同濟大學     李崢嶸   張東凱   蒿玉輝

摘   要：被動式超低能耗建筑已經成為了建筑節能研究的重點方向。本文從舒適性指標、關鍵技術指標以及節能技術的應用三個方面對既有超低能耗建筑進行資料收集和分析，并與德國被動房性能進行了對比分析，分析結果表面：夏熱冬冷地區超低能耗建筑采用的主動式技術以高效照明、通風熱回收和空氣源熱泵為主，被動式技術應用主要有自然采光、自然通風、建筑遮陽和綠色植被，可再生能源以太陽能或太陽能與土壤源熱泵聯合的應用形式為主；現階段宜僅針對建筑空調、通風與供暖能耗進行研究和規定。為未來夏熱冬冷地區超低能耗建筑體系的建立提供了參考。

關鍵詞：夏熱冬冷地區；被動式超低能耗建筑；技術指標；節能技術

基金項目：“十三五”國家重點研發計劃項目（項目編號：2017YFC0702600）。

1   引言

近年來，隨著工業和科技的不斷發展進步，社會總能耗也在不斷增加，在歐洲，建筑的能源消耗占整個一次能源消耗的40%左右^[1]，其中，85%的能源消耗用于供暖、照明以及生活熱水，而大部分能源的消耗的減少實際上可以通過提高建筑的保溫隔熱以及采用更節能的供熱制冷系統實現，因此低能耗高舒適度的高性能建筑成為研究的熱點。目前許多發達國家及一些發展中國家在積極制定適應于本國氣候特點的超低能耗建筑的技術措施和發展目標。
中國幅員遼闊，各地區間的氣候差異很大，經濟文化發展水平不平衡，人們生活習慣、舒適性需求也不同，不同地域被動式超低能耗建筑關鍵技術的側重也有差異，因此不同氣候區超低能耗建筑的技術特點也不同^[2]，本文針對夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑技術特點，總結其相應技術路線，為未來夏熱冬冷地區更多超低能耗建筑的設計提供參考。

2   國外節能建筑體系的發展

被動式超低能耗建筑理念核心是降低建筑對于能源的依賴，盡可能減少外界向建筑提供能量，通過建筑自身設計特點，充分利用可再生能源或建筑本身產出的能滿足建筑的能源消耗需求。以德國、瑞典、芬蘭及美國為代表的發達國家走在世界的前列，四國分別制定了建筑年終端能耗的限值^[3]，其包括供暖、熱水及照明的能耗，德國年終端能耗限值為不超過120kW·h/(m²·a)，且一次供暖能耗限值為不超過15 kW·h/(m²·a) ^[4]，瑞典終端能耗限值為不超過為42kW·h/(m²·a)、芬蘭終端能耗限值為不超過為50kW·h/(m²·a)^[5]、美國終端能耗限值為不超過為35kW·h/(m²·a) ^[6] 。
德國被動房必須滿足的控制性指標見表1。

表1   德國被動房控制性能指標

丹麥企業提出的主動房概念^[7]，強調可再生能源與建筑的結合應用，在保證室內舒適的前提下，實現與周圍環境之間的協調，利用建筑周圍環境使得建筑能夠自主生產能源，實現建筑能源自給自足的目標。瑞典參照德國被動房技術體系提出了迷你能源標準^[8]，并對不同類型建筑的供暖能量需求做了詳細的規定。芬蘭工程師協會會議制定并通過了《低能耗建筑標準和被動房標準》。并根據本國氣候環境特點，對德國被動式超低能耗建筑體系進行了改進，根據單位面積年耗能量，將被動式超低能耗建筑劃分為三個等級，對應不同的終端能耗限值。英國建筑科學研究院制定的《可持續家庭評價標準》，提出了零碳居住建筑的概念，要求在考慮圍護結構、房間氣密性和建筑設計等綜合因素條件下，熱損失系數不超過0.8W/(m²K)。被動式超低能耗建筑作為一種新型節能型建筑，是節能建筑發展的趨勢，歐美發達國家針對本國國情，相應制定并開始實施被動式超低能耗建筑技術體系。

3   夏熱冬冷地區超低能耗建筑發展概況

國內開展被動式超低能耗建筑的研究相比較歐美發達國家較晚，在新型城鎮化建設過程中呈現出的高能耗、能源資源問題以及環境等問題，促使建筑向更加低耗能化的方向發展，我國2009年開始引入并推動被動式超低能耗建筑項目，探討研究適合中國的被動式超低能耗建筑技術體系^[9]。

