对欧洲“被动房”的思考

时间：2019-02-13 14:06:51 来源：

　　欧洲国家对节能建筑的研究和实践一直都十分活跃而卓有成效，不少新的概念和技术都源自欧洲，“被动房”(Passive House)作为节能建筑的一种类型，由于其具有独特的研究出发点和逐渐成熟的设计、建造和评价体系，在欧洲国家越来越受到社会各界的青睐，成为学术研究和设计实践的有一个关注点。

“被动房”建筑的基本情况：

“被动房”建筑的定义

　　按照欧盟委员会支持的欧洲“被动房”促进项目中对“被动房”的定义，“被动房”是指不通过传统的采暖方式和主动的空调形势来实现舒适的冬季和夏季室内环境的建筑。

　　各国研究者比较一致的观点认为“被动房”最大特点在于通过被动式设计，使得建筑对采暖和空调需求的最小化。

　　由于“被动房”的研究与实践始于德国，根据德国的气候条件，目前欧洲大多数的“被动房”的技术措施着眼于冬季采暖需求的最小化。

“被动房”建筑概念的创立

　　“被动房”的概念是在德国上世纪80年代低能耗建筑的基础上建立起来，1988年瑞典德隆大学的阿达姆森教授和德国的费斯特博士首先提出这一概念，他们认为“被动房”应该是不用主动的采暖和空调系统就可以维持舒适内热环境的建筑。

　　1991年在德国的达姆施塔特建成了第一座“被动房”，在建成至今的十几年里，一直按照设计的要求正常运行，取得了很好的效果。

　　1996年，费斯特博士在德国达姆施塔特创建了“被动房”研究所(PHI)。该研究所是目前“被动房”研究最权威的机构之一。

　　在欧洲已经有上万座“被动房”建成，并且“被动房”的理念已经不再只局限于住宅建筑中，在一些公共建筑中，也逐渐开始采用“被动房”的标准进行建设。

“被动房标准”

　　“被动房标准”实际上是一个实现建筑超低能耗的设计标准，目前这个标准并非官方制定，而是研究者们达成一个共识。

　　在欧洲国家，要真正被认证为“被动房”必须满足2条标准：1)建筑每年的采暖能耗不超过15kwh/㎡;2)建筑每年总年耗(采暖、空调、生活热水、照明、家电等)不超过120kwh/㎡。

　　按照这些标准，建筑的冬季采暖可以被减少到欧洲现有同类型建筑的10%以内，建筑每年的总能耗可以减少到30%以内，二氧化碳的排放可以减少到50%以内。

　　在欧洲目前大约一万座被认证为“被动房”的建筑中，都是按照这个标准建造的，他们大多数都是居住建筑，也包括一些办公楼、学校、幼儿园、超市等公共建筑。

“被动房”设计的主要措施

　　目前的“被动房”项目中，设计和建造“被动房”建筑时主要致力于解决冬季的采暖问题，其设计理念的核心思想在于最大限度地减少建筑的热量损失。其技术措施可以归纳为4个方面。

加强建筑维护体系的保温性能

　　建筑维护体系主要由外墙、屋面和外窗组成，加强围护体系的保温性能是“被动房”建筑设计和建造中最为重要的技术措施。正如人在冬季最重要的御寒手段就是穿上保暖衣服一样，这是一个非常简单的道理。

　　而“被动房”正是充分发挥了这一原则。在考虑现有建筑材料的性能和价格的基础上，为建筑穿上一件最保暖的外套，并把可能存在的“冷桥”尽量阻隔掉。

　　建筑外墙和屋面是围护体系主体，在欧洲目前的“被动房”中，外墙和屋面的保温材料较多地采用XPS挤塑聚苯板以及岩棉等。为达到“被动房标准”，所采用的厚度都非常大。

　　例如：德国达姆施塔特建成的第一座“被动房”建筑中，外墙采用275mm的EPS聚苯保温板，其传热系数为0.14w/(㎡·K);屋面采用了445mm的岩棉保温，其传热系统达到0.1w/(㎡·K)。

　　在其他已建成的“被动房”项目中，外墙和屋面的传热系数通常都在0.1w/(㎡·K)左右。

　　外窗的保温性能对玻璃和窗框要求读很高，在不少欧洲国家现有的建筑中，大多数采用双层中空玻璃和断桥铝合金的窗框，其传热系数为2.4w/(㎡·K)，还远远达不到“被动房”外窗的保温性能要求。

