陳軍 汪靜 / CHEN Jun, WANG Jing

布魯克被動房的綠色建筑技術(shù)應(yīng)用與效果分析

陳軍 汪靜 / CHEN Jun, WANG Jing

圖2 布魯克被動房外觀 （來源：Peter Ruge Architekten）

前言

目前我國建筑能耗約占全社會能耗的27.5%（武涌，2013），未來10年是我國城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)和發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建筑能耗總量和占全社會能耗的比例都將持續(xù)增加。另一方面，隨著人民生活水平的提高，對室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求也不斷提升，我國傳統(tǒng)建筑中，舒適的室內(nèi)環(huán)境大多依賴于耗能較高的采暖、空調(diào)等系統(tǒng)來實現(xiàn)，這加劇了建筑能耗的負(fù)擔(dān)。因此，推動綠色建筑和低能耗建筑的發(fā)展是節(jié)能減排的重要抓手，對解決室內(nèi)舒適度和建筑能耗之間的矛盾問題具有重要意義。

1 被動房簡介

被動房指采用了被動式節(jié)能設(shè)計、參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建造的低能耗建筑房屋。根據(jù)歐盟委員會支持的歐洲被動房建筑促進(jìn)項目中對被動房建筑的定義，被動房建筑是指不通過傳統(tǒng)的采暖方式和主動的空調(diào)形式來實現(xiàn)舒適的冬季和夏季室內(nèi)環(huán)境的建筑。各國研究者比較一致的觀點認(rèn)為被動房建筑最大特點在于通過被動式設(shè)計，使得建筑對采暖和空調(diào)需求的最小化（Badescu V，Sicre B.，2003；Schnieders J，Hermelink A.，2006）。由于“被動房”建筑的研究與實踐始于德國，根據(jù)德國的氣候條件，目前大多數(shù)被動房建筑的技術(shù)措施著眼于冬季采暖需求的最小化。而在我國夏熱冬冷地區(qū)實踐的被動房建筑則同時要考慮夏季防熱的技術(shù)措施，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。

目前，在世界范圍內(nèi)沒有統(tǒng)一的被動房的設(shè)計、建造和評價標(biāo)準(zhǔn)?；跉W洲氣候環(huán)境，通過德國被動房研究所認(rèn)證的被動房須滿足兩條標(biāo)準(zhǔn)：（1）建筑每年的采暖能耗不超過15kWh/m2；（2）建筑每年總能耗（采暖、空調(diào)、生活熱水、照明、家電等）不超過120kWh/m2。國內(nèi)各個地區(qū)在建造被動房建筑時，基本上也參照這個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

布魯克被動房（圖1～5）是我國夏熱冬冷地區(qū)的第一個被動房項目，由朗詩集團(tuán)投資建設(shè)，上海朗詩建筑科技有限公司與德國被動房研究所合作研發(fā)，德國彼得魯格建筑師事務(wù)所、德國克魯茨暖通水電設(shè)計事務(wù)所、德國KTP建筑設(shè)計事務(wù)所共同設(shè)計。該項目地處浙江省湖州市長興縣的太湖之濱，附近有太湖旅游度假區(qū)，風(fēng)景優(yōu)美，地理位置優(yōu)越。布魯克被動房地上建筑共5層，面積2 445.25m2，建筑高度為17.55m。

圖3 立面

該建筑于2014年8月8日正式竣工并獲得德國被動房認(rèn)證，作為一棟度假酒店投入運營。

圖4 平面

2 布魯克綠色建筑技術(shù)

被動房主要是通過建筑節(jié)能設(shè)計和各種先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品的集成運用來實現(xiàn)低能耗、高舒適性的目標(biāo)。在建筑設(shè)計方面，布魯克的建筑朝向選擇、體形系數(shù)設(shè)定以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計等都經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪芎哪M計算和優(yōu)化分析。在墻體傳熱系數(shù)、門窗保溫性能及房屋整體氣密性方面，比常規(guī)節(jié)能建筑要求更為嚴(yán)格。按照浙江省50%的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，外墻體的傳熱系數(shù)控制指標(biāo)為1.0W/（m2·K），而布魯克的控制指標(biāo)為0.15W/（m2·K），保溫材料的厚度從通常的40mm優(yōu)化為20mm；門窗的傳熱系數(shù)一般項目控制指標(biāo)為2.5～3.2W/（m2·K），而布魯克的指標(biāo)為0.8W/（m2·K），常用的斷熱鋁合金中空玻璃產(chǎn)品無法滿足這樣的要求，項目最終采用了120mm厚的鋁包木型材配三層雙中空玻璃?？梢钥闯?，在建筑主要的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱指標(biāo)控制方面，被動房的要求大大提高。表1列舉了被動房標(biāo)準(zhǔn)與項目所在區(qū)域的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的差異?？傮w來講，布魯克被動房所應(yīng)用的技術(shù)措施的特點主要體現(xiàn)在熱橋處理、外遮陽設(shè)計和氣密性保障3個方面。