我國夏熱冬冷地區夏季濕熱、冬季寒冷的氣候特點決定了該區域節能型建筑既要保證夏季的隔熱，同時要考慮冬季的保溫，以夏季制冷為主，兼顧冬季的供暖，有較大的除濕需求，過渡季節有開窗通風的習慣。部分省市已經針對本地區的經濟發展情況和氣候環境，制定相應的標準，如江蘇省出臺的《江蘇省民用建筑熱環境節能設計標準》中已經將住宅建筑分為主動式和被動式兩大類，分別進行了建筑設計標準的規定。住建部科技發展促進中心基于我國現狀初步提出以寒冷地區和夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑技術為參照標準。夏熱冬冷地區超低能耗建筑目前大多數是示范類項目。從最早的“漢堡之家”被動房、布魯克被動房等到目前在建的一批項目，被動式超低能耗建筑在夏熱冬冷地區的從研究到示范項目，再到工程應用已經具備了一定的基礎。提煉適合于本區域的被動式超低能耗建筑體系，對于被動式超低能耗建筑在夏熱冬冷地區的推廣應用具有重要的現實意義。

4   夏熱冬冷地區超低能耗建筑技術特點

本文主要從舒適性、關鍵技術的應用以及所采用的節能技術等方面分析夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑的技術體系的特點。

4.1   舒適性指標

節能型建筑設計的前提是能夠營造健康舒適的室內環境，健康舒適的室內環境主要由室內空氣質量、溫濕度水平、隔音及照明等構成。被動式超低能耗建筑很好地將室內環境控制與能源消耗控制結合在一起，相互協調，達到均衡穩定的水平。

由于夏熱冬冷地區氣候潮濕，為維持室內健康舒適的環境，常采用通風措施來實現，但是被動式超低能耗建筑的一項重要指標是房間換氣次數不超過0.6次/h，這一限制決定了建筑很難通過滲透風來解決建筑的通風問題，因此在只能利用通風設備向建筑內送入新風或回風的方式滿足建筑對于通風的需求。表2中列舉了超低能耗建筑實例中采用的幾種通風方案。表2中的案例所采用的新風方案，兼顧了新風量的保證和新風的預處理，盡可能將新風系統與熱回收技術或可再生能源技術融合在一起，滿足新風量需求，同時降低新風能耗。新風或室內回風經過熱濕處理，以控制室內溫濕度，冬季維持室內溫度不低于20℃，夏季室內溫度不超過26℃，相對濕度不超過60%。在不適宜開窗通風的季節或室外環境較差時，采用高效低耗能系統，既保證了室內新風量的衛生標準要求，提供健康新鮮空氣，又控制了室內溫濕度的相對穩定，維持室內良好的空氣環境。在被動式超低能耗建筑中，室內通常會設有溫濕度及污染物傳感器，并與新風系統聯動，當回風中污染物濃度過高時，系統自動提升新風量，以減低污染物濃度。在過渡季節或滿足條件的地區，夏季夜間充分利用自然通風，對建筑進行降溫或換氣，改善室內空氣質量，在自然通風不能滿足要求的時段，利用新風系統進行有效補充。

表2   超低能耗建筑通風方案比較

隔聲降噪也是被動式超低能耗建筑舒適性設計中的一項重要內容，在建筑的隔聲方面，通常需要對建筑內隔墻、吊頂、內門、樓梯等構件進行隔聲處理，內墻和內門通過采用隔聲材料制作，建筑樓梯采用減震構件，減少人行產生的震動。

4.2   關鍵技術指標

被動式超低能耗建筑的重要特點是低能耗，圍護結構的性能對建筑冷熱負荷的影響尤為顯著，同時氣密性狀況是建筑內外環境相互影響的關鍵。

4.2.1   圍護結構指標

圍護結構控制指標主要考慮屋面、外墻、外門窗的傳熱系數，以及建筑的氣密性。下表是夏熱冬冷地區幾棟典型被動式超低能耗建筑的圍護結構技術指標設計值與德國被動房圍護結構技術指標的對比。

圖1   圍護結構技術指標對比

從上表可以看出，夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑的圍護結構技術指標設計值并不完全滿足德國被動房的要求，除了氣密性要求均達標以外，屋面、外墻和外門窗均有不同程度高于被動房標準值現象，德國以寒冷氣候為主，冬季供暖需求大，必須要保證建筑圍護結構的保溫性能，以降低建筑熱負荷，同時兼顧夏季的隔熱，而我國夏熱冬冷地區夏季空調需求大，必須保證圍護結構隔熱性能，以降低建筑的冷負荷，同時兼顧冬季的保溫。因此，雖然夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑圍護結構傳熱系數大于德國被動房標準，但是也足夠滿足需求。

