被动房的发展与上海紫郡公馆项目中的应用

被动房的发展与上海紫郡公馆项目中的应用1.我国的建筑节能发展在中国国力迅猛发展的情况下，我国建筑总能耗逐年上升在能源总消费量中所占的比例已从上世纪七十年代末的10%，上升到33%左右，与发达国家的建筑能耗占比水平基本相当。随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑耗能比例最终还将上升至35%左右，这无疑将成为阻碍我国经济发展的重要负担。自70年代能源危机后，发达国家开始致力于研究与推行建筑节能技术，我国的建筑节能工作从20世纪80年代初伴随着改革开放政策开始，由易到难，建筑节能保准完成了节能率30%、50%到65%的跨越，2015年开始我国北方严寒、寒冷地区也开始逐步推行75%节能标准，我国一直不遗余力的在探索节能的路线。随着中国与德国技术交流的不断拓展，我国在2010年引入了德国被动房Passivhaus技术，该技术在乌鲁木齐、哈尔滨、河北、浙江、广东、江苏等都实现了项目的落地。项目应用的地区包含了严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖地区，建筑种类也有酒店、学校、住宅、办公室、别墅等多种。说明了被动房技术已具备在中国大部分地区使用和推广的可能。目前国内河北、青岛、2.被动房的起源与要求1980年代德国建筑物理学家Feist博士创建了被动式建筑理念（Passivhaus/被动房）1991年在德国Darmstadt市Kranichstein区建成了第一个被动式住宅建筑全球已建成约5万个被动房标准的建筑，涵盖欧、美、亚洲45个国家。早在2007年德国的法兰克福就立法要求所有新建建筑都必须符合被动式房屋标准。已经有越来越多的国家和地区把被动房当做未来建筑的发展方向。被动房的设计以热平衡为设计理念，对于新建建筑来说，以冷热负荷与一次能源消耗为主要评价标准。需在室温20℃（冬季）25℃（夏季）的条件下采暖与制冷的能耗不超过表1中的指标。被动房的认证有严格的要求，并不是使用了被动式技术的房屋都可以称为被动房，从定义上来说只有达到列表中的设计要求，同时获得PHI（Passivehouseinstitute）认证的建筑才能成为被动房。被动房以超低能耗的同时提供极其高的舒适性出众而广为称赞。尤其在新建建筑，被动房标准通常还提供了杰出的经济性。根据可再生一次能源(PER)的需求和产量，被动房可划分为被动房普通级，优级或者特级。图1被动房认证标识表1.1被动房认证耗能指标标准替代标准采暖采暖需求KWh/m2a≤15热负荷W/m2≤10制冷制冷和除湿需求KWh/m2a≤15+除湿需求可变极限值冷负荷W/m2≤10气密性压力测试-换气次数n50[1/h]≤0.6可再生一次能源（PER）普通级优级特级PER-需求[KWh/m2a]≤604530相对标准给出值有+15kwh/m2a的偏差可再生能源产量9（单位建筑占地面积）[KWh/m2a]≥-60120对以上偏差通过改变产量进行补偿在现有建筑中，由于改造的实现成本通常并不低。对这些建筑可以进行翻新而实现被动式节能改造标准，通过所有重要建筑部件使用被动房部件在很大程度地保证了舒适性、建筑结构保护、经济性和能源需求。表1.2被动房构件性能指标PHPP定义的气候带不透明建筑外围机构，接触...窗（包括大门）新风系统土壤空气整窗4玻璃太阳负荷5最小热回收率6最小湿回收系数7保温外保温内保温外墙涂料3最大传热系数（安装状态下U值）太阳能总投射比（g值），仅针对主动采暖情况下制冷时期最大单位太阳负荷最大传热系数U冷色[W/㎡K][W/㎡K]kWh/㎡a%--极地根据项目各自对应的采暖和制冷度日在0,090,25-0,450,500,60Ug-g*0.7≤080%-寒冷0,120,30-0,650,700,80Ug-g*1.0≤080%-寒温0,150,35-0,851,101,10Ug-g*1.6≤075%-温和PHPP中计算确定0,300,