福建省建筑科学研究院  赵士怀

    【摘  要】本文阐述了被动式超低能耗建筑国内外发展现状，对我国颁布的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》要点进行解读，并以厦门地区首个被动式超低能耗示范建筑为例，描述了其技术特色。与夏热冬暖地区建筑节能技术特征比较，文章分析了我国被动式超低能耗技术体系对该气候区的技术适应性，最后对我国夏热冬暖地区发展被动式超低能耗建筑提出若干建议。

    【关键词】被动式超低能耗建筑，能耗指标，气密性指标，换气次数，新风热回收

Abstract：This paper expounded the development status of passive ultra-low energy building at home and abroad, and explained the main points of "Passive Ultra-low Energy Green Building Technology Guide" promulgated in China. Taking the first passive ultra-low energy demonstration building in Xiamen as an example, the paper described its technical characteristics. Compared with the technical characteristics of building energy efficiency in hot summer and warm winter zone, this paper analyzed the technical adaptability of passive ultra low energy technology system to the climate zone. Finally, some suggestions were put forward for the development of passive ultra low energy consumption in China.
Keywords: passive ultra low energy building，energy consumption indicators，air tightness ，air change rate ，new wind heat recovery

1 引言

    建筑业作为国民经济支柱产业之一，在推进城市经济不断向前发展的同时，也日益加剧资源和能源的消耗，并对城市环境产生了不良影响，阻碍了建筑业可持续发展。近几年，被动式超低能耗建筑应运而生，发展迅速，我国对被动式超低能耗建筑的技术指标、评价标识方法、项目示范等方面进行了广泛研究和实践，取得了相关成果。2015年我国《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（居住建筑）》颁布实施，同年寒冷地区的河北省率先编制完成被动式超低能耗建筑地方标准。我国被动式超低能耗建筑标准总体上还是以欧洲标准、尤其是德国标准为主要参照，在标准应用范围、适量、适应性上还有较大的提升空间。我国地域广阔，气候划分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和5个气候区，各地区气候差异大，室内环境标准低，建筑特点、建筑技术、产业水平以及人们生活习惯，与德国等欧洲国家相比存在很大不同，还无法照搬发达国家的成功经验。我国迫切需要建立适应我国国情和地方气候特征、具有地方特色、操作性较强的被动式超低能耗建筑技术体系，为促进我国被动式超低能耗居住建筑发展提供技术支撑。

2 被动式超低能耗居住建筑发展现状

    2.1 国外被动式超低能耗建筑发展概况

    欧美许多发达国家都在积极制定低能耗建筑发展目标和技术政策，建立适合本国特点的超低能耗建筑标准和相应计算体系，超低能耗建筑正在成为建筑节能发展的新趋势。

    德国于1991年在达姆斯达特市（Darmstadts）建设了第一个被动式住宅，2000年建成了首个被动式小区。被动房不仅适用于量大面广的住宅，而且可应用于办公楼、学校、幼儿园等公共建筑。德国的被动式房屋标准是在对建筑能耗标准不断改进的基础上制定出来的。

    欧盟2010年修订的《建筑能效指令》（EPBD），要求欧盟国家在2020年前所有新建建筑都必须达到近零能耗水平。欧盟成员国--英国、丹麦、瑞典、芬兰、法国、爱尔兰等国家都在国内建立相应的低能耗建筑标准，激励建筑向低能耗方向发展。欧洲“被动房”能效主要指标见表1。

    注：N50为室内外压差50Pa的条件下，每小时的换气次数。

    美国要求2020--2030年建筑达到“零能耗”。韩国提出2025年全面实现居住建筑零碳目标，日本提出2030年施行建筑节能路线图。

    2.2 国内被动式超低能耗建筑发展概况

    2010年上海世博会上的“汉堡之家”是我国第一栋获得论证的“被动式建筑”，该建筑原型是位于汉堡“港口新城”沙门码头60号的H2O大楼，具有高隔热隔声性能，对建筑设计、建筑物围护结构以及所采用的节能技术采取了优化措施，体现最高环保建筑科技水平、是融居住与工作功能于一体的示范性建筑。截止2016年2月，全国共有被动式低能耗建筑100个，分布在21个省、市，其中严寒地区13项，寒冷地区62项，夏热冬冷地区14项、夏热冬暖地区11项。典型的项目有“幸福堡”综合商业楼、溪树庭院B4楼、天津生态城公屋展示中心、秦皇岛在水一方C区、保定长城家园、朗诗布鲁克、东莞圣融生态幼儿园等，均通过了德国PASSIVE HOUSE认证。2015年住建部颁布了《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（居住建筑）》，启动了超低能耗绿色建筑示范工程，2016年批准了12项示范工程；2015年河北省组织编写的我国首部地方标准《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》DB13(J)/T177-2016颁布实施，山东、黑龙江等省也正在组织编写地方被动式超低能耗建筑节能设计标准。

