被動(dòng)房節(jié)能策略及設(shè)計(jì)手法研究

天津大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，天津 300072

0 引言

被動(dòng)房源于德國(guó)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)逐漸成熟，建設(shè)量迅速增加，并出現(xiàn)了規(guī)模較大的被動(dòng)房社區(qū)，如德國(guó)的海德堡列車新城被動(dòng)房社區(qū)、奧地利的因斯布魯克被動(dòng)房社區(qū)。近年來，中國(guó)為鼓勵(lì)被動(dòng)房建設(shè)，對(duì)于被動(dòng)房的補(bǔ)貼力度逐漸加大，全國(guó)各地紛紛出臺(tái)政策鼓勵(lì)被動(dòng)房建設(shè)，國(guó)內(nèi)的被動(dòng)房開始迅速發(fā)展。目前，盡管國(guó)內(nèi)已對(duì)被動(dòng)房的技術(shù)原理有了比較全面的認(rèn)識(shí)，但是在技術(shù)應(yīng)用方面仍有很多障礙，因此借鑒外國(guó)優(yōu)秀的被動(dòng)房案例，學(xué)習(xí)國(guó)外的被動(dòng)房設(shè)計(jì)手法，能為國(guó)內(nèi)被動(dòng)房的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提供指導(dǎo)。

1 被動(dòng)房簡(jiǎn)介

被動(dòng)房（Passive House）是指不借助空調(diào)及傳統(tǒng)的采暖方式，只通過預(yù)熱與預(yù)冷新鮮空氣的手段，維持室內(nèi)舒適度的建筑［1］。為保證節(jié)能效果，被動(dòng)房需采用性能優(yōu)良的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高效的熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，以及利用可再生能源的低功耗的制冷及采暖系統(tǒng)。

被動(dòng)房的概念源自20世紀(jì)80年代的低能耗建筑。1987年，時(shí)任瑞典德隆大學(xué)教授的亞當(dāng)森（Bo Adamson）曾前往中國(guó)南方，參與未供暖房屋的舒適度改善工作。他稱這些房屋為“被動(dòng)房”，因?yàn)檫@些建筑物依賴于被動(dòng)的熱學(xué)系統(tǒng)。此后他與卡塞爾大學(xué)的菲斯特（Wolfgang Feist）博士一起研究被動(dòng)房項(xiàng)目。1991 年，他們合作建設(shè)了德國(guó)的第一棟被動(dòng)房，位于德國(guó)達(dá)姆施達(dá)特市。1996 年，菲斯特建立了被動(dòng)房研究所（PHI），其研發(fā)的被動(dòng)房設(shè)計(jì)程序（PHPP）已成為國(guó)際公認(rèn)的被動(dòng)房設(shè)計(jì)和檢測(cè)工具。

2 國(guó)外已建成被動(dòng)房設(shè)計(jì)手法及技術(shù)策略分析

被動(dòng)房的基本原理為減少維護(hù)結(jié)構(gòu)和房屋通風(fēng)過程中的熱損失，主要措施包括以下幾個(gè)方面：

2.1 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)所要求的低能耗，通常使用專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬軟件——被動(dòng)房設(shè)計(jì)程序（PHPP）——來輔助設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)結(jié)合建筑室外的氣候條件、室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)及建筑功能，合理排布建筑平面、控制建筑形體系數(shù)。靈活利用天然采光及不同形式的遮陽(yáng)手段，控制室內(nèi)溫度，加大南向采光面積，利用活動(dòng)外遮陽(yáng)設(shè)施調(diào)節(jié)光線。

被動(dòng)房的外遮陽(yáng)設(shè)施應(yīng)采用靈活的設(shè)計(jì)手法。設(shè)計(jì)過程要考慮建筑造型與保溫隔熱系統(tǒng)施工的關(guān)系，如利用格柵塑造建筑立面的造型。通常被動(dòng)房造型設(shè)計(jì)受制于保溫材料，立面設(shè)計(jì)受到限制。但海德堡城區(qū)內(nèi)的眾多被動(dòng)房，不但保證了外保溫系統(tǒng)施工完成度，而且使得被動(dòng)房建筑造型多樣。例如海德堡城區(qū)內(nèi)的SkyLabs 辦公樓，其建筑外立面和外遮陽(yáng)設(shè)施融為一體，形態(tài)優(yōu)美。

2.2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)

2.2.1 外墻保溫

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能是影響被動(dòng)房節(jié)能效果最直接的因素。在被動(dòng)房的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，在冬季采暖期，只有當(dāng)熱損失減少到，僅依靠獲得太陽(yáng)輻射熱能就能基本滿足舒適的室內(nèi)溫度，該建筑才能達(dá)到被動(dòng)房的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)［2］。

被動(dòng)房墻體保溫層設(shè)計(jì)與一般建筑區(qū)別較大，保溫層普遍選用EPS、XPS 擠塑聚苯板等材料，屋頂處的總厚度通常大于300mm，外墻處通常大于200mm，且采用雙層保溫層錯(cuò)縫拼接。在保溫方式方面，大部分部位采用外保溫，少部分采用內(nèi)外雙層保溫。由于被動(dòng)房對(duì)外窗的保溫隔熱性能要求高，通常選用三玻二腔窗，并將窗戶置于外墻外側(cè)而不是洞口處以減少熱損失。由于門窗型材的保溫性與玻璃相比較差，應(yīng)盡量減少窗戶分隔。

2.2.2 無熱橋處理

被動(dòng)房對(duì)熱橋處理的要求極高，須要在方案設(shè)計(jì)時(shí)避免出現(xiàn)熱橋，并對(duì)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，阻斷鋼筋混凝土抗震柱、門窗過梁、陽(yáng)臺(tái)挑梁等部位的熱橋。

