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被动房技术交流:国内外被动房技术在建筑新建和改造中的应用:现状与未来

日期: 2021-11-12
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  1 被动房标准

  1.1 新建建筑标准

  新建建筑(包括住宅建筑和非住宅建筑)要达到德国被动房要求,需满足被动房研究所(PHI)公布的以下条件:(1)建筑年采暖能耗不超过15k·Wh/m²或热负荷不超过10W/m²;(2)建筑年供冷能耗不超过15k·Wh/m²或冷负荷不超过10W/m²;(3)建筑年一次能源总能耗(包括采暖、空调、生活热水、照明、设备等)不超过120k·Wh/m²;(4)建筑内外50Pa压差工况下,房间的渗透换气次数不超过0.6次/h;(5)热舒适方面,冬季建筑室内温度不低于20℃,夏季1年内有不超过10%的小时数建筑室内温度高于25℃。

  值得注意的是,被动房标准最初是针对中欧和北欧的寒冷天气设计的,但2008—2012年,欧盟开展了THERMIE项目以进行更大范围的能耗监测与研究,证明了被动房在欧洲不同国家均能达到50%以上的节能效果,同时保证室内的热舒适和环境健康。Schnieders等通过动力学模拟评估了被动房在俄罗斯叶卡捷琳堡、日本东京、中国上海、美国拉斯维加斯、阿布扎比和新加坡的适用性,以代表世界各个不同气候区工况。经过计算,被动房的建筑年能耗可比具有相同几何形状的传统建筑物降低75%~95%,被动房在不同气候区的可行性得到了验证。因此,以上新建被动房标准对各地普遍适用。

  我国国家标准对被动房建筑的限值要求与德国被动房标准存在一定差异,对冬季气候较为温和与温暖的地区,放宽了外围护结构传热系数和气密性的要求,提高了采暖能耗的要求。此外,我国发布的《导则》及GB/T51350—2019《近零能耗建筑技术标准》还给出了被动房设计、施工与质量控制的具体做法和方法,对指导被动房技术实际落地具有重要意义。

  1.2 改造建筑标准

  由于老旧建筑可能存在各种技术和预算方面的限制,建筑改造往往很难在实际工程中达到上述新建建筑的能耗标准。因此,PHI针对建筑改造提出目标较低的替代标准EnerPHit。改造可以选择遵循建筑部件标准或建筑能源需求标准进行。此两项标准均考虑了气象条件的影响,规定了不同气候区建筑围护结构的最大传热系数、最小热回收效率及最大单位采暖能耗等。此外,EnerPHit标准还提高了50Pa下渗透换气次数的限值至n50不大于1.0次/h。但目前我国被动房相关标准暂未对改造建筑进行明确的区分。

  1.3 标准对比德国被动房标准

  与我国发布的《导则》、GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》和GB/T51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的节能重要参数对比见表1。

  从表1的对比可看出,被动房特别重视建筑围护结构的建造,其传热系数的最大限值远低于目前我国的建筑节能标准,也略低于我国近零能耗建筑标准,尤其是对保温最为薄弱的外窗提出了很高的要求。并且被动房标准对于气密性的要求也较为严格,给施工质量带来了挑战。被动房的特点是从根源降低建筑的主动冷暖需求,以一次能源消耗量作为评价标准,通过降低传热系数、提高建筑的保温隔热性能达成超低能耗的目标,尽可能依靠室内热源和热回收等满足热负荷的需求,尽量不额外加装主动采暖系统。因此,德国被动房标准中并未限制供暖、空调系统的冷热源能效。而GB/T51350—2019《近零能耗建筑技术标准》中,由于近零能耗建筑的内涵更广泛,因此对能源设备和系统也做出了规定。

表1 德国被动房标准与国内标准的对比

德国被动房标准与国内标准的对比

  1.4 评价方法

  德国被动房认定时以设计理论计算得到的各项指标模拟数值为准,而不考察建筑投入使用后的实际能耗。模拟一般使用被动房规划设计软件包PHPP和其3D数据输入工具desighPH。PHPP的核心包括供热计算以及电力和一次能源需求计算。PHPP针对于世界范围内各个气候区的节能项目,又逐步补充了其他重要模块,如窗户特征值、遮阳、制冷及除湿需求、大型项目和非居住性建筑通风等,并且考虑了可再生能源及EnerPHit标准下的计算。

