福建省建筑科學研究院  趙士懷

    【摘  要】本文闡述了被動式超低能耗建筑國內外發展現狀，對我國頒布的《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》要點進行解讀，并以廈門地區首個被動式超低能耗示范建筑為例，描述了其技術特色。與夏熱冬暖地區建筑節能技術特征比較，文章分析了我國被動式超低能耗技術體系對該氣候區的技術適應性，最后對我國夏熱冬暖地區發展被動式超低能耗建筑提出若干建議。

    【關鍵詞】被動式超低能耗建筑，能耗指標，氣密性指標，換氣次數，新風熱回收

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

    建筑業作為國民經濟支柱產業之一，在推進城市經濟不斷向前發展的同時，也日益加劇資源和能源的消耗，并對城市環境產生了不良影響，阻礙了建筑業可持續發展。近幾年，被動式超低能耗建筑應運而生，發展迅速，我國對被動式超低能耗建筑的技術指標、評價標識方法、項目示范等方面進行了廣泛研究和實踐，取得了相關成果。2015年我國《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（居住建筑）》頒布實施，同年寒冷地區的河北省率先編制完成被動式超低能耗建筑地方標準。我國被動式超低能耗建筑標準總體上還是以歐洲標準、尤其是德國標準為主要參照，在標準應用范圍、適量、適應性上還有較大的提升空間。我國地域廣闊，氣候劃分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和5個氣候區，各地區氣候差異大，室內環境標準低，建筑特點、建筑技術、產業水平以及人們生活習慣，與德國等歐洲國家相比存在很大不同，還無法照搬發達國家的成功經驗。我國迫切需要建立適應我國國情和地方氣候特征、具有地方特色、操作性較強的被動式超低能耗建筑技術體系，為促進我國被動式超低能耗居住建筑發展提供技術支撐。

2 被動式超低能耗居住建筑發展現狀

    2.1 國外被動式超低能耗建筑發展概況

    歐美許多發達國家都在積極制定低能耗建筑發展目標和技術政策，建立適合本國特點的超低能耗建筑標準和相應計算體系，超低能耗建筑正在成為建筑節能發展的新趨勢。

    德國于1991年在達姆斯達特市（Darmstadts）建設了第一個被動式住宅，2000年建成了首個被動式小區。被動房不僅適用于量大面廣的住宅，而且可應用于辦公樓、學校、幼兒園等公共建筑。德國的被動式房屋標準是在對建筑能耗標準不斷改進的基礎上制定出來的。

    歐盟2010年修訂的《建筑能效指令》（EPBD），要求歐盟國家在2020年前所有新建建筑都必須達到近零能耗水平。歐盟成員國--英國、丹麥、瑞典、芬蘭、法國、愛爾蘭等國家都在國內建立相應的低能耗建筑標準，激勵建筑向低能耗方向發展。歐洲“被動房”能效主要指標見表1。

    注：N50為室內外壓差50Pa的條件下，每小時的換氣次數。

    美國要求2020--2030年建筑達到“零能耗”。韓國提出2025年全面實現居住建筑零碳目標，日本提出2030年施行建筑節能路線圖。

    2.2 國內被動式超低能耗建筑發展概況

    2010年上海世博會上的“漢堡之家”是我國第一棟獲得論證的“被動式建筑”，該建筑原型是位于漢堡“港口新城”沙門碼頭60號的H2O大樓，具有高隔熱隔聲性能，對建筑設計、建筑物圍護結構以及所采用的節能技術采取了優化措施，體現最高環保建筑科技水平、是融居住與工作功能于一體的示范性建筑。截止2016年2月，全國共有被動式低能耗建筑100個，分布在21個省、市，其中嚴寒地區13項，寒冷地區62項，夏熱冬冷地區14項、夏熱冬暖地區11項。典型的項目有“幸福堡”綜合商業樓、溪樹庭院B4樓、天津生態城公屋展示中心、秦皇島在水一方C區、保定長城家園、朗詩布魯克、東莞圣融生態幼兒園等，均通過了德國PASSIVE HOUSE認證。2015年住建部頒布了《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（居住建筑）》，啟動了超低能耗綠色建筑示范工程，2016年批準了12項示范工程；2015年河北省組織編寫的我國首部地方標準《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》DB13(J)/T177-2016頒布實施，山東、黑龍江等省也正在組織編寫地方被動式超低能耗建筑節能設計標準。

3 《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（居住建筑）》解讀

    3.1 被動式超低能耗綠色建筑的內涵

    被動式超低能耗綠色建筑（以下簡稱被動式超低能耗建筑）是指適應氣候特征和自然條件，通過保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護結構，采用高效熱回收技術，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適室內環境并能滿足綠色建筑基本要求的建筑。