以陽(yáng)臺(tái)為例，被動(dòng)房的陽(yáng)臺(tái)盡量獨(dú)立于結(jié)構(gòu)主體之外。可以采用預(yù)制的陽(yáng)臺(tái)，用鋼架獨(dú)立承托陽(yáng)臺(tái)，或?qū)㈥?yáng)臺(tái)護(hù)板錨固在外墻上。在將舊建筑改造成被動(dòng)房的過程中，由于改造難度較新建建筑大，可將不滿足條件的陽(yáng)臺(tái)拆除。在因斯布魯克大學(xué)教學(xué)樓改造項(xiàng)目中，原建筑的陽(yáng)臺(tái)由混凝土懸臂梁支撐出挑，懸臂梁作為熱橋，引起大量的能量損失。為解決熱橋問題，設(shè)計(jì)師改變了建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，將挑出的陽(yáng)臺(tái)全部拆除，對(duì)建筑立面進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

2.2.3 氣密性

被動(dòng)式房屋通常采用集中通風(fēng)系統(tǒng)代替開窗換氣，因此應(yīng)避免空氣滲漏。在室內(nèi)外氣壓差為50Pa 時(shí)，每小時(shí)室內(nèi)空氣滲透的總量不應(yīng)超過建筑總?cè)莘e的60%，即保證N50≤0.6h-1。改進(jìn)材料之間的連接點(diǎn)是提高氣密性的關(guān)鍵，因此應(yīng)保證穿墻管線、門窗框固定處的氣密性，將施工縫仔細(xì)密封，同時(shí)在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置隔汽層。

2.3 置換式通風(fēng)與熱回收

普通建筑通常通過開窗直接引入室外空氣，保持空氣清新。這必然會(huì)造成大量的熱損失，并使冷風(fēng)直接進(jìn)入室內(nèi)，造成室內(nèi)人員不適。被動(dòng)房建筑的換氣則依靠機(jī)械通風(fēng)。在主要功能房間的墻體或吊頂內(nèi)設(shè)置送風(fēng)口，以室外過道為溢流區(qū)，在建筑中心區(qū)統(tǒng)一設(shè)置回風(fēng)口。統(tǒng)一回收后的空氣，通過熱回收設(shè)備回收熱量，然后排放到建筑外。這樣的通風(fēng)方式既保證了熱交換的效率，又能夠控制空氣濕度和潔凈度，提高了室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中可將建筑、暖通、室內(nèi)設(shè)計(jì)綜合考慮，將通風(fēng)管道設(shè)置在窗臺(tái)、書柜內(nèi)，充分利用空間，使得功能與空間相得益彰。在因斯布魯克大學(xué)教學(xué)樓改造項(xiàng)目中，采用預(yù)制墻體，在墻體中預(yù)埋通風(fēng)口，起到送風(fēng)作用，回風(fēng)口均位于建筑的中心區(qū)。新鮮空氣從辦公室的送風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，污濁空氣經(jīng)由辦公室門上的通風(fēng)道排出到走廊，然后匯集到該樓層的主要回風(fēng)口，再通過統(tǒng)一的回風(fēng)口輸送到設(shè)備間進(jìn)行熱交換。為了保證空氣循環(huán)流動(dòng)，辦公室的門上方的亮子進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使亮子帶有通風(fēng)功能（如圖1 所示）。

除回收空氣中的熱量之外，生活廢水中的熱量回收也是常用的熱回收手段。生活用水溫度通常較高，淋浴產(chǎn)生的廢水可達(dá)到35℃左右，可利用熱泵回收廢水中的熱量，作為室內(nèi)供暖的補(bǔ)充。

圖1 左圖為亮子內(nèi)的通風(fēng)道，右圖為被動(dòng)房空氣循環(huán)示意

2.4 低能耗采暖方式

“被動(dòng)房”冬季采暖的需求較低，有研究者在“被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)”中提出，“被動(dòng)房”建筑的熱負(fù)荷應(yīng)該低于10W/m2［3］。因此，建筑可以采用各種可再生能源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的采暖設(shè)備，如太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿龋瑫r(shí)充分利用室內(nèi)電器設(shè)備的熱量、人體的熱量維持室內(nèi)溫度，結(jié)合建筑功能設(shè)計(jì)出最優(yōu)的節(jié)能方案。

在因斯布魯克的被動(dòng)房超市MPREIS 項(xiàng)目中，采暖系統(tǒng)與超市功能密切結(jié)合，設(shè)計(jì)師根據(jù)超市建筑的特殊性，利用熱回收技術(shù)回收冷柜產(chǎn)生的熱能，供給采暖系統(tǒng)，完全不需要主動(dòng)采暖的設(shè)備。冷柜經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)，在沒有顧客購(gòu)物時(shí)，玻璃柜門完全封閉，既避免了開敞的冷柜導(dǎo)致室內(nèi)溫度降低，又降低了用電需求。

3 結(jié)語(yǔ)

在被動(dòng)房迅速發(fā)展的當(dāng)下，被動(dòng)房建設(shè)應(yīng)該避免一味地堆砌技術(shù)，以免造成不必要的浪費(fèi)。被動(dòng)房的節(jié)能效果不僅取決于節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，也依賴于先進(jìn)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用。一些先行國(guó)家的被動(dòng)房建設(shè)過程中出現(xiàn)的優(yōu)秀設(shè)計(jì)方法，為國(guó)內(nèi)可持續(xù)發(fā)展建筑的建設(shè)提供了新思路，值得嘗試與推廣。