  但由于实际工况与设计工况存在差异,理论计算并不能完全代表建筑运行的真实效果。近零能耗技术在实践过程中的效果如何,需通过实地检测进行印证才具有说服力,同时这也关系到被动房建筑在未来是否能够得到长远发展。因此,2020年,中国工程建设标准化协会新发布了团体标准T/CECS740—2020《近零能耗建筑检测评价标准》,重点规范了近零能耗建筑的相关检测与项目评价方法。标准将近零能耗建筑的评价分为预评价、正式评价和运行评价3个部分,其中,正式评价阶段在建筑竣工验收前进行,要求对建筑围护结构热工性能、建筑整体气密性、热回收新风机组性能和建筑环控一体机性能进行检测。运行评价不作为必需检测项目,但鼓励对已建成的近零能耗建筑进行运行评价。检测对象宜为投入使用满1年的单栋建筑物,计量时间以1年为1个周期。检测项目包括室内环境参数检测、分项能耗和总能耗、可再生能源检测等。

  2 被动房关键技术

  被动房建造和改造的关键技术要点主要包括7个方面:保温措施、门窗节能、气密性措施、无热桥处理、热回收新风系统、可再生能源利用和其他创新性措施。

  2.1 保温措施

  改进建筑围护结构的保温性能可有效降低建筑热损失或得热,提升建筑的热工性能。Chua和Chou等人的研究表明,制冷能耗需求与围护结构的传热系数有很强的相关性。传统建筑由外墙引起的热量损失约占建筑总能耗的30%,由屋顶引起的热量损失约占8%~10%。因此,对墙体、屋面和其他不透明围护结构的优良保温是被动房的首要关键技术,也是各个气候区建筑节能改造中通用的、最为普遍的改造方式。通过选择合适的保温材料以及保温层厚度,传热系数可明显降低。国外被动房的围护结构传热系数一般低至0.10~0.15W/(m²·K)。

  目前被动房工程中常用加厚的石墨聚苯乙烯板(GEPS)、挤塑聚苯乙烯板(XPS)等材料用于墙体、楼板和屋顶的保温。一般被动房的保温层厚度为200mm,严寒地区建筑为保证保温效果,可达300mm厚。相较普通的聚苯乙烯泡沫板(EPS),石墨聚苯乙烯板抗拉强度更大、相同厚度的保温性能更佳。此外,聚氨酯板(PUR)的热工性能较聚苯板更为突出,但其价格较贵,因此在被动房工程中选用比例不大。也有部分工程采用加厚的岩棉保温材料作为外保温或内保温,但岩棉热工性能相对普通,可作为内保温材料对建筑围护结构做进一步提升。

  上述材料虽然热工性能相对优异,但其共同缺点是保温层加厚导致墙体过厚,不仅占用建筑使用面积,对部分建筑改造工程也难以适用。真空绝热板(VIP)可弥补此缺点。VIP板由填充芯材与真空保护表层复合而成,平均热导率仅有0.004W/(m²·K),约为聚苯板的13%。因此,超薄的VIP板即可实现与常规隔热材料相同的性能,并大大降低墙体的总厚度。VIP板的出现为传统保温开辟了新的可能性,但VIP板存在易损坏、难维修等缺陷,而且受到造价和工艺限制,目前在建筑保温中很难普遍推广,只能在围护结构的特定区域小部分应用。研发新型的高保温、高强度、低成本、低厚度的保温材料十分必要。

  施工方面,需尽量避免保温层的间断。采用双层保温错缝拼接或槽式插接、建筑立面转角处整体式保温等技术均可提升保温层的连续性和完整度,避免在材料的拼接缝隙处形成传热漏洞。

  2.2 门窗节能

  外门外窗是建筑围护结构热工性能最为薄弱的部件。普通窗户热阻低,且玻璃部分会引入大量太阳辐射,安装不当的窗框也会造成热量损失和热桥效应。因此,须对外门窗,尤其是外窗进行精细设计和施工。

