王亞峰 蔡倩 鮑宇清 周寧 張昭瑞 / WANG Yafeng, CAI Qian, BAO Yuqing, ZHOU Ning, ZHANG Zhaorui

國(guó)內(nèi)外被動(dòng)式超低能耗標(biāo)準(zhǔn)及能耗軟件對(duì)比

王亞峰 蔡倩 鮑宇清 周寧 張昭瑞 / WANG Yafeng, CAI Qian, BAO Yuqing, ZHOU Ning, ZHANG Zhaorui

被動(dòng)式超低能耗建筑是未來(lái)建筑發(fā)展的方向，目前國(guó)內(nèi)有許多相關(guān)項(xiàng)目正在進(jìn)行中。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外被動(dòng)式超低能耗建筑的能耗指標(biāo)、能耗計(jì)算軟件的參數(shù)設(shè)定和計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比和簡(jiǎn)單分析，以期為相關(guān)研究提供參考和依據(jù)。

被動(dòng)式超低能耗建筑 能耗指標(biāo) PHPP DeST 差異分析

引言

我國(guó)目前提倡的被動(dòng)式超低能耗建筑是在德國(guó)被動(dòng)房的概念上引申出來(lái)的。被動(dòng)房起源于1980年代的歐洲，通過(guò)大幅度提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和氣密性，同時(shí)利用高效的熱回收技術(shù)以及可再生能源技術(shù)，將建筑采暖需求降低到15kWh/（m2·a）以下（邱樂(lè)，2014）。2010年上海世博會(huì)的“漢堡之家”是中國(guó)境內(nèi)首座獲得認(rèn)證的被動(dòng)房，“漢堡之家”每平米一年消耗相當(dāng)于50度電的能量，僅相當(dāng)于普通辦公樓的1/4（盧求，2015）。目前，中國(guó)已經(jīng)建成了一批被動(dòng)房，例如河北新華幕墻辦公樓、新疆“幸福堡”綜合樓、青島中德生態(tài)園等（彭夢(mèng)月，2011；張春鵬，2016）。我國(guó)目前使用的被動(dòng)式超低能耗標(biāo)準(zhǔn)主要有3個(gè)：德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）》（以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》），河北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳發(fā)布的《被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱河北地標(biāo)）。

對(duì)于能耗的計(jì)算，在確立被動(dòng)房的節(jié)能措施以及能耗指標(biāo)后，德國(guó)被動(dòng)房研究所（Passive House Institute，PHI）研發(fā)了專門(mén)用于被動(dòng)房能耗計(jì)算的軟件——PHPP（Passive House Planning Package），在被動(dòng)房的認(rèn)證過(guò)程中，建筑的能耗指標(biāo)均以PHPP的計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，以防止不同軟件間的計(jì)算差異。而我國(guó)則主要使用DeST（Designer's Simulation Toolkit）、EnergyPlus、TRNSYS（Transient System Simulation Tool）等能耗模擬分析軟件。

本文對(duì)比了國(guó)內(nèi)外被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異，以及能耗計(jì)算軟件PHPP和DeST在計(jì)算輸入條件及計(jì)算結(jié)果方面的差異，以期為相關(guān)研究提供依據(jù)。

1 能耗指標(biāo)比較

德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)、《導(dǎo)則》和河北地標(biāo)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍不同。在建筑類型上，德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)適用于居住建筑和公共建筑，國(guó)內(nèi)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)僅適用于居住建筑。在氣候區(qū)域上，德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)最初的適用范圍為中歐地區(qū)，隨著被動(dòng)房在世界范圍內(nèi)的推廣，該標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，目前可適用于世界范圍內(nèi)的大部分地區(qū)；《導(dǎo)則》則適用于我國(guó)的各個(gè)氣候分區(qū)，針對(duì)每個(gè)氣候分區(qū)的特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的能耗指標(biāo)；河北地標(biāo)適用于河北省范圍，在氣候分區(qū)上基本屬于寒冷地區(qū)。

根據(jù)德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)、《導(dǎo)則》和河北地標(biāo)對(duì)建筑能耗的規(guī)定（表1），3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均從采暖、制冷、氣密性和一次能源4個(gè)方面進(jìn)行了限定。除氣密性要求一致外，采暖、制冷和一次能源雖然指標(biāo)名稱相同，但限定值和其內(nèi)部含義存在差異。

