被动房屋未来住宅的发展趋势

1、123123123图1.德国达姆斯达特”被动房屋”(Passive House Darmstadt Kranichstein)外 观（左图） 与平均能耗对比（右图）被动房屋未来住宅的发展趋势 杭州鲁尔能源科技有限公司董事长 黄莉2010年上海世博会上，有一座名叫“汉堡之家”的建筑引起了很大的反响。它的能耗只有普通房子的十分之 一，内部没有空调和暖气设备，却能够一年四季都保持 室内25的恒温。“汉堡之家”是在中国建成的第一座按 照德国标准设计的“被动房屋”（Passive House），这种 房屋充分利用了“被动”能源，例如太阳能、屋内热源及 房屋保温性能来供暖照明，耗能极少。可以说，“汉堡之家

2、”代表了一种新型的节能建筑， 体现了当今世界最先进的技术水平。它的设计立足于当 地的地域特点与气候条件，通过全面、精密、周密的整体 设计方案和建造技术来实现，附加建造成本并不高，而 且节能效果非常明显，已经逐渐成为欧洲各国住宅建筑 发展的一个新的趋势。节能建筑正是中国当前建筑发展的主要趋势，”被 动房屋”也有望成为中国未来城市住宅的发展趋势。而 如何使节能建筑成为市场能够普遍接受的居住建筑模 式，是政府、开发商与用户共同关注的焦点。大多数的”被动房屋”的技术措施主要着眼于冬季采暖需求的最小化。 “被动房屋”的能耗设计标准为：1）建筑每年的采暖能耗不超过15kWh/m2或者采暖负荷低于10W/m

3、2;2）建 筑每年的一次性能源消耗，包括采暖、热水以及其他家电 设备的能耗，不超过120kWh/m2；3）建筑的气密性n50达 到0.6/h;4)夏天室内温度过热的频率低于10%。按照这 些标准，建筑的冬季采暖能耗较欧洲现有同类建筑减少90%以上，每年总能耗与CO2的排放量减少50%以上。 随着德国能源价格的飙升，“被动房屋“从20多年前的私人自愿试验工程，转变为今天被政府大力支持，并被 私人业主广泛接受的建筑节能解决方案。德国的“被动 房屋”也逐渐推广至欧洲以及全世界。目前国际范围内已 拥有超过3万套的“被动房屋”，其中，德国建成的“被动 房屋”超过1.6万套，均按照以上的设计标准建造，它们

4、大 多数都是居住建筑，也包括一些办公楼、学校、幼儿园、 超市等公共建筑。“被动房屋”的起源“被动房屋”兴起于德国，在德国和奥地利作为试 点发展，是目前在欧洲被广泛推广的节能建筑技术。1991年由德国的菲斯特博士(Wolfgang Feist)在达姆斯 达特(Darmstadt)设计建成了第一座”被动房屋”(Passive House Darmstadt Kranichstein)。在建成至今的二十一年 时间里，该建筑一直按照设计的要求正常运行，其平均 能耗仅为31kWh/(m2a),比普通建筑降低了约88%的能 耗，取得了非常显著的效果。“被动房屋”是指不通过传统的采暖方式和主动 的空调 形式

5、来实现舒 适的 冬 季和夏季室内环境的 建 筑。”其最大特点在于通过被动式的设计，使得建筑对 采暖和空调需求最小化。由于“被动房屋”的研究与实 践始于德国，而德国的气候特点是夏季温度较为温和， 基本不需要空调制冷，而冬季较为寒冷，全年采暖时间 为4个月左右，采暖为建筑的主要能耗。因此，目前欧洲Topics/Construction energy efficiency“被动房屋”技术在目前欧洲的“被动房屋”项目中，大多数主要致力 于解决冬季采暖的问题，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。“被动房屋”最主要的 技术手段是提高建筑外围护体系的保温性能，同时采用 热量回收、可再生能

6、源利用等技术措施进一步降低一次 性能源的消耗量。高保温性能的围护结构 建筑围护体系主要由地 基、外墙、屋面和外窗组成，加强围护结构的保温性能 是实现“被动房屋”最为关键的技术措施。建筑良好的 保温性能与优良的气密性可以最大程度地减少围护结 构的热损失，这正如在寒冷的冬季给建筑物穿上一件最 保暖的外套，可以尽可能地减少室内热量向外散失。“被动房屋”的墙体、屋面以及地基的传热系数不 应高于0.15W/(m2·K)，保温材料多采用聚苯乙烯、聚氨 酯、纤维素以及岩棉等。为达到“被动房屋”的保温标 准，保温材料的厚度一般在200到400mm左右。典型的” 被动房屋”的外墙，由外到内分别为外部砌