　　目前已建成的“被动房”中，建筑外窗通常采用3层中空玻璃以及带保温夹层的窗框，其传热系数可达0.8 w/(㎡·K)以下。

　　在围护结构的阻热性能明显提高以后，“冷桥”就成为一个影响围护体系保温效果的重要因素。在现有建筑的设计中，“冷桥”也已经成为一个被关注的问题，但是远没有在“被动房”设计中那样尽可能的被避免。在“被动房”里，尽量避免“冷桥”存在。

提高建筑的气密性能

　　基于“被动房”的理念，建筑应该是一个尽量不受室外环境干扰的独立系统。因此，建筑围护结构应该具有可以隔绝室内外空气渗透的功能，这一点在冬季尤为重要，所以，“被动房”建筑与室外空气交换都是通过可以控制的机械系统来实现。

　　建筑的气密性能对于“被动房”非常重要，好的密闭性除了可以降低热量损失以外，还可以控制室内环境的湿度和保护建筑结构。

　　在“被动房”建筑设计中，不少窗扇都是固定不可以打开的，部分可开启窗扇在关闭时也要满足很高的气密性要求。

　　在“被动房标准”中有一条不做严格要求但是推荐采用的指标，就是在建筑的气密性测试中，要求在室内外50Pa压力差的情况下，每小时的空气渗透量不能超过建筑总容积的60%。

　　在欧洲各国的现有建筑中，这一指标都还远不能达到要求，通常在200%-400%之间，而在德国达姆施塔特建成的第一座“被动房”中，这一指标仅为30%，有效地减少了冬季热量的损失。

机械送新风并进行热回收

　　当建筑的气密性能大大提高以后，适宜的通风换气方式对于“被动房”就尤为重要了。

　　要保持室内空气的清洁与健康，必须要满足一定的新风量，在欧洲各国中，新风量的指标从室内空气每小时换气0.4~0.9次，我国北京居住建筑节能设计标准中规定的冬季换气指标为0.5次，与欧洲各国的要求大致相同。

　　在现有建筑中，开启窗户和门窗缝隙的渗透是实现建筑冬季换气的常用方式，但这样无疑会带来大量的热量损失，并且产生室内吹冷风的不舒适感。

　　在“被动房”中，这一换气指标则完全需要通过机械通风的方式来完成，在每套住宅中，室内污浊的空气从厨房和卫生间的排风口排入风管中，新鲜空气则从起居室和卧室的送风口中进入房间。

　　把建筑排风中的热量回收，用以预热室外的新鲜空气并送入室内是实现“被动房标准”的关键技术之一，在欧洲目前使用的热交换器的热回收效率非常高，可以达到75%~90%的热回收率，所以传统建筑在冬季通风换气损失的热量在“被动房”建筑中很大程度上被避免了。

　　新风排风热交换器的体积很小，通常装在建筑吊顶或者阁楼内就可以。由于“被动房”建筑队采暖所需的热量需求已经很少，所以甚至可以通过新风系统来调节房间的温度，经过加热的新风送入房间就足够保持设计的室内气温，这样，建筑内就可以完全不用安装传统意义的采暖系统了。

　　当然，在设计者看来，机械新风的另一个好处是可以保证空气的质量。在新风的处理过程中，除了可以回收热量以外，还可以过滤室外空气的尘土，控制空气的湿度，使空气的质量可以比自然通风的空气质量大大提高。

　　所以，即使是在非采暖季节，在不必考虑热量损失的情况下，有不少建筑师还是坚持在设计采用机械新风系统。

低热负荷的采暖方式

　　通过上述3方面的措施，“被动房”的冬季采暖需求已经被降低的程度，只需要很少的热量即可以达到室内的设计温度，有研究者在“被动房标准”中提出，“被动房”建筑的采暖热负荷应该低于10W/㎡。

　　这时候，作为被动式建筑的设计理念已经实现了，在这个基础上，为建筑提供采暖的热源就完全可以摆脱对传统采暖设备的依赖，设计者可以充分发挥想象力利用各种“免费”能源来为建筑提供热量。

