建筑節(jié)能技術第10章-被動式超低能耗建筑節(jié)能實用課件

被動式超低能耗建筑節(jié)能實用技術第10章被動式超低能耗建筑概述第一節(jié)被動式超低能耗建筑設計方法第二節(jié)目錄Contents被動式超低能耗建筑政策支持體系第三節(jié)從世界范圍看,歐盟等發(fā)達國家為應對氣候變化、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,不斷提高建筑能效水平。歐盟2002年通過并于2010年修訂的《建筑能效指令》(EPBD),要求歐盟國家在2020年前,所有新建建筑都必須達到近零能耗水平。丹麥要求2020年后居住建筑全年冷熱需求降低至20kW·h/(m2·a)以下;英國要求2016年后新建建筑達到零碳,2019年后公共建筑達到零碳;德國要求2020年12月31日后新建建筑達到近零能耗,2018年12月31日后政府部門擁有或使用的建筑達到近零能耗。德國“被動房”(passivehouse)是實現(xiàn)近零能耗目標的一種技術體系,它通過大幅度提升圍護結構熱工性能和氣密性,同時利用高效新風熱回收技術,將建筑供暖需求降低到15kW·h/(m2·a)以下。美國要求2020—2030年“零能耗建筑”應在技術經濟上可行;韓國提出2025年全面實現(xiàn)零能耗建筑目標。許多國家都在積極制訂超低能耗建筑發(fā)展目標和技術政策,建立適合本國特點的超低能耗建筑標準及相應技術體系,超低能耗建筑正在成為建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢。1被動式超低能耗建筑概述被動式超低能耗建筑概述10.1.1被動式超低能耗建筑在國外的發(fā)展狀況在全球氣候變暖、能源短缺的背景下,以高能效、低排放為核心的建筑節(jié)能正為實現(xiàn)國家的能源安全和可持續(xù)發(fā)展起到至關重要的作用。近年來,國際建筑節(jié)能技術長足發(fā)展,提高建筑性能使使用者對能源的需求降到最低,同時充分利用可再生能源從而擺脫對傳統(tǒng)化石能源的依賴,已成為歐洲建筑節(jié)能技術領先國家節(jié)能減排的重要手段。歐盟于2010年明確了能源領域的中期目標,將挖掘建筑節(jié)能潛力作為優(yōu)先任務,并在修訂的《建筑能效指令》(EPBD)中明確提出,到2020年歐洲大陸所有新建建筑要達到近零能耗水平。被動式低能耗建筑已成為歐洲實現(xiàn)上述目標的重要手段。被動式超低能耗建筑概述德國在建筑節(jié)能領域一直走在歐洲各國的前列,早在1988年首次提出了“被動房”(passivehouse)的概念,主要指采用了各種節(jié)能技術構造最佳的建筑圍護結構,極大限度地提高建筑保溫隔熱性能和氣密性,使熱傳導損失和通風熱損最小化;通過各種被動式建筑手段來盡可能實現(xiàn)室內舒適的熱濕環(huán)境、采光環(huán)境和聲環(huán)境,最大限度地降低對主動式機械供暖和制冷系統(tǒng)的依賴或完全取消這類設施。1991年,德國的第一個被動式住宅建立在達姆施達特(Darmstardts)市Kranichstein區(qū),而后在2000年德國建成了首個被動房小區(qū),經過20多年的研究和實踐,德國已經擁有了6萬多套被動房,并確定了相應的標準。被動式超低能耗建筑概述在德國,低能耗建筑根據(jù)建筑能耗大小劃分為以下等級:1低能耗建筑(Niedrigenergiehaus)德國的低能耗建筑是根據(jù)RAL-GZ965標準認證的。其規(guī)定低能耗建筑的傳熱損失要比現(xiàn)行的EnEV2009低30%。其供暖能耗指標為:每平方米使用面積能耗每年在70kW·h以下。一般來講,低能耗建筑是指建筑供暖能耗在30~70kW·h/(m2·a)的建筑。其他的指標,例如保溫、氣密性和通風系統(tǒng)進行了更嚴格的規(guī)定。該認證體系對低能耗建筑的認證也分為兩類:一是規(guī)劃設計認證,二是運營階段的認證。需要注意的是,德國計算建筑能耗指標是以建筑使用面積的每平方米能耗量為準,不是以建筑面積為準,另外建筑能耗是指一次性能源消耗量(Primaerenenergiebedarf),這樣做有利于控制建筑實際能耗,控制CO2排放量。被動式超低能耗建筑概述2三升油建筑(Drei-Liter-Haus)三升油建筑是指建筑在達到相關規(guī)范所要求的使用舒適度和健康標準的前提下,供暖及空調能耗在15~30kW·h/(m2·a)的住宅。