2.1 熱橋處理

布魯克項目按照德國被動房的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)做了非常嚴(yán)格細(xì)致的斷熱節(jié)點設(shè)計。我國夏熱冬冷地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計沒有詳細(xì)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷熱處理要求，只有在部分外保溫構(gòu)造圖集和北方寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中提到這方面的規(guī)定。例如，圖集《外墻外保溫建筑構(gòu)造》（10J121）規(guī)定了門窗洞口、陽臺板上下板面以及女兒墻應(yīng)采用外保溫全包裹的做法。但是布魯克被動房項目的斷熱設(shè)計更為細(xì)致和嚴(yán)格，主要表現(xiàn)在陽臺整體的斷熱設(shè)計、保溫板鋪貼方式以及錨固件的固定措施等方面。

2.1.1 外挑板的斷熱設(shè)計

圖5 剖面

無熱橋設(shè)計是布魯克項目的一項關(guān)鍵性技術(shù)。整個建筑物被嚴(yán)密地包裹在保溫層里，并在建筑的圈梁、框架梁、墻角、外墻板的接縫以及外挑陽臺板等關(guān)鍵部位采用了無熱橋處理，減少穿透保溫隔熱層的構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)外突的建筑部件。陽臺部分與建筑本身進(jìn)行隔離，采用鉚釘錨固的方法。按照德國被動房標(biāo)準(zhǔn)，在陽臺與外墻之間的斷橋錨固點要求每0.6m設(shè)置1個，布魯克項目參照這種做法每2m設(shè)置1個。這樣，通過保溫斷橋設(shè)計，從整體上提高了建筑的保溫性能。

2.1.2 保溫板的斷熱鋪貼

經(jīng)驗表明，建筑外保溫所采用的保溫板厚度越大，板縫的熱橋影響就越大（圖6）。布魯克被動房通過雙層100mm厚保溫板錯縫鋪貼的方式來避免保溫板縫的能量損失（圖7）。雙層錯縫鋪貼保溫板的做法有效地保證了200mm EPS（Expanded Polystyrene，聚苯乙烯）的保溫性能。

2.1.3 錨固件的斷熱措施

傳統(tǒng)外保溫系統(tǒng)的錨固件都是以金屬螺釘為芯材的膨脹錨栓，在保溫板鋪貼上墻之后，采用沖擊鉆在墻面鉆孔安裝，錨固件穿透保溫層進(jìn)入基層墻體。通過紅外熱成像儀拍攝的照片可以看到外保溫墻面上一個個由錨栓形成的熱橋點（圖8）。布魯克項目應(yīng)用的是一種斷熱錨固件（圖9）。這種做法除了實現(xiàn)斷熱的目的之外，還可以降低錨固件部位滲水的風(fēng)險，這對長江流域的建筑墻體防滲有很大的幫助。

2.2 外遮陽設(shè)計

2.2.1 窗洞外遮陽設(shè)計

隨著節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級，節(jié)能建筑對外遮陽的要求越來越高。近幾年，比較流行金屬卷簾等可調(diào)外遮陽產(chǎn)品，投資建設(shè)方在外遮陽卷簾方面也有豐富的應(yīng)用經(jīng)驗。但考慮到布魯克被動房作為酒店建筑的特性，從使用者角度出發(fā)，采用了固定遮陽構(gòu)件設(shè)計?？烧{(diào)外遮陽一般需要使用者主動調(diào)控才能實現(xiàn)遮陽的功能目標(biāo)，如果使用者沒有形成按需調(diào)節(jié)的習(xí)慣，則不能發(fā)揮遮陽的實際作用，而且可調(diào)外遮陽產(chǎn)品的維修成本也是一筆較大的投入。布魯克項目外窗遮陽采用外掛式鋁合金遮陽板（圖10），遮陽板的尺寸按照當(dāng)?shù)叵闹寥蘸投寥盏奶柛叨冉悄M計算的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計（圖11），在保證室內(nèi)采光的情況下，實現(xiàn)最高的遮陽效率。

