趙學丹

北京城建六建設集團有限公司 北京 100010

為了應對氣候變化，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，被動式超低能耗綠色建筑的開發(fā)和建設在中國受到廣泛關注，2015年11月，我國借鑒國外“被動房”的發(fā)展經(jīng)驗，尤其是德國被動房的技術指標體系，結合我國特有的氣候特征和工程實踐，制定了《被動式超低能耗綠色建筑技術導則(試行)》；2016年9月，《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》已頒布實施，文件指出將大力發(fā)展裝配式建筑；2017年3月，《“十三五”裝配式建筑行動方案》要求，裝配式建筑將得到全面發(fā)展，到2020年，全國裝配式建筑的比例將達到新建建筑的15%以上。然而，我國從南到北有各種各樣的氣候特點。德國被動型家居在中國的推廣過程中面臨著這樣的尷尬，具有夏季炎熱冬季寒冷地區(qū)、夏季溫暖冬季炎熱地區(qū)以及溫和地區(qū)的氣候特征明顯變化，同樣的技術體系是否適用于有問題的專業(yè)人士。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)，居民使用空調時的行為習慣對公寓的供暖和空調能耗有重大影響。住宅儲能設計標準對于我國南北居民來說有很大的不同，還有采暖和空調的使用，與居民夏季炎熱的冬季寒冷地區(qū)通常沒有集中供暖的空調類型，所以，居民一般習慣于使用空調。小區(qū)的高氣密性與供暖空調連續(xù)運行期間關閉窗戶的使用方法以及炎熱夏季和寒冷冬季地區(qū)居民的生活習慣之間的差異會對小區(qū)的節(jié)能性能產生影響[1]。同時，被動式住宅的高隔熱性和高氣密性的要求也導致建設成本上升和住宅使用空間的損失。在此背景下，對家居技術體系'國產化'的研究對于不同氣候區(qū)和不同采暖空調使用方式的被動超低能耗尤為重要。本研究通過對湖北省居民家庭能耗狀況的問卷調查，對居民的空調習慣進行了統(tǒng)計分析，在此基礎上，通過對居民能耗的模擬分析，探討了不同空調手術方法下房屋的節(jié)能效果以及房屋冷凍結構對被動式超低能耗的熱效率要求。

1 被動式超低能耗建筑的發(fā)展情況

德國在20世紀80年代引入了“被動式住宅”的概念，并于1991年在德國達姆斯塔德建造了第一座“被動式住宅”。根據(jù)德國“被動房”標準，建筑物的年采暖能耗不超過15kWh/m2，建筑物（供暖、空調、生活熱水、燈具、家用電器等）的年總能耗不超過120kWh/m2。21世紀初，中國與德國能源署合作，利用德國“被動家庭”技術開發(fā)了幾個儲能示范項目。河北省和德國的氣候特征相近，基于德國“被動房”技術，結合場地的氣候和建筑特點，對河北省“被動式超低能耗建筑”的設計標準進行了審查和實施，共建成了300多萬平方米的被動式超低能耗建筑。

隨著經(jīng)濟的快速增長，人們對住房的需求已經(jīng)從尋求規(guī)模和規(guī)模轉向繼續(xù)生活水平和更好的生活，創(chuàng)造低碳社會，實現(xiàn)綠色崛起，繼續(xù)提高公共住房標準已成為增長目標。同時，在京津冀地區(qū)，空氣污染如此嚴重，以至于從能源安全和環(huán)保的角度來看，被動式超低能耗建筑具有更顯著的社會價值[1]。

2 被動式超低能耗住宅的技術特點

被動式超低能耗建筑不僅延續(xù)了被動家居技術的能耗接近零能耗，還為用戶創(chuàng)造了便利的空間，設計要求強調以人為本的意見，在溫度、濕度、隔音和室內空氣質量方面都有所提升[2]。它利用建筑本身來實現(xiàn)建筑極低能耗的目標，而不是通過設備來滿足建筑的物理環(huán)境需求，而被動式超低能耗包括房屋技術特點的以下特點。