　　利用太阳能是最常见的方式，满足“被动房标准”的建筑，可以通过被动式太阳房的设计获得热量，也可以通过建筑立面的设计，是充足的阳光在冬季直接照射到建筑室内，所获得的太阳能就能够提供相当一部分采暖的热量。

　　另外，建筑内的电灯、家用电器和厨房设施产生的热能都为房间供暖，甚至人体自身产生的热能也可以维持房间的温度。

　　当然，这些都不稳定的热源，所以建筑内一般也会有小型的采暖设施作为备用。通过加热新风或者安装小型低温热辐射器是常见的方式，采暖设施的热量可以通过小型的地源热泵、生物质燃炉、太阳能集热器等可再生能源设施来获得。

“被动房”的发展方向建造多样化的“被动房”

　　因为“被动房”的缘起是在德国、奥地利等欧洲中部国家，所以相关的标准和技术措施更多的是针对这一地区的气候特征和地域特点。

　　要推广“被动房”的设计理念，必须使其适应不同的地域和环境，发展多样化的“被动房”。

　　在其他欧洲国家中，这种多样化的趋势正在不断深入。欧洲幅员广阔，气候差异较大，北欧国家冬季严寒，而地中海沿岸国家夏季较为炎热，这些气候特征都与德国有很大不同，在设计中必须采用不同策略。

　　居住建筑的修建方式也各有特点，比如外墙，在德国外墙涂料很常见，而荷兰、比利时等国家砖砌空心墙较多，瑞典、芬兰等国家则通常采用木构建筑。

　　针对这些不同的修建方式，需要在建筑构造设计上采用不同的方式来使墙外的保温性能达到“被动房”的要求。

　　随着“被动房”理念的不断推广，在欧洲各国也都建成了不少“被动房”建筑实例。

　　目前，“被动房”理念也传播到了欧洲以外的国家。2006年在美国明尼苏达州的贝密吉建成了北美第一座经过认证的“被动房”建筑Waldsee Biohaus，2007年美国的“被动房”研究所(Passive House Institute US)在伊利诺伊州的厄巴纳成立。

　　亚洲国家中，目前有研究者在韩国进行把“被动房”理念运用于城市高层住宅的可行性研究，这些项目对东亚周边国家也将会起到一定的示范作用。

　　“被动房”在欧洲的发展速度很快，有德国的研究者乐观地认为德国在未来10年内将全面采用“被动房标准”，10年后的所有新建住宅都会是“被动房”。

　　如此看来，如果“被动房”的理念能够得以广泛普及，其技术措施能够得到广泛运用，在将来的某个时期，城市中的建筑都满足“被动房标准”，所有的建筑都可以在建筑内部轻易地解决冬季采暖问题，那目前作为重要市政基础设施的城市供暖系统就可以退出历史舞台了。

　　这样看来，“被动房”在实现节能和环保的环境目标的同时，也将改变人们的生活方式和城市的形态。

提高“被动房”建筑的性价比

　　与其他节能建筑一样，高额的附加成本往往是影响发展的瓶颈。要普及“被动房”，就必须要提高其性价比，使之成为对普通城市居民具有吸引力并可以负担的建筑。

　　“被动房”体现的是被动式的设计理念，其最主要的技术手段是提高建筑外围体系的保温性能，所以相对其他节能建筑而言，它所采用的大都是低技术的措施，在造价上是有一定优势的。

　　“被动房”建筑也不会像其他节能建筑一样总是追随最新的技术手段，让建筑的调节与操控变得很复杂，而使节能建筑成为高技术高成本的代名词。因此，长远看来“被动房”是很有市场潜力的。

　　根据德国“被动房”研究所公布的案例资料，在德国一套新建成的100㎡的“被动房”住宅，增加的额外投资为7669欧元，另一套新建成的130㎡的“被动房”住宅，增加的额外投资为13140欧元，而他们每年所节省的能耗费用在511~1023欧元之间。

　　在德国对于节能建筑的财政补贴和税收优惠政策下，对于购房者而言，这样的性能价格比已经是非常容易接受的了。

　　当然，节能建筑的性价比总是受到各种因素影响的。由于石油、天然气、煤炭等不可再生能源的价格会长期趋涨，而普及程度的提高会使节能技术的成本逐渐下降，这是大的趋势。

　　而目前，市场对节能住宅的接受度很大程度上还是要受到投资与收益平衡的影响，对于普通城市居民而言，如果附加的购房成本能够在可以预见的时期内通过大大减少采暖费用而得以回收，那一定还是非常具有吸引力的。