  2.2.1 外窗设计

  首先,对于新建建筑,要在设计阶段根据当地气候条件特点,合理规划建筑朝向及各向窗墙比。其次,尽量降低外窗传热系数是各气候区通用的、提升围护结构热工性能的有效方式。国外被动房外窗的总传热系数(含窗框)一般为0.70~0.85W/(m²·K)。使用具有低发射率和低太阳辐射吸收率(Low-E)的3层隔热玻璃可以基本达到这一目标。玻璃隔层中间的空隙用真空或惰性气体(如氩气、氪气)填充,隔断材料使用聚丙烯等塑料制暖边条而非传统的铝金属间隔条,可有效阻隔传热并增加气密性。有条件的情况下,也可采用深色和有色玻璃以进一步降低夏季得热,但需将室内采光和人员视觉舒适纳入考虑范畴。此外,窗框也对外窗整体传热系数有一定影响。被动房中选用铝包木型材门窗的较多,铝包木将隔热断桥铝合金型材和实木通过机械方法复合成整体框体,兼顾美观的同时,也可获得比断桥铝合金窗框更低的传热系数。

  2.2.2 遮阳设计

  对于夏季太阳辐射较强的地区,除加装Low-E玻璃外,外遮阳也是必要的节能手段。外遮阳的设计重点是保持冬夏两季供暖和制冷需求之间的平衡。

  外遮阳可分为活动遮阳和固定遮阳2种。活动遮阳指可由人员控制的遮阳部件,如外遮阳金属卷帘或百叶。其优点是灵活高效,具有季节适应性,可将辐射热最大化隔绝或利用。但活动遮阳的效果依赖于人员的主动行为,建筑实际运行中不能够完全保证节能效果和室内环境的热舒适。自动太阳能控制的外活动遮阳可以弥补这一缺陷。

  固定遮阳无法移动和变形,在设计阶段要充分考虑当地冬夏两季的需求,对太阳高度角和辐射强度进行模拟,并兼顾外围护结构的美观性,确定合适的几何形式和尺寸。例如采用综合式构造,形成三面遮阳,水平板在太阳高度角较高的正午起到遮阳作用,西晒的斜射阳光则由垂直板遮挡。

  2.3 气密性措施

  建筑的围护结构是典型的多层多孔结构,内部存在空气渗透。当外部空气通过渗透缺陷点,热湿交换量较大时,可能会导致建筑构件断面结露、材料保温性能下降等一系列问题。且窗框与墙体、窗扇的连接缝隙会直接影响到冷风渗透热损失,因此须对建筑施以必要的气密性措施。被动房为达到超低能耗的目标,对建筑气密性的要求更高。

  提高气密性主要考验现场施工的精细程度,关键原则是气密层必须将整栋建筑完整包裹,禁止出现间断。因此,应尽量减少管线穿过气密层,管线在管线层分散排布,避免对气密性薄膜造成破坏。在必需的部件连接和穿墙处,应依据现场情况组合选用预制套管、聚氨酯或聚乙酯发泡填充、防水隔气膜或气密胶带等多种密闭措施。外墙插孔必须采用气密性插座盒。

  2.4 无热桥处理

  热桥对建筑围护结构有很大的负面影响,一方面会造成额外热量损失,增加建筑能耗;另一方面由于热桥部位与周围主体墙体在冬季温差较大,有可能造成水蒸气在内表面结露,甚至滋长霉菌,影响室内环境质量。

  建筑中的热桥可以分为以下几类:围护结构中被不同导热性能的材料贯穿从而形成集中热流的区域;围护结构中局部材料传热性能差异较大形成的热桥;围护结构厚度发生变化的区域;围护结构内外面积不同和建筑几何形状改变的区域形成热桥(例如立面墙角和其他立面突起结构等)。

  2.4.1 热桥区域的模拟

  目前节能建筑工程中普遍对典型结构性热桥(如外墙角、墙–窗连接、墙–门连接等处形成的热桥)较为重视,应用PKPM等结构设计软件即可计算出围护结构内部温度场分布及线传热系数,从而在设计阶段评估和避免热桥造成的热损失。当其热导率不大于0.01W/(m·K)或为负值时,即可认为满足无热桥结构设计。此外,THERM、Flixo等热学分析软件可以通过建模更为细致地分析其他细部结构的热桥,如风管穿墙结构等。