1.1 基準(zhǔn)面積

在計(jì)算建筑物單位面積能耗時(shí)，德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)使用的能耗基準(zhǔn)面積稱為T(mén)FA（Treated Floor Area）面積，即經(jīng)處理后的樓面面積，類似于地毯面積，在計(jì)算過(guò)程中，住宅內(nèi)部、設(shè)備及交通空間、電梯井及樓梯均有不同的能源相關(guān)面積計(jì)算方法，例如，電梯豎井不計(jì)入總面積中。對(duì)于居住建筑，依據(jù)德國(guó)生活條例進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于非居住類型的建筑，依據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN（Deutsches Institut für Normung）277進(jìn)行計(jì)算。《導(dǎo)則》使用的能耗基準(zhǔn)面積是套內(nèi)使用面積，即臥室、起居室（廳）、餐廳、廚房、衛(wèi)生間、過(guò)廳、過(guò)道、儲(chǔ)藏室、壁柜等使用面積的總和。河北地標(biāo)使用的能耗基準(zhǔn)面積則是建筑面積，是指各樓層外包線圍成的平面面積的總和，包括對(duì)室內(nèi)環(huán)境有同樣要求的半地下室或地下室的面積。一般來(lái)說(shuō)，就同一棟建筑而言，建筑面積大于套內(nèi)面積和TFA面積，因而不能簡(jiǎn)單比較單位面積能耗。

1.2 供暖能耗

德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)中冬季的室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)值要求為20℃，在此溫度下，要求供暖負(fù)荷≤10W/m2或年采暖需求≤15kWh/（m2·a）。河北地標(biāo)與德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于供暖負(fù)荷與年采暖需求的規(guī)定數(shù)值一致?！秾?dǎo)則》中要求冬季建筑室內(nèi)溫度≥20℃，但采暖需求按照不同氣候區(qū)進(jìn)行劃分，其中要求寒冷區(qū)域的年采暖需求≤15kWh/（m2·a）。

1.3 制冷能耗

德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)中夏季的室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)值為25℃，自然室溫超過(guò)25℃的頻率小于10%，可以不采取主動(dòng)制冷措施，對(duì)于有主動(dòng)制冷需求的建筑，要求其年制冷需求≤（15+除濕）kWh/（m2·a）。河北地標(biāo)規(guī)定夏季室溫≤26℃，且年制冷需求≤15kWh/（m2·a）或制冷負(fù)荷≤20W/m2?！秾?dǎo)則》中規(guī)定夏季室溫≤26℃，制冷需求的限制根據(jù)當(dāng)?shù)馗蓾袂驕囟冗M(jìn)行計(jì)算。

1.4 一次能源

關(guān)于一次能源的限值，德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)與河北地標(biāo)的規(guī)定均為120kWh/（m2·a），包含供暖、制冷、除濕、熱水、照明、設(shè)備輔助用電和電氣設(shè)備用能；《導(dǎo)則》規(guī)定為60kWh/（m2·a），只計(jì)算供暖、供冷、照明能耗。關(guān)于不同能源種類的一次能源系數(shù)，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)具有一定差異，如河北地標(biāo)中規(guī)定電的一次能源系數(shù)為3，而在德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)中，該數(shù)值為2.6。

為達(dá)到表1所示能耗指標(biāo)的要求，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種節(jié)能措施給出了相應(yīng)的指標(biāo)建議。由于中歐地區(qū)與我國(guó)寒冷地區(qū)氣候相似，因此將德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中歐地區(qū)的設(shè)計(jì)要求，與《導(dǎo)則》、河北地標(biāo)對(duì)寒冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及新風(fēng)熱回收的推薦指標(biāo)進(jìn)行比較（表2）。

從整體來(lái)看，河北地標(biāo)對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的推薦值與德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)基本一致，《導(dǎo)則》中的傳熱系數(shù)推薦值略寬于德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)，例如《導(dǎo)則》中對(duì)于寒冷地區(qū)外墻的傳熱系數(shù)取值在0.1～0.25W/（m2·K）之間，而德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)的傳熱系數(shù)取值為≤0.15W/（m2·K）。

2 PHPP與DeST差異分析

針對(duì)被動(dòng)房的能耗要求及其認(rèn)證，德國(guó)被動(dòng)房研究所研發(fā)了PHPP軟件，該軟件建立在能量平衡的基礎(chǔ)上，通過(guò)輸入建筑、冷熱源、用能終端等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行能耗模擬計(jì)算。DeST軟件是國(guó)內(nèi)常用的能耗軟件之一。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PHPP軟件和DeST軟件在能耗計(jì)算的邊界條件及結(jié)果的應(yīng)用方面有一定差異。