    被動式超低能耗建筑內涵即被動優先，主動優化，保證良好的室內環境并減少能源消耗。超低能耗建筑優勢在于：更加節能、更加舒適、更好空氣品質、更高質量保證。

    3.2 被動式超低能耗綠色建筑主要技術特征

    1）采用保溫隔熱性能更高的非透明圍護結構；

    2）采用保溫隔熱性能和氣密等級更高的外窗；

    3）采用無熱橋的設計與施工；

    4）采用建筑整體的高氣密性；

    5）采用高效新風熱回收系統；

    6）充分利用可再生能源；

    7）至少滿足GB/T 50378-2014《綠色建筑評價標準》一星級要求。

    3.3 被動式超低能耗綠色建筑主要技術指標與室內環境參數要求(見表2,3）

    注：1)表中WDH20為一年中室外濕球溫度高于20℃時刻的濕球溫度與20℃差值的累計值（單位：kKh,其中k表示1000，K表示溫度值，下同）；

          2）表中DDH28為一年中室外干球溫度高于28℃時刻的干球溫度 與28℃差值的累計值（單位：kKh）。

    3.4 設計原則

    被動式超低能耗建筑規劃設計應圍繞能耗目標，注重優化空間布局和能源供應方案。 

    1）以氣候特征為引導，進行建筑方案設計。借鑒本地傳統建筑被動式措施，根據不同地區的特點進行建筑平面總體布局、朝向、體形系數、開窗形式、采光遮陽、建筑熱惰性、室內空間布局的適應性設計。

    2）優化圍護結構保溫、隔熱、遮陽等關鍵設計參數，最大限度地降低建筑供暖供冷需求，并滿足本導則能耗指標的要求；性能化設計方法應貫穿設計全過程。

    3）各專業間應協同設計。機電工程師應參與建筑方案的設計，施工單位應參與建筑保溫做法、熱橋處理及氣密性保障等細部設計，使設計意圖能在施工中得到貫徹落實。

4 夏熱冬暖地區被動式超低能耗建筑示范項目

    廈門某住宅小區39#樓被動超低能耗建筑（以下簡稱示范樓），地上建筑面積：約1080m²，建筑層數：地上3層，地下1層。示范樓外景和南立面如圖1、2所示。

    4.1 示范樓達到的技術指標（見表4）

    4.2 示范樓的新技術應用

    示范樓從設計方法、圍護結構、能源系統、室內環境和運營管理等5個方面17項開展創新技術的應用，實現項目的示范定位要求。歸納如下：

    1）圍護結構的保溫隔熱設計。不僅對外墻、屋面進行高標準保溫隔熱設計，同時對女兒墻、隔墻、樓板、地下基礎以及地板等，按照較高標準進行保溫隔熱設計。

    2）高性能門窗與遮陽設計。通過加強門窗的隔熱、遮陽和氣密性性能，降低建筑的傳熱負荷和滲透負荷；通過Low-E外窗玻璃的使用，降低夏季輻射得熱；通過設置可調節的外遮陽，最大限度減少輻射熱負荷。

    3）建筑氣密性保障。房屋的氣密性N50≤0.6h^-1，即在室內外壓差50Pa的條件下，每h的換氣次數不得超過0.6次。

    4）建筑無熱橋設計。盡量使圍護結構的平整，避免產生幾何熱橋；充分考慮圍護結構一致性和完整性，避免結構部件貫穿圍護結構，避免結構熱橋。

    5）室內環境控制。項目從溫濕度、PM2.5，VOC，CO₂，氣流組織，照度控制設計等7個方面營造健康、舒適、安全的室內環境。

    6）智能化設計。項目從計量、檢測、控制、優化、展示等5個方面進行智能化設計。

    4.3 示范樓項目重點采用的技術措施：

    1）最高標準的圍護結構（外墻、門窗）保溫措施；

    2）隔熱、遮陽和綠化措施；

    3）建筑高氣密等級；

    4）高效新風熱回收的設備系統；

    5）結合智能化的被動式超低能耗運行控制。

    4.4 示范樓性能參數 

    示范樓圍護結構和設備性能參數如表5，6所示。

    該項目設計方案于2016年9月通過了專家評審。

5 我國被動式超低能耗建筑技術體系對夏熱冬暖地區適應性分析

    廈門被動式示范樓對發展夏熱冬暖地區建設被動超低能耗建筑作了積極的嘗試。該項目是按照德國的被動房理念和我國《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（居住建筑）》技術原則設計和建造的。但是，按我國被動式超低能耗建筑技術體系建設的廈門示范樓與夏熱冬暖地區10多年形成的建筑節能策略、技術措施和常規節能做法有很大的不同；其技術體系對夏熱冬暖地區的適應性值得探討和反思。