  2.4.2热桥处理技术

  为避免结构热桥,在施工前即应考虑易产生热桥的阳台、外窗等部位的处理方法。首先,应做好围护结构的保温工作,例如支撑阳台楼板的挑梁。其次,外窗多采用窗框与结构外表面齐平的外挂式安装以避免热桥。除应在设计中避免结构性热桥外,穿墙管道、锚固件等构造热桥也应当在工程中引起足够的重视。穿墙管道外壁应加设保温层,金属锚栓可附加塑料断热端头,外窗的金属联结件与墙体的接触面需加垫隔热垫片。

  2.5 机械通风系统

  被动房的设计理念中,不仅要做到超低能耗,同时还要保证室内良好的空气品质。而在极佳的气密性下,通过渗透进行换气不现实,开窗自然通风也会受到节能目标的限制。因此,为保证充足的新风量,机械通风系统几乎是被动房的必备。带有热回收装置的新风系统(MVHR)可对新风进行预热或预冷,从而降低新风负荷,推荐使用全热回收效率至少在75%以上的机械新风系统,且热交换器须具有旁路以应对过渡季节的运行。但在中国夏热冬冷地区,新风热回收效率在冬夏两季很难达到应有的热回收效率,过渡季节的热回收效率几乎为0,不适宜加装热回收装置。在设计、选择通风设备时应做到因地制宜。

  2.6 可再生能源利用

  被动房设计中,可再生能源不作为评价建筑性能的重点,但会根据可再生能源的使用比例判定不同的被动房等级:普通级、优级和特级。在场地条件允许的情况下,可再生能源是很好的节能途径,且被动式建筑自身的超低能耗也具备利用优势。德国本土的被动式建筑常用空气源热泵、地源热泵或生物质能装置作为辅助冷热源。此外,我国许多地区也有利用太阳能的优良条件。

  2.7 其他创新性措施

  目前被动房的传统节能技术已经较为成熟,但建筑节能技术发展日新月异,被动房的建造也在与时俱进地创新。在冷负荷较大的地区,绿色屋顶、通风屋顶和外围护结构反射涂层等可以有效降低进入房间的太阳辐射量。Xiong等模拟了重庆夏季炎热气候下的通风屋顶效果,结果表明夜间冷却过程中屋顶空腔的自适应热吹扫预计能降低54.35%的能耗。另有文献发现在昼夜温差较大的地区,外墙涂布反射涂层的节能效果突出,比绿色屋顶效果更佳。

  相变材料也可用于提升建筑围护结构的热工性能。将定形相变材料(SSPCM)融入外墙材料,可以降低高峰时段20%的负荷,并且通过将高峰用电负荷转移到非高峰期创造时间效用。光伏技术也可以与建筑围护结构相结合。光伏通风外墙由内部的绝缘材料、空气层和外层的光伏组件组成。该系统可以减少热交换并避免热桥,同时产生电能,空气层中的冷热空气密度差可通过烟囱效应进行自然通风,提高室内热舒适。类似原理的还有太阳能光伏玻璃。

  3 设计实例

  本研究在中外文献数据库中进行了广泛的调研,并从中选取了27项信息较为完善的工程实例,总结了近30年被动房技术在实际工程中的应用,及最终的节能效果。从建筑时间来看,包括新建建筑16所和改造建筑11所;从建筑类型来看,包括居住建筑17所,公共建筑10所;国内建筑12所,国外建筑15所。调研结果见表2、表3。

表2 新建建筑被动房设计技术

 新建建筑被动房设计技术

  表3 改造建筑被动房设计技术

 改造建筑被动房设计技术

  4 被动房的发展现状

  从以上总结中可以看出,采用被动房技术新建或改造后的房屋,都能达到极低的一次能源消耗水平,即使无法满足被动房的认证标准,也较普通建筑表现出了更加优异的节能性能。因此,被动房技术的可行性与有效性在此得到了充分的实证。

  从技术手段上看,“结构优先”被认为是节能改造的第一原则。外围护结构保温、门窗节能、气密性、无热桥处理及热回收机械新风系统基本在每个项目中都有所体现,可以认为是被动房的“基础标配”。标准化和规范化的施工流程有助于建造成本的降低及施工质量的把控,并且也体现出这些技术方法对提升建筑热工性能、降低能耗、提升室内热舒适度的重要性和必要性。但需要指出的是,由于被动房能耗仅由设计复核模拟得出,因此该结果与实际运行可能会存在一定差距,尤其是带有热回收的机械新风系统,其热回收效率与室外气候条件息息相关,需要在设计时引起注意。此外,目前实际工程中的创新节能举措不多,在综合考虑投资回收期和实际施工可行性后应当给予考虑,以推动被动房技术的进一步发展。