7、砖层、空腔 层、岩棉保温层、内部砌砖层、托梁部分气密性薄膜等， 其总传热系数为0.15W/(m2·K)。“被动房屋”的窗框、玻璃与门的传热系数一般不 高于0.8W/(m2·K)。在不少欧洲国家现有建筑中，大多 数采用双层中空玻璃和断桥铝合金的窗框，其传热系数 为2.4W/(m2·K)左右，远远达不到”被动房屋”的要求。 因此，目前”被动房屋”多采用三层中空玻璃以及带保温 夹层的窗框。在围护结构的阻热性能明显提高以后，“冷桥“就 成为一个影响围护体系保温效果的重要因素。“冷桥” 主要是指在建筑物外围护结构与外界进行热量传导时, 由于围护结构中的某些部位的传热系数明显

8、大于其他部 位,使得热量集中地从这些部位快速传递,从而增大了建 筑物的空调、采暖负荷及能耗。实现”被动房屋”的一个 基本技术措施就是避免”冷桥”，其设计标准是：围护结 构中的连接部分相对于外形尺寸，其线性传热系数应低 于0.01W/(m2·K)。围护结构的 气密 性 是“被动房屋”的另一 个重要 技术指标，是指在建筑的气密性测试中，要求在室内外50Pa压力差的情况下，每小时的空气渗透量不能超过建 筑总容积的6 0%。然而，欧洲各国的现有建筑还远远 达不到这项要求，比如，德国建筑的空气渗透量通常在150%到30 0%之间，英国建筑则在40 0%左右。要达到“被动房屋”的气密性标准，一般

9、采用合适的薄膜、胶带、湿石膏或者蒸汽隔阻层等方式在整座建筑的外围形 成一层连续的气密性结构。在德国达姆施塔特建成的第 一座“被动房屋”中，通过上述技术措施，将空气渗透量 降低到30，有效减少了冬季热量的损失。热回收技术 通过采取一系列围护结构的保温隔热 措施，建筑的采暖负荷将显著降低。当建筑的气密性显 著提高了之后，为了保证室内的空气质量，“被动房屋” 必须有足够的通风。多数现有住宅建筑都是采用自然通 风的方式进行换气，即开启门和窗户，但是这种方式会 带来大量的热损失，同时产生室内吹冷风的不舒适感。在 “被动房屋”中，主要是通过机械通风的方式进行换气。 为了降低热损失，“被动房屋”通常采用高效

10、率的热回收 系统，其热回收效率不低于75%。典型的机械通风热回收系统，采用对流通风形式， 通过一个气体-气体型热交换器，由室外进入的新鲜空 气被由室内排出的空气预热之后，再由加热器加热到设 定温度，可以有效降低采暖能耗。由于“被动房屋”的热 负荷很小，除了严寒季节，一般只需要通过新风系统就可 以保持室内温度维持在人体舒适的范围内，这样，就可 以完全不采用传统的采暖系统了。可再生能源的利用 充分应利用可再生能源可以进 一步降低“被动房屋”对一次性能源的消耗。被动太阳能 采暖是应用最为普遍的一种形式，其设计原理是采用高 阳光透射率的玻璃（同时传热系数较低），其太阳光透 射比一般不低于50%，同时优

11、化建筑物的朝向，使得冬 季太阳光最大限度进入室内，加热房间。另一方面，为了 防止夏季房间过热，一般可以利用挑檐、遮阳装置等方 式将太阳光阻挡在室外。根据不同的地域特点和气候条件，欧洲各国在“被 动房屋”可再生能源利用方面的侧重点也有所不同，一 般包括风能的利用、太阳能光电系统、太阳能光热利用、 生物能利用系统等，其中太阳能光热系统（包括太阳能 采暖、太阳能热水器等）投资费用较低、转换效率高，应 用最为广泛。而在德国，政府推行的新能源法对于可再 生能源应用建筑的补贴幅度较大，而且可再生能源发电 的入网技术成熟、入网电价较高，因此，光伏发电在住宅 建筑中应用最为普及。蓄热、蓄冷技术 目前逐渐有一些

12、先进的技术被引 入到“被动房屋”的设计与建设中，其中最受到关注的是 相变蓄热、蓄冷技术。这项技术主要利用材料的固液相建筑围护 体系主要由地基、外墙、屋面和外 窗 组 成 ，加 强围护 结 构的保温性能是实 现 “被 动 房 屋 ”最 为 关 键的技术措施。2012.04 城市住宅99专题：建筑节能之间的转变过程存储或者释放大量的热量。将相变储能技术应用于“被动房屋”中，可以对室内环境温度进行 微调，维持室内温度在人体的舒适范围内，而相变材料 的再生则可以利用自然冷热源或者可再生能源，实现被 动式的采暖或者制冷。相变材料在建筑中的应用形式可以分为：在通风系 统中使用相变储能模块；在太阳能地暖和水