2.1 計(jì)算面積

如前文所述，PHPP軟件中德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)的能耗指標(biāo)計(jì)算的基準(zhǔn)面積類似于地毯面積，住宅內(nèi)部、設(shè)備及交通空間、電梯井及樓梯均有不同的計(jì)算方法。而DeST軟件建筑能耗指標(biāo)按照建筑面積計(jì)算。因此，就同一棟建筑而言，PHPP中輸入的面積小于DeST中輸入的

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于建筑能耗的規(guī)定

注：① 可變除濕的需求極值，取決于氣候數(shù)據(jù)，所需的換氣次數(shù)和室內(nèi)濕負(fù)荷。

② WDH20（Wet-bulb Degree Hours 20）為一年中室外濕球溫度高于20℃時(shí)刻的濕球溫度與20℃差值的累計(jì)值（單位：kKh）。

③ DDH28（Dry-bulb Degree Hours 28）為一年中室外干球溫度高于28℃時(shí)刻的干球溫度與28℃差值的累計(jì)值（單位：kKh）。

④ N50為室內(nèi)外壓差為50Pa時(shí)，室內(nèi)每小時(shí)換氣次數(shù)。

⑤ 包含供暖、制冷、除濕、熱水、照明、設(shè)備輔助用電和電氣設(shè)備用能。

⑥ 包括供暖、供冷、照明用電。面積。也就是說(shuō)，同樣條件下，DeST計(jì)算得到的單位面積能耗更低。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及新風(fēng)熱回收的推薦值

2.2 計(jì)算方法

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，十幾年間網(wǎng)絡(luò)恐怖主義在世界范圍內(nèi)引發(fā)關(guān)注和討論，很多國(guó)家和組織機(jī)構(gòu)積極主動(dòng)加入到網(wǎng)絡(luò)反恐的隊(duì)伍，在世界范圍內(nèi)進(jìn)行了大量的反恐實(shí)踐，出臺(tái)了一系列相關(guān)的國(guó)際公約、條約，如歐洲委員會(huì)的《網(wǎng)絡(luò)犯罪公約》、歐洲理事會(huì)《關(guān)于防止恐怖主義公約》、世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)《2016年世界互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展烏鎮(zhèn)報(bào)告》、上海合作組織《上海公約》以及聯(lián)合國(guó)的相關(guān)決議，但國(guó)際恐怖襲擊事件仍接連發(fā)生，全球反恐合作面臨嚴(yán)峻形勢(shì)和挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)反恐合作績(jī)效不盡如人意，存在多方面的原因。

PHPP中的供暖和制冷需求采用月度計(jì)算法，即使用月氣候數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算供暖和制冷需求。而DeST可以通過(guò)全年8 760h建筑內(nèi)每個(gè)房間的人數(shù)、室內(nèi)溫濕度的設(shè)定數(shù)值、燈光強(qiáng)度以及空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，逐時(shí)分析房間的空調(diào)負(fù)荷（圖1）。相比而言，DeST的參數(shù)輸入更加豐富。

2.3 空調(diào)分區(qū)

對(duì)于居住建筑的空調(diào)分區(qū)計(jì)算，PHPP將整個(gè)建筑視為一體，對(duì)整棟建筑的環(huán)境要求較為一致，分區(qū)簡(jiǎn)單；DeST則以房間為計(jì)算單元，可以求出任意房間的空調(diào)負(fù)荷，也可以把任意房間加入到某一個(gè)空氣處理單元中進(jìn)行能耗模擬。

2.4 熱橋

“無(wú)熱橋設(shè)計(jì)”是被動(dòng)式超低能耗建筑的主要技術(shù)手段之一。PHPP中，熱橋計(jì)算是一個(gè)需要單獨(dú)輸入的環(huán)節(jié)。例如，為了降低外窗的熱橋，外窗一般都是外掛到建筑外墻上。對(duì)于該問(wèn)題，在PHPP中，首先利用Therm等軟件對(duì)窗戶熱橋進(jìn)行模擬，然后將熱橋模擬值輸入PHPP進(jìn)行計(jì)算。除了線熱橋以外，PHPP還可以輸入點(diǎn)熱橋。DeST對(duì)于熱橋的計(jì)算可以參考《建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法-DeST》（清華大學(xué)DeST開(kāi)發(fā)組，2006）。DeST可通過(guò)建筑的CAD圖形，直接判定熱橋部位并調(diào)用相關(guān)的熱橋模型庫(kù)。對(duì)于窗洞熱橋的計(jì)算，DeST軟件是在窗臺(tái)的中心處進(jìn)行熱橋的模擬，并不能直接模擬外掛窗。

圖1 DeST全年8 760h作息輸入

圖2 不同形式的平壁

2.5 滲透風(fēng)量計(jì)算

2.6 傳熱系數(shù)