表1 被動房與浙江50%節(jié)能房屋各項參數(shù)對比

圖6 保溫板拼縫紅外熱成像

圖7 保溫板錯縫粘貼

圖8 傳統(tǒng)外保溫做法紅外熱成像

圖9 錨固件安裝斷熱處理

圖10 鋁合金遮陽板（來源：Peter Ruge Architekten）

圖11 外遮陽挑板尺寸模擬計算

圖12 夏季外墻表面溫度測試

2.2.2 固定陶棒遮陽構(gòu)件

外窗遮陽是目前我國普遍倡導(dǎo)的建筑節(jié)能技術(shù)措施，而對外墻的隔熱遮陽設(shè)計還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識和要求。夏熱冬冷地區(qū)夏季建筑物制冷能耗遠(yuǎn)高于冬季采暖能耗，外墻體采用適當(dāng)?shù)谋伢w系對降低冬季采暖能耗有很大的幫助，但對夏季制冷降耗作用有限。經(jīng)長期的現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，夏熱冬冷氣候區(qū)夏季太陽直射墻面和陰影處墻面溫差普遍在20℃以上（圖12），不難看出隔熱構(gòu)件對降低墻面的外表面溫度具有重要的作用。目前國內(nèi)市場隔熱涂料產(chǎn)品還不成熟，在節(jié)能計算時的衡量指標(biāo)和實際使用效果都還在研究階段。綜合考慮，布魯克被動房外墻部分采用彩色陶棒組成豎向外遮陽簾幕（圖13），強(qiáng)化了墻體的遮陽效果，有效降低了墻體的夏季得熱，同時也豐富了立面色彩。

2.3 氣密性保障

氣密性是被動房建筑的核心指標(biāo)。建筑物內(nèi)外能量的交換，除了通過外圍護(hù)墻體和門窗之外，另一個重要部分就是連通室內(nèi)外的各種狹小縫隙。我國北方地區(qū)農(nóng)村冬季用報紙糊窗戶，就是通過提升建筑氣密性來減少冷風(fēng)滲透。通過實際測試發(fā)現(xiàn)，對于一棟建筑物而言，僅提升門窗的密封性能還不夠，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中有很多細(xì)微的、看不到的縫隙，這些也是空氣滲透的重要部位。布魯克被動房在圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封方面，從詳細(xì)的節(jié)點設(shè)計著手，結(jié)合現(xiàn)場嚴(yán)格管控和階段性的建筑整體氣密性測試，最終保證了房屋氣密性指標(biāo)達(dá)到被動房的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1 氣密性設(shè)計

在被動房概念里，建筑應(yīng)該是一個盡量不受室外環(huán)境干擾的獨立系統(tǒng)。因此，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須具有隔絕室外空氣向室內(nèi)滲透的功能，被動房室內(nèi)外空氣交換主要依靠可控的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)來實現(xiàn)，好的氣密性除了可以降低熱量損失以外，還可以控制室內(nèi)環(huán)境的相對濕度和保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)。布魯克項目的關(guān)鍵部位如窗洞口、穿墻預(yù)埋件、屋頂連接處、建筑物陰陽角包角等位置都采用相應(yīng)的密封材料和配件，確保氣密性保溫系統(tǒng)的完整性（圖14）。

2.3.2 氣密性過程控制和竣工驗收

德國被動房氣密性標(biāo)準(zhǔn)要求在室內(nèi)外壓差為50Pa的情況下，室內(nèi)換氣次數(shù)不得大于0.6h-1。布魯克項目通過采用3道膠條密封的門窗、嚴(yán)密的細(xì)部節(jié)點設(shè)計以及施工過程控制，保證房屋有較好的整體密封性能。在實際工程建設(shè)過程中需要通過氣密性測試來檢驗房屋的

換氣次數(shù)是否達(dá)標(biāo)。如果測試發(fā)現(xiàn)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中仍然存在空氣滲漏點，則應(yīng)要求工人采取針對性的改善措施來加強(qiáng)各部位的密封性，直到整個建筑物的氣密性達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)要求。

建筑氣密性測試在德國已經(jīng)被廣泛采用，常用的檢測方法是氣壓法，通過從室內(nèi)向室外抽出（鼓入）空氣，使室內(nèi)外形成一定的低（高）壓差。這個低壓差會使得室外的空氣通過各種密閉不嚴(yán)的縫隙溢入（溢出）建筑物內(nèi)部，進(jìn)行室內(nèi)外氣體交換，在對應(yīng)的壓差下測試出房間的換氣次數(shù)，即可通過計算得到房間的氣密性。布魯克被動房建設(shè)過程中，分別邀請了國內(nèi)的氣密性測試團(tuán)隊和國外的檢測專家對該建筑進(jìn)行了整體的氣密性檢測和驗收（圖15）。布魯克項目在氣密性檢測中，室內(nèi)正壓換氣次數(shù)為0.34h-1，負(fù)壓換氣次數(shù)為0.37h-1，遠(yuǎn)低于被動房標(biāo)準(zhǔn)要求的0.6h-1，順利通過了德國被動房研究所的被動房氣密性認(rèn)證。