50-1,051,101,20Ug-g*2.8≤-175%-温热0,500,75-1,251,301,40---炎热0,500,75是1,251,301,40--60%（潮湿）气候带非常炎热0,250,45是1,051,101,20-100-60%（潮湿）气候带表3通过能源需求标准定义的被动式节能改造标准（表格2的替代标准）PHPP定义的气候带采暖制冷最大单位采暖需求最大单位制冷和除湿需要[kWh/m²a][kWh/m²a]对应被动房标准要求寒冷30寒温25温和20温热15炎热-非常炎热-表格4被动式节能改造通用标准（始终有效，不依赖所选标准）被动房通过采用先进节能设计理念和施工技术使建筑围护结构达标准1替代标准2气密性压力测试-换气次数n50[1/h]≤1,0可再生一次能源（PER）3普通级优级特级PER需求4[kWh/(m²a)]≤60+(QH-QH,PH)•fØPER,H+(QC-QC,PH)•1/245+(QH-QH,PH)+(QC-QC,PH)•1/230+(QH-QH,PH)+(QC-QC,PH)•1/2相对标准给出值有kWh/(m²a)的波动可再生能源产量5（单位建筑占地面积）[kWh/(m²a)]≥60120对以上波动通过改变产量进行补偿到最优化，极大限度地提高建筑的保温、隔热和气密性能，并通过新风系统的高效热（冷）回收装置将室内废气中的热（冷）量回收利用，从而显著降低建筑的采暖和制冷需求。在此基础上，被动房还通过有效地利用自然通风、自然采光、太阳辐射等来实现舒适的室内温度、湿度和采光环境，最大限度降低对主动式机械采暖或制冷系统的依赖。3.被动房一般设计要点3.1被动房的价值点被动房是节能建筑全球的最高标准。欧盟正在推广“近零能耗建筑”（NZEBs),要求2020年起所有的新建建筑必须达到此项标准。改建筑指标基本等于被动房水平。被动房作为使用可再生能源运行的建筑，可以大量减少建筑能耗，可以实现：1.低能耗成本2.低运行成本3.低维护成本4.持续新风，良好的室内空气品质。5.低二氧化氮6.低噪音7.高室内热舒适度8.室内干燥无霉菌3.2针对不同气候区域的设计差别被动房设计需根据不同的气候和建筑布局选取和式的门窗、保温形式、暖通设备与建筑构建。寒冷与极寒地区，保温是建筑最重要的性能。传热系数U值建议在0.1W/(m2K),玻璃的配置至少要3玻Low-E玻璃。建筑体型保证紧凑，减少散热。建筑主要利用南向窗户吸收阳光，以达到建筑内部的热量平衡。为了提高冬季室内空气相对湿度，可以使用能量回收通风系统（ERV，全热交换系统）。建筑的主动采暖可以使用多种不同形式的设备，如散热器、地采暖等。但被动房的采暖可以简单的通过对送风加热实现，但在加热时需要部分的循环风以降低能耗。鉴于中国寒冷地区的城市，如北京、天津、济南等在夏季也会存在较长时间的高温高湿的天气，在设计中仍需要重视主动制冷和除湿的需求。如北京气候冬天干燥，夏季较湿。冬季平均气温低于-10℃。六月中到八月底平均气温高于28℃。夏季夜间温度不低于20℃，室外湿度高于室内12g/kg。夜间通风降温不可行，需要额外的制冷设备。对于我国南部广大的夏热冬冷地区，夏季的除湿和制冷负荷将占主导，同时由于湿度原因导致无法使用夜间通风降低负荷。如上海冬季气温有时低于0℃，夏季高温高湿。夜间温度高于25℃，湿度不低于20g/kg,设计兼顾冬季采暖，但以夏季制冷为主导。因此在夏季需要使用活动遮阳，西向窗户由于日照角度的原因，需配置活动遮阳以避免室内过热。遮阳的形式多种，如卷帘、百叶和悬挑遮阳等。在条件允许的情况下可以使用落叶木对建筑进行夏季的遮掩。另外成本和施工条件限制的极端情况下，有案例使用较低g值的玻璃以降低阳光辐射进入室内。南方地区建筑的湿平衡十分重要，建筑外围护结构中的湿传递方向会随季节发生改变，特别针对由于防火规范限制而使用矿物面作为保温的结构，外部抹灰需要有防水但透水蒸气的能力。