3 《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（居住建筑）》解读

    3.1 被动式超低能耗绿色建筑的内涵

    被动式超低能耗绿色建筑（以下简称被动式超低能耗建筑）是指适应气候特征和自然条件，通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构，采用高效热回收技术，最大程度地降低建筑供暖供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供舒适室内环境并能满足绿色建筑基本要求的建筑。

    被动式超低能耗建筑内涵即被动优先，主动优化，保证良好的室内环境并减少能源消耗。超低能耗建筑优势在于：更加节能、更加舒适、更好空气品质、更高质量保证。

    3.2 被动式超低能耗绿色建筑主要技术特征

    1）采用保温隔热性能更高的非透明围护结构；

    2）采用保温隔热性能和气密等级更高的外窗；

    3）采用无热桥的设计与施工；

    4）采用建筑整体的高气密性；

    5）采用高效新风热回收系统；

    6）充分利用可再生能源；

    7）至少满足GB/T 50378-2014《绿色建筑评价标准》一星级要求。

    3.3 被动式超低能耗绿色建筑主要技术指标与室内环境参数要求(见表2,3）

    注：1)表中WDH20为一年中室外湿球温度高于20℃时刻的湿球温度与20℃差值的累计值（单位：kKh,其中k表示1000，K表示温度值，下同）；

          2）表中DDH28为一年中室外干球温度高于28℃时刻的干球温度 与28℃差值的累计值（单位：kKh）。

    3.4 设计原则

    被动式超低能耗建筑规划设计应围绕能耗目标，注重优化空间布局和能源供应方案。 

    1）以气候特征为引导，进行建筑方案设计。借鉴本地传统建筑被动式措施，根据不同地区的特点进行建筑平面总体布局、朝向、体形系数、开窗形式、采光遮阳、建筑热惰性、室内空间布局的适应性设计。

    2）优化围护结构保温、隔热、遮阳等关键设计参数，最大限度地降低建筑供暖供冷需求，并满足本导则能耗指标的要求；性能化设计方法应贯穿设计全过程。

    3）各专业间应协同设计。机电工程师应参与建筑方案的设计，施工单位应参与建筑保温做法、热桥处理及气密性保障等细部设计，使设计意图能在施工中得到贯彻落实。

4 夏热冬暖地区被动式超低能耗建筑示范项目

    厦门某住宅小区39#楼被动超低能耗建筑（以下简称示范楼），地上建筑面积：约1080m²，建筑层数：地上3层，地下1层。示范楼外景和南立面如图1、2所示。

    4.1 示范楼达到的技术指标（见表4）

    4.2 示范楼的新技术应用

    示范楼从设计方法、围护结构、能源系统、室内环境和运营管理等5个方面17项开展创新技术的应用，实现项目的示范定位要求。归纳如下：

    1）围护结构的保温隔热设计。不仅对外墙、屋面进行高标准保温隔热设计，同时对女儿墙、隔墙、楼板、地下基础以及地板等，按照较高标准进行保温隔热设计。

    2）高性能门窗与遮阳设计。通过加强门窗的隔热、遮阳和气密性性能，降低建筑的传热负荷和渗透负荷；通过Low-E外窗玻璃的使用，降低夏季辐射得热；通过设置可调节的外遮阳，最大限度减少辐射热负荷。

    3）建筑气密性保障。房屋的气密性N50≤0.6h^-1，即在室内外压差50Pa的条件下，每h的换气次数不得超过0.6次。

    4）建筑无热桥设计。尽量使围护结构的平整，避免产生几何热桥；充分考虑围护结构一致性和完整性，避免结构部件贯穿围护结构，避免结构热桥。

    5）室内环境控制。项目从温湿度、PM2.5，VOC，CO₂，气流组织，照度控制设计等7个方面营造健康、舒适、安全的室内环境。

    6）智能化设计。项目从计量、检测、控制、优化、展示等5个方面进行智能化设计。

    4.3 示范楼项目重点采用的技术措施：

    1）最高标准的围护结构（外墙、门窗）保温措施；

    2）隔热、遮阳和绿化措施；

    3）建筑高气密等级；

    4）高效新风热回收的设备系统；

    5）结合智能化的被动式超低能耗运行控制。

    4.4 示范楼性能参数 

    示范楼围护结构和设备性能参数如表5，6所示。

    该项目设计方案于2016年9月通过了专家评审。

5 我国被动式超低能耗建筑技术体系对夏热冬暖地区适应性分析

    厦门被动式示范楼对发展夏热冬暖地区建设被动超低能耗建筑作了积极的尝试。该项目是按照德国的被动房理念和我国《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（居住建筑）》技术原则设计和建造的。但是，按我国被动式超低能耗建筑技术体系建设的厦门示范楼与夏热冬暖地区10多年形成的建筑节能策略、技术措施和常规节能做法有很大的不同；其技术体系对夏热冬暖地区的适应性值得探讨和反思。