2.1 公平的規(guī)劃和設計

建筑選址應符合自然規(guī)律，盡量利用自然環(huán)境創(chuàng)造適宜的條件，規(guī)劃建筑群和布局時應充分使用自然通風和陽光。合理選擇建筑的朝向，夏季避開南方的烈日，冬季盡量多采納陽光，讓建筑獲得溫暖冬季和寒冷夏季的宜人氛圍。

2.2 控制建筑物的體型尺寸

建筑物的形狀與內部空間的熱能消耗密切相關，對于同一塊建筑物，體形系數(shù)越大，單位建筑空間的熱損失越大。

2.3 加強建筑保溫效率

外墻和屋頂（如被動式超低能耗建筑）的外部涂層結構需要小于0.15W/（m2·K）的傳熱系數(shù)。建筑立面造型應簡約，減少裝飾元素，并接受斷熱橋梁結構的設計。門窗面積約占建筑物外部安防面積的30%，其能耗約占建筑物總能耗的2/3，在陽光、采光、通風和觀景條件下，外門窗面積應減少[2]。

2.4 提高建筑物的氣密性

良好的建筑氣密性可以減少建筑物的熱損失，室內外壓力差為50pa，被動式超低能耗建筑物，不超過建筑物每小時空氣滲透總尺寸的60%。門窗開口、填充墻體接合處和結構構件密封專用密封膠帶，密封管道密封穿過墻體，并在單元門的門和戶門使用了被動房專用的保溫門。

2.5 高效的新風熱回收裝置

在普通建筑物中，空氣滲透是實現(xiàn)建筑物冬季通風的常用方法，但它會帶來大量的熱量損失，并產生不適感，將冷空氣吹入房屋。非活性超低能耗可以達到建筑物中新空氣熱回收能力的70%以上，并且在處理新風過程中可以過濾外部空氣的灰塵，并且可以控制空氣濕度，使空氣質量超過自然通風。

3 夏熱冬冷地區(qū)被動房與低能耗住宅節(jié)能效果分析

根據(jù)湖北省居民能源行為模式的一項研究，湖北省居民在使用分體式空調進行空調時，對空調有耐受溫度，通風是在容差溫度范圍內通過打開窗戶進行的。室內溫度冷卻只有在耐受溫度高于或低于溫度時才用空調冷卻或加熱，即湖北居民一般根據(jù)空調的耐受溫度使用中間空調活動。本研究模擬了能耗模擬軟件DST（H）德國被動房標準和湖北省地方標準《低能耗住宅建筑節(jié)能設計標準》（DP42/D559-2013）在不同制冷操作方法下[3]，以及德國被動式住宅連續(xù)空調運行方法與湖北居民常用的中間冷卻操作系統(tǒng)之間的應用。

根據(jù)武漢市高層和超高層建筑的現(xiàn)狀（如圖1所示），模擬對象的建筑工地數(shù)量為33層，樓層高度為2.8m，南北向。建筑物的體形系數(shù)為0.32，朝東、西、南、北窗墻的比例分別為0.05、0.05、0.35和0.28。建筑圍護結構的熱性能參數(shù)設置符合德國被動式豪宅標準和湖北省地方標準。比較容易，被動房和低能耗房屋接受與熱擾動相同的設置，光熱擾動需要3W/m2，照明設備除熱擾動外占用客廳2W/m2，員工熱量產生53W/人，濕生產為61g/hr/人。該研究的空調耐受溫度在夏季設定為29℃，在冬季設定為15℃。