在建筑傳熱系數(shù)的計(jì)算方面，PHPP可以比較詳細(xì)地定義沿寬度或厚度方向由不同材料組合而成的復(fù)合平壁，而DeST每一層可以選擇的材料都是唯一的（圖2）。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)輸入，PHPP軟件更加詳細(xì)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PHPP軟件和DeST軟件在輸入?yún)?shù)的形式以及能耗計(jì)算結(jié)果上有一定差異，各有特點(diǎn)。不同能耗軟件的模擬結(jié)果之間是否具有可比性還應(yīng)進(jìn)行更加深入的研究。

3 結(jié)論

本文首先對(duì)比了國(guó)內(nèi)外關(guān)于被動(dòng)式超低能耗建筑的規(guī)范，然后分析了各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的異同，最后將PHPP軟件和國(guó)內(nèi)常用的能耗模擬軟件DeST進(jìn)行對(duì)比。德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)、住建部《導(dǎo)則》和河北地標(biāo)的適用范圍不同，控制項(xiàng)目相同，均是從采暖、制冷、氣密性和一次能源4個(gè)方面進(jìn)行了限定，但指標(biāo)、邊界條件和計(jì)算方法有一定差異，具體如下：

（1）德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)、《導(dǎo)則》和河北地標(biāo)對(duì)于能耗基準(zhǔn)面積有不同的規(guī)定和計(jì)算方法。德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)使用的是TFA面積，類似于地毯面積，《導(dǎo)則》使用的是套內(nèi)面積，河北地標(biāo)使用的是建筑面積。因此不能簡(jiǎn)單比較3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的能耗指標(biāo)。

（2）對(duì)于采暖負(fù)荷和采暖能耗，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)冬季室內(nèi)設(shè)定溫度均為20℃，但指標(biāo)要求不同，德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)中建筑物冬季采暖負(fù)荷與采暖需求的限值與氣候區(qū)無(wú)關(guān)，而《導(dǎo)則》按照氣候區(qū)域劃分了不同的采暖需求限值。

（3）對(duì)于制冷負(fù)荷和制冷能耗，德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)和《導(dǎo)則》對(duì)夏季室內(nèi)溫度的設(shè)定不同，制冷需求限制的計(jì)算也不同。

（4）德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)與《導(dǎo)則》均對(duì)一次能源需求有規(guī)定，但一次能源范圍、指標(biāo)和一次能源轉(zhuǎn)化系數(shù)均有差異。

（5）關(guān)于能耗計(jì)算，德國(guó)被動(dòng)房研究所采用PHPP軟件進(jìn)行計(jì)算，《導(dǎo)則》和河北地標(biāo)采用其他軟件。不同能耗計(jì)算軟件在計(jì)算單元的選取、面積的計(jì)算、熱橋的處理、滲透風(fēng)量計(jì)算、材料定義上均有一定差別。不同軟件得到的計(jì)算結(jié)果之間是否具有可比性應(yīng)進(jìn)行更加深入的研究。

[1] 邱樂(lè). 德國(guó)被動(dòng)房在大連地區(qū)多層住宅中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D]. 大連:大連理工大學(xué), 2014.

[2] 盧求. 德國(guó)被動(dòng)房超低能耗建筑技術(shù)體系[J]. 動(dòng)感(生態(tài)城市與綠色建筑), 2015(01).

[3] 張春鵬. 德國(guó)被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)及保障體系探究[D]. 濟(jì)南: 山東建筑大學(xué), 2016.

[4] 彭夢(mèng)月. 歐洲超低能耗建筑和被動(dòng)房的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)及實(shí)踐[J]. 建設(shè)科技, 2011(05).

[5] 江億, 清華大學(xué)DeST開(kāi)發(fā)組. 建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法—DeST[M].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2006.

王亞峰，北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)開(kāi)發(fā)中心

蔡倩，北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)開(kāi)發(fā)中心

鮑宇清，北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)開(kāi)發(fā)中心

周寧，北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)開(kāi)發(fā)中心

張昭瑞，北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)開(kāi)發(fā)中心

2016-09-21

THE COMPARISON OF THE STANDARD AND ENERGY CONSUMPTION SOFTWARE OF PASSIVE HOUSE WITH ULTRA-LOW ENERGY AT HOME AND ABROAD

The Passive House with Ultra-low Energy is the development trend of the future building and many projects are being implemented. This paper makes a comparative analysis on the energy-consumption index, as well as the parameter determination and calculation method of the energy consumption simulation software at home and abroad, so as to provide references for related study.

Passive House with Ultra-low Energy, Energy-consumption Index, PHPP, DeST, Differential Analysis