵通过聚乙烯塑料管抽到一个容器中，经混合后排出室外，在排气口设置一个CO2感应器。这个感应器可以检测居室的空气质量，也同时控制通风系统的运行，并对居室的空气质量做了连续的记录。室外的新鲜空气都经过地下管道进入空气热回收器，然后输送到居住空间。每一户都有3根15m长的塑料管，埋在比地下室地板还低1m深的地层中，管子的直径为100mm。这个深度的温度在冬天通常都能保持在10℃左右，当室外气温在－5℃～－10℃时，空气经过地下预热的意义便非常明显。管道入风口的过滤器必须能够有效地过滤掉空气中的污物，以避免管道内被污染。

6.2案例2

此项目为了减少冷空气渗透和无组织通风引起的热损失，采用了一个高效率的通风及热回收系统。为使整个系统具有更高的效率，设计中也更加重视系统中的管道和各部分部件密封及保温措施。热回收系统中应用了一种新型的“热轮”热回收器。这种热回收器不仅可以提高热回收率，而且也可回收排气中的水分，用以调节进气的空气湿度。这样在寒冷的冬天，即使室外温度很低，室内外温差很大，但室内的空气却不至于太干燥。为了既保证室内空气质量，同时又尽量减少换气量，在每一个活动或工作的空间都安装了一个空气质量传感器，用它控制各个房间的进风量。送风系统采取恒压方式，所以，当控制减小出风口的大小时，进风量也就相应会减少。

7被动房技术在国内的适用性

7.1气候条件适用性

不同的气候条件对建筑围护结构的热工性能要求不同。我国气候分区跨度大，严寒地区的城市以采暖需求为主，良好的保温和高气密性有利于降低建筑采暖能耗。反之，在夏热冬暖地区，夏季的制冷需求大于冬季采暖需求，良好的保温和气密性不利于排出室内的热量，会造成热量在房间内累积，使得空调制冷能耗上升。

7.2理论计算适用性

目前国内对于被动房项目的认证，关于建筑的能耗水平大多是依据PHPP等能耗模拟软件计算获得。计算过程中存在很多提前设定的工况条件，而建筑的最终运行是一个多变和复杂的过程。因此，一旦建筑的现场施工和实际运行出现与理论计算不符的情况，就会出现实际能耗偏高或者室内环境不达标等不可控因素。因此，在供暖为主的严寒和寒冷地区，采用被动房技术可以有效降低建筑采暖能耗，应该是进一步推广和建设的有效方向；而对于制冷需求为主的南方区域以及全年有半数以上时间处于温和天气范围的长江流域，被动房技术不是降低建筑能耗的有效途径。在被动房技术的应用上，应根据当地的气候条件和能源结构以及用能习惯选择合适的建筑方案。

8结束语

被动房被誉为世界上最节能的建筑，它已经在欧美得到蓬勃发展。随着被动房进入中国的脚步日益加速，我国作为能源消耗大国，全面推广被动房将有利于缓解能源紧张的矛盾。被动房要想创造出人们满意的室内热舒适环境，在设计过程中需要考虑高效率的通风策略，解决这一被动房存在的薄弱环节，才能提高被动房在今后的巨大发展空间，让社会各界认知和接受这一“新生事物”。

参考文献

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