3 空調(diào)與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 暖通空調(diào)系統(tǒng)

為了避免冬夏季節(jié)開窗通風(fēng)造成能量損失，降低能源消耗，同時滿足空氣交換衛(wèi)生方面的要求，在被動房中通常采用帶熱回收的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。布魯克項目的空調(diào)系統(tǒng)為干式風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)。夏季負(fù)荷較低時，由新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)全部的熱濕負(fù)荷，負(fù)荷較高時，同時啟動干式風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，承擔(dān)室內(nèi)部分顯熱負(fù)荷。冬季由新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)全部室內(nèi)的熱負(fù)荷，并配有加濕設(shè)備?？紤]到整棟建筑的負(fù)荷較小，項目設(shè)計時選擇了風(fēng)冷式熱泵作為冷熱源。

布魯克被動房設(shè)計目標(biāo)為夏季溫度不高于26℃，冬季溫度不低于20℃，全年濕度不高于65%。在能源消耗方面，在指定的設(shè)計參數(shù)下，其冬季采暖目標(biāo)能耗不高于3.0kWh/（m2·a），夏季制冷目標(biāo)能耗不高于23.4kWh/（m2·a），空調(diào)總能耗不高于30kWh/（m2·a），并且排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的熱回收效率高達(dá)75%。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

圖13 彩色陶棒外墻遮陽隔熱簾幕（來源：Peter Ruge Architekten）

布魯克項目設(shè)計安裝了一整套能源與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控運行能耗和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。通過18個回路對照明、空調(diào)、動力和部分特殊用能進(jìn)行分項計量，并在內(nèi)部部分典型房間安裝了溫度、濕度、CO2、VOC（Volatile Organic Compounds，揮發(fā)性有機(jī)化合物）等傳感器，通過實時環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測，及時反饋室內(nèi)環(huán)境信息。該系統(tǒng)為長期的運行管理和能耗診斷打下了良好的基礎(chǔ)。

4 冬季工況測試

圖14 布魯克項目穿墻管道密封設(shè)計

圖15 氣密性檢測

被動房的一個重要特點是低能耗保障冬季室內(nèi)的舒適度。研究人員在2014年12月17～25日對該建筑物進(jìn)行了為期9天的溫濕度監(jiān)控測試，并跟蹤收集了12月的空調(diào)能耗數(shù)據(jù)，測試期間全樓按20℃的室內(nèi)設(shè)定溫度進(jìn)行供暖。測試期間室內(nèi)外溫度的變化情況如圖16所示，室內(nèi)外濕度的變化情況如圖17所示。以12月18日室內(nèi)外溫度變化情況為例，可以看到，在清晨6點室外溫度降低至

0.1℃，而室內(nèi)溫度仍然維持在20.9℃；下午2點左右，室外溫度上升至當(dāng)日最高值9.5℃，室內(nèi)溫度為22.1℃。通過對比可以看出，室外環(huán)境溫度變化明顯，而室內(nèi)溫度變化在2℃以內(nèi)，波動范圍較小，說明被動房通過良好的保溫和氣密性設(shè)計隔絕了外界氣溫變化對室內(nèi)溫度的影響，保障了冬季室內(nèi)的溫度在舒適的區(qū)間內(nèi)。按照被動房標(biāo)準(zhǔn)要求，室內(nèi)相對濕度應(yīng)維持在40%～60%。從測試結(jié)果可以看到，室外相對濕度波動較大，室內(nèi)相對濕度平穩(wěn)。測試期間室內(nèi)最高相對濕度為63.6%，最低為41.2%，平均值為54.1%。2014年12月分項計量的空調(diào)系統(tǒng)耗電量為7 543kWh，單位面積的能耗約為3.0 kWh/（m2·m）。由于該項目還處于試運行狀態(tài)，實際能耗較模擬能耗偏高，研究人員將持續(xù)監(jiān)測該項目的運行情況，進(jìn)行更深入的分析。