    1）我国被动式超低能耗建筑的技术体系主要采用德国被动房的技术体系，根据我国气候条件，它适用于寒冷和严寒地区。

    德国的近零能耗目标被动房技术体系指标如下：

    ① 供暖需求：≤15kW·h/（m²·a），或热负荷≤10W/m²；

    ② 供冷需求：≤15kW·h/（m²·a），或冷负荷≤10W/m²；

    ③ 建筑一次能源用量≤120kW·h/（m²·a）；

    ④ 气密性N50 ≤0.6h^-1；

    ⑤ 超温频率≤10%（25℃）。

    德国被动房能源需求见图3所示。

    （图中，WRG表示新风热回收机组，U和Uw分别为绝热和无热桥的墙体（屋顶）传热系数）

    德国与中国的气候、建筑特点以及居民生活习惯都有较大的差别。德国位于北温带，气候温和，住宅以低层别墅型为主，基本是全空间与全时间使用，对环境污染小。中国国土面积辽阔，涵盖多个气候区，城镇住宅以中高层为主，部分时间与空间利用，对环境污染大。我国严寒和寒冷地区冬季室外条件总体上与德国相近，以供暖能耗为主，基于德国被动房理念建立的我国被动式超低能耗建筑技术体系适用于这两个地区。对于以空调能耗为主的夏热冬暖地区，则应分析该被动式超低能耗绿色建筑技术体系适应性。

    2）我国被动式超低能耗建筑采用最高标准的外墙和外窗保温措施，与夏热冬暖地区建筑节能措施存在较大差异。

    厦门示范楼外墙和外窗性能要求与夏热冬暖地区节能标准要求的差异，见表7。由表7可看出，被动房技术体系对外墙和窗户的性能要求比该地区节能标准高很多。

    实际上在夏热冬暖地区，当改变围护结构传热系数时，随着K值的减少，能耗指标并非按线性规律变化，当外墙传热系数K降到1.0W/m²·K以后，居住建筑节能率变化已不太明显，见图4。

    图5是外窗隔热性能和保温性能对夏热冬暖地区广州居住建筑能耗影响的模拟计算结果。选取了3种不同传热系数的窗户，模拟计算各类窗户遮阳系数（SC）变化时，建筑能耗（P）变化情况。图中蓝曲线代表空调能耗，红曲线代表供暖能耗，黑曲线代表总能耗，可以看到，（1）空调能耗远高于供暖能耗，（2）外窗隔热性能（SC）对建筑能耗的影响要高于外窗保温性能（K）的影响。

    3）我国被动式超低能耗建筑采用高建筑气密等级，不符合夏热冬暖地区加强通风节能措施的技术路线。

    厦门动式示范楼：气密性N50 ≤0.6h^-1 。

    夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准规定采取下列技术措施加强住宅通风：

    ① 外窗（包括阳台门）的通风开口面积不应小于房间地面面积的10%或外窗面积的45%。 

    ② 建筑应能自然通风，每一户至少应有一个居住房间通风开口和通风路径的设计满足自然通风要求。

   表8给出了夏热冬暖地区某沿海城市建筑可利用自然通风的气象数据统计。

    从表8可以看出：夏热冬暖地区充分利用室外自然条件进行建筑室内自然通风，有利于室内降温，节省能耗。

    表9列出夏热冬暖地区居住建筑节能技术体系与被动式超低能耗建筑技术体系的主要区别。

5 对夏热冬暖地区发展被动式超低能耗建筑的建议

    我国气候复杂，应对被动式超低能耗技术体系适应性做客观和实事求是的分析。

    我国严寒和寒冷地区，气候环境与德国相近，主要的问题是冬季供暖，德国被动房和我国被动式超低能耗技术体系适用于该地区。

    我国夏热冬冷地区，气候环境与德国不同，既有制冷，又有供暖和除湿，比较复杂，当前发展超低能耗建筑还缺乏科学的数据支撑，因此要根据当地的气候和市场条件，理论和实践相结合，应用好现有的被动式超低能耗技术体系。

    夏热冬暖地区主要是制冷问题，对供暖需求不大，采取的节能技术与德国和我国现行被动房技术体系有较大差异。因此应对我国《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（居住建筑）》做进一步完善，在现行建筑节能设计标准技术体系的基础上，建立我国夏热冬暖地区被动式超低能耗技术体系。着重从以下几个方面考虑：

    1）制定以供冷量为主的、符合实际的居住建筑能耗指标；

    2）立足自保温墙体体系，制定围护结构保温性能合理取值范围；

    3）用自然通风量（新风量）取代建筑气密性指标；

    4）对新风全热回收装置节能效果应进行技术分析，规范其使用条件；

    5）对可再生能源住宅应用提出强制要求；

    6）建立住宅用能设备与智能系统相联动的自动控制系统，提高能源利用效率。

参考文献：

    [1] 中国建筑科学研究院.被动式超低能耗绿色建筑技术导则（居住建筑）［S］.北京：住建部2015年10月发布：7-27
    [2] 中国建筑科学研究院.夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准.JGJ75-2012［S］.北京：中国建筑工业出版社.2013:5-10 

    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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