13、暖地暖系 统中使用颗粒状相变材料；在建筑材料中掺入相变微胶 囊；在吊顶使用大体积封装的相变材料板块。应 用 于建 筑 节 能 的 相 变 材 料 的熔 点 一 般 为2226，当用于冷却系统时，其作用原理是：当白天室 内温度高于其熔点时，相变材料由固态变为液态，吸收 大量热量，从而防止室内温度过高；而在晚上外界温度 下降时，可以采用通风措施，利用室外温度较低的空气 冷却相变材料，使其由液相转变为固相，而这个放热过 程可以维持室内温度在人体舒适的范围内。低至5%以下。由此可见，“被动房屋”建筑并不像其他节能建筑 一样总是追随最新的技术手段，使节能建筑成为高技术 高成本的代名词，而是从 建筑的总体

14、性能上考虑，尽可 能采用低成本的技术措施实现建筑的节能性。因此，长 远看来“被动房屋”在城市居住建筑领域是很有市场潜 力的。“被动房屋”在中国的应用前景在中国推行“被动房屋”，首先要考虑中国不同地区 的气候特征。“被动房屋”最初的设计原则和技术方法是 以德国、奥地利等欧洲中部国家的气候为依据，而目前北 欧和南欧国家已经在此基础上发展了各自的“被动房屋” 建筑，东欧国家如匈牙利、捷克等也正在进行相关研究与 实践。中国国土面积与欧洲近似，有7个不同的气候分区， 各地区的气候特征以及对采暖和通风的要求也不同，在 中国不同地区建造“被动房屋”建筑可以根据情况参考欧 洲相应气候特征国家的经验。比如在中国

15、的严寒地区以 及寒冷地区，采暖为建筑的主要能耗，如何降低采暖能 耗是实现“被动房屋”的主要技术措施，因此，可以参照德 国、奥地利等欧洲中部国家的经验；而在中国夏热冬冷地 区与夏热冬暖地区，建筑能耗以夏季空调制冷为主，可以 参照南欧国家的经验，在保证建筑高保温性能的同时，防 止夏季室内温度过高，降低制冷能耗，同时还应该考虑到 室内除湿与通风的问题。另一方面，中国与欧洲国家在建筑风格与文化上的 差异也会影响“被动房屋”的设计与建造。目前中国大多 数城市的住宅建筑均为中高层、超高层建筑，建筑密度很 高，而欧洲国家多数是家庭式的小型房屋建筑。因此，如 何在高层建筑中实现围护结构的高保温性能，在实现能耗

16、 最小化的同时，满足众多用户在不同时段的采暖或者制冷 需求，是发展中国“被动房屋”建筑的关键。“被动房屋”的基本理念和技术策略在中国是完全 可以实现的。中国在节能建筑的政策法规、规划设计、建 造施工以 及 建筑材料的研发生产上已经具备一定的基 础，欧洲“被动房屋”建筑所要求的材料和设备大多数在 中国都有相同或者类似的产品。我们完全可以在运用“被动房屋”基本理念的基础 上，结合中国的实际情况，创造性的设计出符合中国国情的 “被动房屋”建筑，为可持续建筑的发展增加新的亮点。“被 动房”建 筑体 现的是被动 式的设 计 理 念 ，其 最 主要的 技 术 手段是提高建 筑 外围 护体系的保温性能， 所

17、以相对其他节能 建 筑而 言，它所采 用 的 大都 是 低 技术 的 措 施 ，在 造 价上 是有一 定优势的。“被动房屋”经济效益分析“被动房屋”与其他节能建筑一样，高额的附加成本往往是影响发展的瓶颈。要普及“被动房”建筑，就必须 要提高其性价比，使之成为对普通城市居民具有吸引力 并可以负担的建筑。“被动房”建筑体现的是被动式的设 计理念，其最主要的技术手段是提高建筑外围护体系的 保温性能，所以相对其他节能建筑而言，它所采用的大都 是低技术的措施，在造价上是有一定优势的。根据德国的一项统计数据，相对于目前实行的普 通建筑标准(EnEV 2009)，“被动房屋”的附加成本一般 在5%到10%之间。以一幢使用面积为162m2的新建住宅 房屋为例子，按照普通建筑标准以及“被动房屋”建筑 标准，其造价分别为1784欧元/m2以及1914欧元/m2，即 “被动房屋”的附加成 本