建立基于“被动房”理念的设计方法

　　在实现可持续建筑的节能、节材、环保等环境目标的策略中，总的来讲可以划分为两大部分：一部分是“需求最小化”策略，另一部分是“供给最优化”策略。

　　而对需求的控制完全可以用被动式的方法来完成，“被动房”正是充分运用这一方法的例子。“被动房”一方面是一种节能建筑类型，这种类型的建筑需要满足“被动房标准”的要求;另一方面，“被动房”理念也可以发展成为一种可持续建筑设计方法——被动式法。

　　被动式方式是一种利用建筑自身而不通过设备来满足建筑物理环境的要求，并实现建筑的节能、环保等环境可持续目标的方法。

　　把建筑对能能源和资源的日常需求控制到最低是被动式方法的核心思想，这些需求涉及到建筑的采暖、空调、照明、用水等方面，对于位于不同气候条件和社会环境中的建筑，这些需求会有很大不同，建筑师需要发挥足够的智慧，运用多方面的策略才能很好地把这些需求降到最低。

　　“需求最小化”是可持续建筑的重要内容，在这一基础上，再采取可再生能源利用、能源效率提高、资源循环再利用等“供给最优化”的具体相关策略，才能获得最大的环境收益。

　　对住宅建筑而言，被动式方法可以涵盖居住区规划、住宅设计、管理机制、居住生活模式等几个不同的方面，在这几个方面都有各自可以实现控制要求的措施，把这些措施有机的组合到一起，可以把住宅对能源和资源的日常需求降到最低，从而形成一个实现住宅建筑环境可持续目标的“被动式体系”。

“被动房”在我国的应用前景分析

　　“被动房”经过欧洲国家不断研究与实践，已经发展出比较成熟的设计、建造和评价体系。从大量建成项目的效果看，“被动房”建筑有很好的发展前景。

　　目前“被动房”建筑的研究和实践也已经在北美和亚洲的国家中开始进行。我国对节能建筑历来非常重视，近年来也在研究和实践中取得了不少积极的成果，可以结合国情，吸取欧洲“被动房”建筑的经验。

　　首先要考虑我国不同地区的气候特征。“被动房”最初的设计原则和技术方法是以德国、奥地利等欧洲中部国家的气候为依据，而目前北欧和南欧国家已经在此基础上发展了各自的“被动房”，东欧国家如匈牙利、捷克等也正在进行相关研究与实践。

　　我国国土面积与欧洲近似，有7个不同的气候分区，各地区的气候特征以及对采暖和通风的要求也不同，在我国不同地区建造“被动房”可以根据情况参考欧洲相应气候特征国家的经验。

　　同时，我国与欧洲国家文化上的差异也会影响到“被动房”的设计。

　　例如，我国的饮食方式对住宅厨房的要求和欧洲国家有很大不同，住宅中厨房产生的油烟和气味通常需要通过自然通风或者抽油烟机及时排走，而“被动房”对建筑密闭性和室内换气量却有特定的要求。

　　因此如何在住宅设计中同时满足节能和生活习惯的要求是一个需要综合考虑的问题。

　　另外，我国目前大多数住宅是市场化的，“被动房”的收益和所增加的额外投资是否能够平衡，从而被市场所接受，这也是影响到“被动房”是否可以推广的关键因数。

　　尽可能采用本土的建筑材料和相关产品是有效降低建造成本的方式，这一点需要在研究和实践中做更多的尝试。

　　当然，从欧洲国家的经验来看，“被动房”的造价明显低于其他高技术节能建筑，而且随着需求的增加和相关产品的普及，其生产成本的优势会越来越大。

　　“被动房”的基本理念和技术策略在我国是完全可以实现的。我国在节能建筑的政策法规、规划设计、建造施工以及建筑材料的研发生产上已经具备一定的基础，欧洲“被动房”建筑所要求的材料和设备大多数在我国都有相同或者类似的产品。

　　建筑师需要在运用“被动房”基本理念的基础上，结合我国的实际情况，创造性的设计出符合我国国情的“被动房”，为可持续建筑的发展增加新的亮点。

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