圖1 住宅模型

能耗是根據(jù)上述三個工況的年小時采暖和空調負荷每月計算的。冬季（12月至3月），被動房條件的采暖能耗明顯低于其他2種工況，節(jié)能效果明顯。夏季（7-9月），雖然低能耗家庭維持條件下空調的能耗明顯高于被動式住房條件下的能耗，但低能耗房屋中級條件下空調的能耗明顯低于被動式住房條件下的能耗。在過渡季節(jié)（4-6月，10月至11月），低能耗房屋-中間條件不接近供暖和空調能耗，而被動住房條件和低能耗房屋-連續(xù)條件具有顯著的供暖和空調能耗。原因是湖北居民的中間空調機構可以在夏季室內外溫度如早晚在冷卻器耐受的溫度范圍內時，通過打開窗戶通風來調節(jié)室內熱環(huán)境，從而降低能耗。此外，過渡季節(jié)的被動戶用條件意味著空調能耗高于低能耗——過渡期、過渡期的連續(xù)工作條件表明，被動式家居圍護結構的高隔熱性能要高得多，導致閑置式家居內部散熱能力弱于低能耗戶型。因此，在炎熱的夏季和寒冷的冬季地區(qū)，應從冬季隔熱和夏季隔熱和散熱兩方面考慮，強調高隔熱性能的不活躍家居蓋結構是否適用于熱效率指標應進一步討論[4]。

4 夏熱冬冷地區(qū)被動式超低能耗住宅圍護結構節(jié)能設計分析

4.1 建筑外墻的傳熱系數(shù)

在不考慮窗外遮陽的情況下，同時保持外窗傳熱k至2.0W/（m2·K），將遮陽玻璃系數(shù)SCg設置為0.7，本研究模擬了平均墻窗WWR比分別為0.18、0.21、0.23、0.25、0.28、0.30，但不同墻體室外傳熱系數(shù)k值對住宅用熱和氣候的影響。就建筑物的氣候需求而言，wwR值為0.18、0.21和0.23，只要≤沉降表面為0.4W/（m2·K）在這種情況下，建筑物全年的天氣要求可以滿足指南的要求。雖然WWR的價值為0.25，0.28和0.30，但即使地表溫度傳輸伙伴關系為0.2，建筑氣候要求也超過了指南的要求。為了滿足要求，建筑表面油的隔熱性能需要進一步提高。在產生溫度要求方面，外壁的傳熱系數(shù)值在滿足產生溫度要求極限的同時，在不同平均窗壁比下，外墻的傳熱系數(shù)為0.3～0.4W/（m2·K）種類繁多，能滿足溫度要求的限值準則?？紤]到天氣和建筑物的變暖需求，當WWR≤0.23時，建筑物外墻傳熱系數(shù)為e≤0.4W/（m2·K）滿足變暖和天氣要求的準則，建筑物表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k≤0.3W/（m2·K）可以滿足《指引》的保暖要求，但需要對室外窗戶采取額外的遮陽措施，以使建筑物的氣候要求符合《指引》的限度。

4.2 建筑外窗的傳熱系數(shù)與玻璃遮陽系數(shù)

在不同的平均窗墻比WRR條件下，傳熱系數(shù)K和玻璃遮陽系數(shù)CG外窗的變化會影響建筑供暖和空調的需要?！?”是指建筑物的供暖或空調要求超過該條件下準則的限值。在任何遮陽情況下，當平均窗壁大于WRR時，外窗的傳熱系數(shù)小于k值，較小的玻璃遮陽系數(shù)值得CG。根據(jù)仿真技術結果，在一系列不同的平均窗墻比下得到傳熱系數(shù)K和玻璃遮陽系數(shù)CG。

4.3 綜合遮陽系數(shù)

使用戶外遮陽時，可以使用詳細的遮陽系數(shù)SCW，一般來說，對于小的SCW，遮陽效果最好，這對夏季節(jié)能非常有用。當平均窗壁比WWR分別取為0.25、0.28和0.30時，外墻的傳熱系數(shù)滿足k0.30W/（m2·K）住宅的加熱要求準則的極限，但高于制冷要求準則中的37.18kW/（m2·a）極限。本節(jié)選擇最不利的情況，即WWR為0.30，立面上的傳熱系數(shù)為0.30W/（m2·K），以討論如何通過調整組合遮陽系數(shù)將公寓的冷卻要求提高到指南的極限。