4.2.2   能耗指標

能耗指標直接反映了建筑的耗能水平，可以定量判斷建筑的節能特點，同時也是被動式超低能耗建筑進行認證標識的重要參考。下表是夏熱冬冷地區幾棟典型被動式超低能耗建筑的能耗指標與德國被動房能耗指標限值的對比。

圖2   能耗指標對比

從圖2可以看出，夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑的能耗指標限值除了供冷指標外，基本都滿足德國被動房能耗指標的限值標準，其中供熱指標遠低于德國被動房標準，而供冷指標相反超過德國被動房指標的限值，這是由于我國夏熱冬冷地區夏季與德國相比潮濕炎熱，且空調期長，有較大的供冷需求，導致建筑的供冷負荷較大，而冬季氣候相對于德國較為暖和，冬季極端寒冷天氣比較少，供暖需求較小，供暖期也較短，故建筑的供暖負荷較小，但是一次能源消耗總量（指建筑內供暖、制冷、通風、照明和生活熱水用能乘以一次能源轉換系數）相比于德國被動房的限值要低得多，目前我國居住建筑年單位面積一次能源消耗量約為118kW·h/(m²a)，實際上已經低于德國被動房120kW·h/(m2a)標準，雖然這與當地氣候特點、居民生活習慣、以及電器性能指標的差異性有關，但是可以反映兩國建筑的一次能源消耗水平，而超低能耗建筑相比普通建筑的一次能源消耗更低，因此一次能源消耗總量要遠低于德國被動房的標準，這與我國的國情和能源特征有關。

4.3   節能技術應用

被動式超低能耗建筑實現超低能耗的途徑的關鍵在于節能技術的應用。本文主要從主動式技術、被動式技術以及可再生能源利用三個方面分析夏熱冬冷地區被動式超低能耗節能技術的使用特點。

4.3.1   主動式技術

不同地區超低能耗建筑中主動式技術的應用存在很大差異。表3列舉了夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑中主動式節能技術的應用情況。

表3   主動式技術應用情況

從表3中可以看出，夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑主要采用的主動式節能技術包括高效照明、機械通風熱回收和空氣源熱泵，而置換通風、輻射供熱、供冷等主動式技術的使用較少。主動式技術的應用特點可以反映夏熱冬冷地區的氣候特點及居民的生活習慣特征，夏熱冬冷地區的梅雨季、冬季陰雨天較多，白天自然光難以滿足室內采光要求，需要照明設備的輔助，夏季遮陽的使用同樣會影響室內采光，照明使用需求較大，因此高效照明設備的使用減少電能的消耗。夏熱冬冷地區通風需求大，采用高效帶熱回收的新風系統可以為室內提供新鮮空氣，防止發霉及污染物的積累，調節室內溫濕度穩定，同時可以有效降低通風系統能耗。由于圍護結構良好的保溫隔熱性能及密封性能，冬夏季建筑的供暖供冷負荷都較小，調研測試結果表明，冬季室內溫度甚至能達到17℃以上，基本滿足熱舒適要求，或者只需要少量的供暖量便能滿足室內舒適性要求，而供冷需求較大，高效的末端形式可以利用高溫冷源維持室內舒適性。空氣源熱泵作為冷熱源的補充，在夏熱冬冷地區能效能達到2.5以上，且在夏季制冷時，可同時將產生的熱用于制備生活熱水，是冷熱源較為理想的補充。

4.3.2   被動式技術

被動式技術利用建筑空間布局設計、建筑結構的構造特點，充分有效利用自然界能量，達到節能的目的^[10]。表4列舉了夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑中被動式節能技術的應用情況。

表4   被動式技術應用情況

從表4可以看出，被動式技術的應用具有較為一致的表現，對于自然采光、自然通風、遮陽、被動式得熱以及綠色植被的應用較為普遍，光導技術、地道風及蓄熱等技術也多有涉及。夏熱冬冷地區氣候潮濕，尤其是在梅雨季節，自然通風可以防止室內霉菌滋生，改善室內空氣質量，此外在過渡季節以及部分地區夏季夜間，自然通風又能對建筑進行室內溫度的天然調節，減少人工設備的使用頻率，降低建筑能耗，也符合這一地區居民通風的生活習慣。

