为了缓解世界能源危机和减慢气候变暖的进程,减少能源消耗和提升能源利用效率已经成为全球共识。随着经济的飞速发展,如今我国已经成为世界第一大能源消费国,2018年的用电量较1990年增长了986%。而在能源总消耗中,建筑能耗所占比例最高。中国建筑节能协会发布的2019年《中国建筑能耗研究报告》显示,2017年中国建筑能耗为9.47亿t标准煤,占到全国能源消耗比重的21.11%。与此同时,建筑总体量也在高速增长。根据国务院发展研究中心的预测,到2020年底,全国房屋建筑面积将达到690亿㎡。因此,建筑节能仍然是当下及未来的重要议题。国内php空间
20世纪90年代,瑞典阿达姆森教授和德国菲斯特博士首先在“低能耗建筑”的基础上提出了“被动房”(Passive House)的概念,旨在运用各种被动和主动的技术手段,利用最少的能源,甚至不使用空调和供暖系统,维持室内的热舒适和良好的空气品质。第一栋被动房于1991年在德国达姆施塔特建成,经过实际能耗监测,证明该被动房可较传统建筑节能90%。此后,被动房得到了广泛关注和快速发展,为建筑节能提供了新的系统思维和实践方法,逐渐成为欧洲及北美发达国家主流的建筑节能方向之一。截至2016年,全球范围内已有约60000栋被动式建筑。被动房技术在我国引入较晚,但目前也得到了本土化应用。2015年,住房与城乡建设部颁布了《被动式超低能耗绿建筑技术导则(试行)》(以下简称《导则》),为我
国被动房建设指明了方向。2019年实施的GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》中将“近零能耗建筑”定义为:“适应气候特征和场地条件,通过被动式建筑设计最大幅度降低建筑供暖、空调、照明需求,通过主动技术措施最大幅度提高能源设备与系统效率,充分利用可再生能源,以最少的能源消耗提供舒适室内环境的建筑”。被动房即属于近零能耗建筑之一。该标准通过正式条文从技术指标、建筑设计、施工、运行管理等方向对近零能耗建筑进行了全面的规定,对我国被动房发展起到了重要的推动作用。
综上可知,被动房技术能够对我国的建筑节能减排起到极大的推进作用,但目前鲜有对被动房技术和实例的总结与分析。本文将综述国内外数据库可检索到的典型被动房建设与改造技术、实际项目和改造结果,并总结出被动房的优势、不足及发展前景。
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/㎡或热负荷不超过10W/㎡;
(2)建筑年供冷能耗不超过15k·Wh/或冷负荷不超过10W/㎡;(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/㎡;(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/T 51350—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》、GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》和GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的节能重要参数对比见表1。
表1  德国被动房标准与国内标准的对比
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/T 51350—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。
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。