    1）我國被動式超低能耗建筑的技術體系主要采用德國被動房的技術體系，根據我國氣候條件，它適用于寒冷和嚴寒地區。

    德國的近零能耗目標被動房技術體系指標如下：

    ① 供暖需求：≤15kW·h/（m²·a），或熱負荷≤10W/m²；

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

    ③ 建筑一次能源用量≤120kW·h/（m²·a）；

    ④ 氣密性N50 ≤0.6h^-1；

    ⑤ 超溫頻率≤10%（25℃）。

    德國被動房能源需求見圖3所示。

    （圖中，WRG表示新風熱回收機組，U和Uw分別為絕熱和無熱橋的墻體（屋頂）傳熱系數）

    德國與中國的氣候、建筑特點以及居民生活習慣都有較大的差別。德國位于北溫帶，氣候溫和，住宅以低層別墅型為主，基本是全空間與全時間使用，對環境污染小。中國國土面積遼闊，涵蓋多個氣候區，城鎮住宅以中高層為主，部分時間與空間利用，對環境污染大。我國嚴寒和寒冷地區冬季室外條件總體上與德國相近，以供暖能耗為主，基于德國被動房理念建立的我國被動式超低能耗建筑技術體系適用于這兩個地區。對于以空調能耗為主的夏熱冬暖地區，則應分析該被動式超低能耗綠色建筑技術體系適應性。

    2）我國被動式超低能耗建筑采用最高標準的外墻和外窗保溫措施，與夏熱冬暖地區建筑節能措施存在較大差異。

    廈門示范樓外墻和外窗性能要求與夏熱冬暖地區節能標準要求的差異，見表7。由表7可看出，被動房技術體系對外墻和窗戶的性能要求比該地區節能標準高很多。

    實際上在夏熱冬暖地區，當改變圍護結構傳熱系數時，隨著K值的減少，能耗指標并非按線性規律變化，當外墻傳熱系數K降到1.0W/m²·K以后，居住建筑節能率變化已不太明顯，見圖4。

    圖5是外窗隔熱性能和保溫性能對夏熱冬暖地區廣州居住建筑能耗影響的模擬計算結果。選取了3種不同傳熱系數的窗戶，模擬計算各類窗戶遮陽系數（SC）變化時，建筑能耗（P）變化情況。圖中藍曲線代表空調能耗，紅曲線代表供暖能耗，黑曲線代表總能耗，可以看到，（1）空調能耗遠高于供暖能耗，（2）外窗隔熱性能（SC）對建筑能耗的影響要高于外窗保溫性能（K）的影響。

    3）我國被動式超低能耗建筑采用高建筑氣密等級，不符合夏熱冬暖地區加強通風節能措施的技術路線。

    廈門動式示范樓：氣密性N50 ≤0.6h^-1 。

    夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準規定采取下列技術措施加強住宅通風：

    ① 外窗（包括陽臺門）的通風開口面積不應小于房間地面面積的10%或外窗面積的45%。 

    ② 建筑應能自然通風，每一戶至少應有一個居住房間通風開口和通風路徑的設計滿足自然通風要求。

   表8給出了夏熱冬暖地區某沿海城市建筑可利用自然通風的氣象數據統計。

    從表8可以看出：夏熱冬暖地區充分利用室外自然條件進行建筑室內自然通風，有利于室內降溫，節省能耗。

    表9列出夏熱冬暖地區居住建筑節能技術體系與被動式超低能耗建筑技術體系的主要區別。

5 對夏熱冬暖地區發展被動式超低能耗建筑的建議

    我國氣候復雜，應對被動式超低能耗技術體系適應性做客觀和實事求是的分析。

    我國嚴寒和寒冷地區，氣候環境與德國相近，主要的問題是冬季供暖，德國被動房和我國被動式超低能耗技術體系適用于該地區。

    我國夏熱冬冷地區，氣候環境與德國不同，既有制冷，又有供暖和除濕，比較復雜，當前發展超低能耗建筑還缺乏科學的數據支撐，因此要根據當地的氣候和市場條件，理論和實踐相結合，應用好現有的被動式超低能耗技術體系。

    夏熱冬暖地區主要是制冷問題，對供暖需求不大，采取的節能技術與德國和我國現行被動房技術體系有較大差異。因此應對我國《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（居住建筑）》做進一步完善，在現行建筑節能設計標準技術體系的基礎上，建立我國夏熱冬暖地區被動式超低能耗技術體系。著重從以下幾個方面考慮：

    1）制定以供冷量為主的、符合實際的居住建筑能耗指標；

    2）立足自保溫墻體體系，制定圍護結構保溫性能合理取值范圍；

    3）用自然通風量（新風量）取代建筑氣密性指標；

    4）對新風全熱回收裝置節能效果應進行技術分析，規范其使用條件；

    5）對可再生能源住宅應用提出強制要求；

    6）建立住宅用能設備與智能系統相聯動的自動控制系統，提高能源利用效率。

參考文獻：

    [1] 中國建筑科學研究院.被動式超低能耗綠色建筑技術導則（居住建筑）［S］.北京：住建部2015年10月發布：7-27
    [2] 中國建筑科學研究院.夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準.JGJ75-2012［S］.北京：中國建筑工業出版社.2013:5-10 

    備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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