建筑外遮陽設施對于降低夏季空調能耗具有重要的貢獻，冬季利用太陽得熱則有利于降低室內采暖負荷，冬季希望盡可能減少建筑的遮陽，采用新型遮陽設施和技術，滿足夏季建筑的遮陽的同時，保證冬季建筑的太陽輻射得熱是夏熱冬冷地區遮陽技術發展的方向，目前超低能耗建筑上已經大量應用遮陽新技術新措施，如活動遮陽構件、精確遮陽構件的設計以及建筑外墻的遮陽等。

建筑周圍及表面種植綠色植被具有美化建筑整體的外觀效果，凈化建筑周圍的微氣候環境，同時對建筑的保溫隔熱作用也有顯著的效果，此外，考慮建筑的布局，挑選合適品種規格的綠色植被可以兼顧遮陽的作用。因此，建筑內外的綠色植被的布置，與夏熱冬冷地區夏季隔熱兼顧冬季保溫的圍護結構要求契合相融，起到有效地的輔助作用。

被動式超低能耗建筑中被動式技術應用的關鍵在于技術與建筑的合理匹配，選擇合理的建筑體形系數、建筑朝向、遮陽技術、自然通風、自然采光、高性能圍護結構、綠色植被等，不同地區的建筑根據氣候、地形以及當地及居民生活習慣選擇適宜的技術路線可以充分發揮低能耗建筑的優勢。

4.3.3   可再生能源利用

可再生能源已經成為能源多樣化重要途徑，超低能耗建筑節能的主要包括兩個方面，一是減少一次能源消耗，二是拓展能源的來源，可再生能源正是建筑能源來源的有效途徑，將太陽能、風能、地熱、生物質能等可再生能源高效應用于建筑，作為建筑的主要能源或一次能源的重要補充是被動式超低能耗建筑實現節能環保運行的有益保證。

在被動式超低能耗建筑中，可再生能源的利用是優化建筑能源供應方案的有效替代選擇^[11]。 夏熱冬冷地區太陽能資源屬于Ⅳ類地區^[12]，太陽能的利用主要有太陽能熱水系統、太陽能光伏發電和太陽光導照明。超低能耗建筑冬季室內供暖熱負荷較小，高效供暖末端裝置可以利用40~60℃的低溫熱水進行供暖^[13]，保證了建筑在冬季可以利用有限的太陽能資源滿足建筑的供暖需求。此外，將太陽能與土壤源熱泵聯合、太陽能與空氣源熱泵聯合等方式可以解決太陽能保證率低的問題。太陽能光伏發電與建筑相融合的光伏建筑一體化，為建筑進行電力補充，減少對一次能源的依賴，但是光伏發電的突出問題是其成本與效率收益的平衡，體量越大效率越高，成本收益越快，目前超低能耗建筑體量較小，對于單體式超低能耗建筑，采用太陽能光伏發電技術并不適宜。

可再生能源的能夠大大降低了建筑的耗能水平，同時也要考慮其應用效果與效益，地域條件的限制以及技術的合理應用是可再生能源發揮節能優勢的關鍵所在，使得可再生能源與建筑用能在時間和空間上實現平衡，夏熱冬冷地區的地域與氣候特點更適合采用多種技術的聯合應用，如太陽能與土壤源熱泵技術的聯合使用。

5   總結

本文針對夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑的技術特點進行了分析，分別從舒適性指標、關鍵技術指標、節能技術的應用等三個方面，結合該地區現有被動式超低能耗建筑案例，總結了夏熱冬冷地區被動式超低能耗建筑的技術特點，得出如下結論：

（1）被動式超低能耗建筑在歐美發達國家已經較為成熟，基于我國國情和地域氣候特點，建立適合我國發展需要的技術體系是節能工作的重點。

（2）夏熱冬冷地區圍護結構要求夏季隔熱為主，兼顧冬季保溫，目前該類建筑主要使用的主動式技術主要有采用高效照明、通風熱回收技術、以及空氣源熱泵；采用的被動式技術主要有自然采光、自然通風、建筑遮陽和綠色植被；可再生能源的應用適宜采用太陽能或者太陽能與土壤源熱泵聯合的方式。

（3）由于國情現狀，我國夏熱冬冷地區超低能耗居住建筑的一次能源消耗量已經低于德國被動房標準限值，因此，對于超低能耗的能耗限制，因根據不同發展階段進行調整。現階段，宜僅針對建筑空調、通風與供暖能耗進行研究和規定。

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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年4月刊總第20期。
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