  从建筑时间和类型上看,在官方被动房数据库收录的4959栋被动房建筑中,新建或扩建房屋有4660栋,改造(包括翻新)建筑有299栋;办公、商业和科教文卫类建筑有809栋,其余皆为居住类建筑(包括住宅、旅馆、宿舍和公寓),其具体类型和数量如图1所示。目前被动房工程的偏向性极为明显,新建建筑和居住类建筑分别占到了94%和84%,而被动房改造和办公商业类建筑的经验积累仍十分欠缺。由于居住类建筑的内部结构较为单一,功能区划分简单,建筑体量一般较小,因此从住宅开始探索被动房的可行性是正确的,可以预见,积攒一定成功经验后,办公商业建筑的被动房需求也会逐渐提高。

 国内外被动房工程的建筑类型

图1 国内外被动房工程的建筑类型

  目前我国在被动房改造,尤其是办公建筑改造方面的工程实例屈指可数。值得一提的是“北京市建筑工程研究院有限责任公司人防物化实验室”既有建筑被动房改造试点工程。该建筑建成于20年世纪90年代,年代符合主流既有建筑的平均水平,具有代表性;且该楼的结构设计体系采用了部分装配整体式,与邻近建筑几乎直接相连,墙体承重能力也较差,因此改造难度很大,极具技术挑战性,有利于被动房改造经验的积累。

  根据建筑的实际状况进行诊断、分析后,制订了创新的围护结构改造方案,改造后该建筑本体节能率可达26.2%,年采暖能耗13kWh/m²,供暖空调系统每年可节约电费4.72万元,光伏并网可产生年收益约4.71万元,是十分成功的办公建筑改造案例,对于探索我国既有建筑节能改造新的技术道路具有现实意义。

  5 新的机遇与挑战

  在被动房改造的空白市场内,无论是设计者或是投资者都大有可为。我国同其他发展中国家一样,目前大多数现有建筑物采用多年前的低能效设计和技术建造,能源效率普遍很低,而新建建筑物对现有建筑物的替换率仅为每年约1.0%~3.0%,因此现有建筑的改造在建筑节能中成为了极为重要的一环。国家“十三五”项目计划对超过5亿m²的现有建筑物进行改造,显示出了国家的决心,并且在可预见的未来,建筑改造的步伐并不会停止。这无疑给被动房技术带来了新的机遇与可能。

  但挑战也与机会并存。即便在欧洲发达国家,老旧建筑节能改造率仍仅有0.4%~1.2%。难点在于此多目标优化问题受许多条件约束和限制,主要可分为技术及投资两方面。技术上,工程中可能遇到的困难包括:建筑的不合理布局与朝向难以变更;受保护建筑的外立面改造有局限性;受到房高、壁厚等影响保温层无法足额铺设;存在影响被动房技术措施、无法拆除的构件;原结构中不可避免的热桥;周边环境限制了可再生能源的利用。这些问题一方面会影响节能改造的最终效果,另一方面也会增加项目的不确定性。投资上,由于被动房改造的初始成本较高,使得投资方不得不慎重考虑被动房改造的投资回收期以及其他隐形回报。英国最近的一项研究中显示,被动房翻新的额外成本在4%~16%,而在瑞典进行的同一研究中,“交易成本”可能会使投资成本增加20%。这些交易成本产生存在不确定性,例如寻找合适的技术和供应商、合同的复杂性以及项目过程中的其他意外情况等。

  尽管存在客观困难,仍应看到高水平的设计和能源效率的长期回报是具有吸引力的。在一项对建筑节能行业从事者的调查研究中,多数受访者均对被动房的吸引力、重要性、经济效益、技术和实践可能性给予了积极肯定。企业将施工与科学技术研究相结合是目前快速提高被动房技能水平、获得宝贵经验的重要途径,也是促进被动房发展的有利推动。

  本文节选自《建筑科技》第 52 卷第 7 期

  北京市建筑工程研究院有限责任公司

  徐怡 刘柯 刘凯

  北京市建设工程质量第一检测所有限责任公司

  安文卓 凡俊

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