表3.1被动房模拟围护性能对照北京上海成都墙体保温U值0.18W/（㎡K）0.24W/（㎡K）0.34W/（㎡K）屋面保温U值0.17W/（㎡K）0.17W/（㎡K）0.17W/（㎡K）挑出板保温U值0.34W/（㎡K）0.52W/（㎡K）0.34W/（㎡K）型材U值0.8W/（㎡K）0.8W/（㎡K）1.6W/（㎡K）玻璃U值G值0.7W/（㎡K）0.50.7W/（㎡K）0.251.19W/（㎡K）0.31活动遮阳有无无换气次数0.6ACH0.6ACH0.6ACH热回收率0.850.750.75注：（1）外墙（屋面）的K值应是考虑了热桥影响后计算得到的平均传热系数和墙体（屋面）系统性热桥之和。外墙（屋面）平均传热系数应按照现行国家标准《民用建筑热工设计规范》GB50176的规定用专用软件计算；墙体（屋面）系统性热桥取0.01W/(㎡·K)。（2）门窗的K值应为主体部分（包括透明玻璃和非透明门芯板）和门窗框等的整体传热系数。（3）分隔供暖与非供暖空间的楼板及隔墙、变形缝墙的K值按主断面传热系数确定。湿回收率0.600.650.65北京上海成都热需求（20℃）KWh/㎡a8.010.114.9冷需求（25℃）KWh/㎡a7.09.27.2除湿需求（12g/kg）KWh/㎡a5.712.210.224h平均热负荷W/㎡7.66.57.624h平均冷负荷W/㎡5.45.55.524h平均除湿负荷W/㎡7.16.35.1最低相对湿度31%52%56%表3.2模拟能耗对照表3.3被动房设计要点1.良好的外围护系统，对屋面、外墙、底板等部位。通常情况下，屋面的保温应优于墙面，墙面优于底板。（1）外围护结构宜采用外保温系统，且保温层应连续完整，不宜出现结构性热桥；（2）外保温系统的连接锚栓应采取阻断热桥措施；（3）考虑到隔声需求复合墙体的内侧宜采用厚度为100mm以上的非粘土烧结普通砖或混凝土等重质材料；（4）外墙保温系统防火性能及防火隔离带的设置应满足现行国家标准《建筑设计防火规范》GB50016和现行行业标准《建筑外墙外保温防火隔离带技术规程》JGJ289的要求。2.无热桥设计。热桥分为线性与点状热桥，线性热桥集中在围护结构不同面的连接处，例如阳台造成的突出混凝土板，无制冷地下室的外墙，窗户的安装边缘等部位。无热桥设计应尽可能使用均匀的保温层包围整个建筑。点状热桥多出现在围护结构的点状穿透处，需提前做断热预埋处理。（1）避让原则：宜采取措施使结构或构件不破坏或穿透外围护除湿、制冷、采暖总耗KWh/㎡a20.919.819.3PER耗能KWh/㎡a55.755.453.5结构；（2）击穿原则：当管线需要穿过外围护结构时，应保证穿透处的保温连续、密实、无空洞；（3）连续原则：在建筑构件连接、交接处，保温层应连续、无间隙；（4）规整原则：建筑平面和立面宜规整，避免凹凸变化，减少散热面积。（5）隔断原则：与基层墙体固定的连接件的安装部位，应采取阻断热桥措施。对外墙进行无热桥设计，应符合下列规定：（1）外墙保温采用单层保温时，应交错互锁排列粘贴；采用双层保温时，应采用错缝粘接方式，避免保温材料间出现通缝；（2）墙角处宜采用成型保温构件；（3）保温层应采用断热桥锚栓固定；（4）宜避免在外墙上固定导轨、龙骨、支架等可能导致热桥的部件；必须固定时，应在外墙上预埋具有阻断热桥的锚固件，并尽量采用减少接触面积，降低传热损失；（5）管道穿外墙部位应预留套管并预留足够的保温间隙；（6）户内开关、插座接线盒等不宜设于外墙上，以免影响外墙保温性能。对屋面进行无热桥设计，应符合下列规定：（1）屋面保温层应与外墙的保温层连续，不得出现结构性热桥；（2）屋面保温层靠近室外一侧应设置防水层，防水层应延续到女儿墙顶部盖板内，使保温层得到可靠防护；屋面结构层上，保温层下应设置隔汽层；屋面隔汽层设计应符合现行国家标准《屋面工程技术规范》GB50345的规定；（3）对女儿墙等突出屋面的结构体，其保温层应与屋面、墙面保温层连续，不得出现结构性热桥。女儿墙、土建风道出风口等薄弱环节，应设置金属盖板，以提高其耐久性，金属盖板与结构连接部位，应采取避免热桥的措施。金属盖板的性能指标参附录表C.0.3；