當SCW為0.40時，制冷要求為34.06kW/（m2·a），符合極限值要求。由于SCW系列基于非常不利的工作條件，因此也適用于AWR低于0.30的被動式超低能耗家庭。

4.4 無熱橋設計

在建筑施工中，必須減少熱橋的影響，絕緣釘應與金屬和工程塑料連接；應增加雨水管道等設備支架；陽臺、空調板和頂篷應采用橫梁和斷板，以減少外墻保溫層的接觸面積;基墻保溫層應延伸至冰凍線以下；非采暖時應伴有屋面基層保溫層和屋面下地暖保溫層，保溫材料應向下延伸，以減少熱橋的影響；通風通道、管道等通過外墻的周圍環(huán)境應用厚度小于50mm的保溫材料堵住，在外窗高度處應考慮厚度對該區(qū)域保溫層的影響。

4.5 被動門窗

被動式窗戶常采用空斷橋鋁合金窗戶，不超過1.0W/（m2·K），為了減少橋梁的熱沖擊，需要采用外部安裝，外墻保溫材料可以覆蓋窗框部分，有利于提高外窗的隔熱性能。在實際施工中，一些居民擔心室外窗戶的安全性，制造商必須使用鋼埋件和更合理的結構結來改善被動窗戶的施工和安裝方法。應考慮單元入口的被動門通道要求，應滿足無障礙門啟動力度的要求，門內外入口的高度和地板的高度差應小于15mm，并按坡度變化。我國住宅門一般向樓梯敞開，門內外溫差小，不符合外墻或外窗的隔熱性能要求，公寓的被動門傳熱系數(shù)小于1.3W/（m2·K）。適當降低門隔熱性能被動強度要求

5 嚴寒地區(qū)建筑被動式超低能耗設計

采光與通風設計，被動式超低能耗建筑節(jié)能技術旨在通過建筑良好保溫隔熱性能的外圍護結構，建筑整體良好的氣密性及高效的熱（冷）回收新風系統(tǒng)等，實現(xiàn)建筑利用太陽輻射得熱及室內人體、設備散熱等創(chuàng)造建筑室內適宜的熱環(huán)境。在這一過程中不難看出良好的采光環(huán)境將直接影響到建筑的太陽輻射量。嚴寒地區(qū)建筑能耗普遍高于全國水平，在進行建筑設計的時候應合理選址及規(guī)劃建筑朝向、建筑開窗等以使建筑獲得更多的太陽輻射熱，降低建筑能耗水平。影響太陽輻射熱的主要因素是當?shù)亟?jīng)緯地理位置，根據(jù)當?shù)氐乩砦恢靡?guī)劃建筑朝向，使得建筑物南向能在冬季獲得更多的太陽輻射。同時在夏季應做好建筑南向窗戶的遮陽措施，避免建筑夏季太陽輻射熱過多，影響室內熱舒適度。建筑的通風風向合理與否同樣是影響建筑節(jié)能因素之一。夏季穿堂風的充分利用及寒冷季節(jié)主立面避開主導風向是建筑合理通風的標志。寒冷地區(qū)影響建筑通風的主要影響因素是當?shù)貧夂驐l件，應充分了解當?shù)囟局鲗эL向，建筑平面規(guī)劃設計時，盡量以最小立面直面冬季主導風向，減少冷風滲透及開關門動作產生的熱量損耗。

6 結語

被動式超低能耗住宅技術更加強調一種設計理念，即提供舒適的室內生活環(huán)境，并且比堆疊的能耗更低。在實踐中，應結合當?shù)氐臍夂蛱卣骱蜕罘绞?，設計出更適合人們使用的被動超低能耗房屋。