圖16 布魯克被動房冬季室內(nèi)外溫度對比

圖17 布魯克被動房冬季室內(nèi)外相對濕度對比

5 結(jié)語

與我國常規(guī)建筑相比較，被動房在節(jié)能和室內(nèi)環(huán)境保障方面性能優(yōu)勢明顯。布魯克項目通過良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計、細(xì)致的熱橋處理措施，和氣密性保障手段基本實現(xiàn)了低能耗情況下室內(nèi)健康舒適的目標(biāo)。在我國建筑節(jié)能形勢嚴(yán)峻、居民對室內(nèi)舒適度要求越來越高的情況下，被動房技術(shù)必將引起更多人的關(guān)注。目前我國被動房技術(shù)尚不成熟，大部分示范項目還是通過引進(jìn)國外技術(shù)并消化再改進(jìn)。因此我們必須在已建成的被動房的基礎(chǔ)上分析研究，結(jié)合我國各地特殊的氣候特征，因地制宜地制定適應(yīng)于我國不同地區(qū)的被動房標(biāo)準(zhǔn)，為被動房大面積的應(yīng)用推廣打下良好的基礎(chǔ)。

項目信息

名稱：朗詩長興基地實驗樓1

業(yè)主：長興朗詩綠建科技有限公司

位置：浙江省湖州市長興縣

建筑占地面積：500m2

建筑面積：2 445.28m2

建筑結(jié)構(gòu)：框架結(jié)構(gòu)

建筑防火類別：二級

投資方：朗詩集團(tuán)

建筑設(shè)計：上海朗詩規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司

Peter Ruge Architekten（Peter Ruge, Kayoko Uchiyama, Jan Müllender, Matthias Matschewski, Alejandra Pérez Siller, Duan Fu）

結(jié)構(gòu)設(shè)計：上海朗詩規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司

機(jī)電設(shè)計：上海朗詩規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司

建筑物理：德國被動房研究所

現(xiàn)場監(jiān)理：德國迪索工程咨詢（上海）有限公司

DGNB認(rèn)證咨詢：設(shè)能建筑咨詢（上海）有限公司

施工培訓(xùn)：德國能源署

施工單位：江蘇南通二建集團(tuán)

氣密性測試：邁耶 · 歐博雷本工程師事務(wù)所

認(rèn)證機(jī)構(gòu)：德國被動房研究所

德國可持續(xù)建筑發(fā)展委員會

[1] 武涌.綠色建筑發(fā)展的現(xiàn)狀與展望[M].//中國城市科學(xué)研究會主編.中國綠色建筑.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2] Badescu V, Sicre B. Renewable energy for passive house heating Part I. Building description[J]. Energy and Buildings, 2003(35).

[3] Schnieders J, Hermelink A. CEPHEUS results: measurements and occupants'satisfaction provide evidence for Passive Houses being an option for sustainable building[J]. Energy Policy, 2006(34).

2015-02-10

GREEN BUILDING TECHNOLOGY APPLICATION AND DATA ANALYSIS OF BROOKE PASSIVE HOUSE

圖1 布魯克被動房夜景（來源：Peter Ruge Architekten）

布魯克被動房是朗詩集團(tuán)與德國被動房研究所、德國能源署合作，在我國夏熱冬冷地區(qū)設(shè)計、建造的第一個被動房項目。項目通過采用被動式建筑技術(shù)，在保障室內(nèi)舒適度的情況下降低能耗需求，為解決南方冬季采暖問題以及降低我國夏熱冬冷地區(qū)建筑空調(diào)能耗做出了積極的探索。概述了綠色建筑技術(shù)在布魯克被動房中的應(yīng)用實踐，針對斷熱設(shè)計、遮陽設(shè)計和氣密性控制等專項技術(shù)進(jìn)行深入的探討，并通過分析該建筑冬季工況下的運行測試數(shù)據(jù)情況驗證了被動房的節(jié)能效果。

The Brooke project designed by Landsea Group, German Passive House Institute and DENA (Deutsche Energie-Agentur) is the frst passive house in China' s hot-summer and cold-winter areas. The project applies several passive building technologies to reduce energy consumption while maintaining a comfortable indoor environment. This project sets a good example for other buildings in hot-summer and cold-winter areas, providing a new design concept to save the heating and air-conditioning energy consumption. This paper introduces green building technologies applied in the Brooke project, particularly thermal bridge broken measures, and sun-shading design and air tightness control. The energy consumption record in winter is also analyzed to demonstrate the effectiveness of passive building technologies.

被動房 建筑節(jié)能 綠色建筑

Passive House, Building Energy Effciency, Green Building

陳軍，工學(xué)博士，上海朗詩建筑科技有限公司高級工程師

汪靜，工程師，注冊一級建造師，上海朗詩建筑科技有限公司