它主要應用于居住建筑,也可應用于辦公樓、學校、幼兒園等建筑類型。3被動房(Passivhaus)它是由德國WolfgangFeist博士研究,并由德國被動房研究所提出的超低能耗建筑形式。對“被動房”的定義是必須滿足被動房標準(見表10-1):即超低能耗建筑,它通過采用各種先進的節(jié)能技術,極大限度地提高建筑保溫隔熱性能和氣密性,從而顯著地降低能源需求。被動式超低能耗建筑概述4零能耗建筑(Nullenergiehaus)它是指不消耗常規(guī)能源的建筑,完全依靠太陽能或者其他可再生能源。從節(jié)能建筑、綠色建筑、生態(tài)建筑、可持續(xù)性理念到最近的低碳,其共同的目標都是為了降低二氧化碳的排放。表10-1德國被動房的指標體系被動式超低能耗建筑概述5高能效建筑德國復興信貸銀行對于滿足節(jié)能房屋70%和節(jié)能房屋55%能效指標的低能耗建筑,無論是新建或購買的或改造的這兩類低能耗建筑提供低息貸款。這些低能耗建筑的能效指標由德國能源署確定,能效指標的參考數(shù)值依據(jù)EnEv規(guī)定的一次能源需求Qp和傳輸熱損失HT而定。評判建筑是否屬于節(jié)能房屋70%,必須滿足兩個條件:一是建筑一次能耗不允許超過2009年版《節(jié)能條例》中規(guī)定的參考建筑計算值的70%,二是建筑圍護結構傳熱損失不能超過2009年版《節(jié)能條例》中規(guī)定的參考計算值的85%。被動式超低能耗建筑概述在日本發(fā)生福島核電站事故后,德國率先宣布放棄使用核能(占其能源總供應量的40%)。2010年6月18日,歐盟出臺了《建筑能效2010指令》(EPBD2010),該指令規(guī)定,成員國從2020年12月31日起,所有的新建建筑都是近零能耗建筑。在此基礎上,并于2011年提出了新的房屋節(jié)能目標:自2019年1月1日起,將政府辦公建筑建成近零能耗房屋;自2021年1月1日起,將所有新建房屋建成近零能耗房屋;到2050年,所有房屋節(jié)約80%的一次能源。發(fā)展被動式房屋是德國實現(xiàn)上述目標的基礎,可為德國節(jié)省近40%的社會終端能耗。在被動式房屋的基礎上,德國還將進一步研究產能房屋(energyplus)。被動式超低能耗建筑概述美國2000年起房屋所耗能源占美國能源總供應的1/3,為了節(jié)能和環(huán)保,美國能源部自2005年以來大力推廣超低能耗建筑這一項新技術,通過改進建筑設計和材料,美國房屋的能耗已比1980年減少了30%?，F(xiàn)今,美國低能耗建筑甚至“零能耗”建筑,無論是從數(shù)量上、區(qū)域分布上還是建筑形式上都呈不斷擴張的態(tài)勢。新技術的應用已經成為推動超低能耗建筑不斷發(fā)展的重要動力。2010年,“零能耗建筑”在美國科羅拉多州正式啟用,如圖10-1所示。這座由美國能源部設計建造的“研究支援設施”,通過綠色建筑評價標準的環(huán)保建筑認證,是一座“零耗能建筑”。建筑物本身生產的能源,高于其消耗的能源,除了自給自足,更能供給他人,是目前世界上已知最大的環(huán)保建筑,在節(jié)能減碳方面更是領先世界標準15年。圖10-1美國科羅拉多州的零能耗建筑被動式超低能耗建筑概述2011年,由美國新建筑協(xié)會(NBI)和零能耗商用建筑聯(lián)盟(CBC)共同撰寫的報告,題為“向零能耗的2012邁進:第一份全面剖析零能耗商用建筑的報告”,從各個方面對零能耗商用建筑(ZEBs)和無能源建筑(ZECs)進行了分析。該報告數(shù)據(jù)顯示,不同的氣候區(qū)域的商用ZEBs和ZECs都處于增長態(tài)勢。同時,ZEBs的建設技術已經非常成熟,設計和建筑技術的發(fā)展也推動了該類建筑的發(fā)展?，F(xiàn)今,ZEBs主要建筑還是小型和微型建筑,數(shù)量雖少但形式更加多樣化,包括K-12學校(小初高)、辦公樓、教學樓、娛樂中心、綜合大樓以及其他。整體的節(jié)能效果在3%~18%不等。而對于成本來說,這些有限的ZEBs也反映出其整體成本低于模型預計的成本,在0%~10%之間。據(jù)美國能源部預測,美國各州到2020年將大面積興建擁有70%節(jié)電效能的現(xiàn)代住宅,超低能耗建筑是美國未來建筑的發(fā)展方向。被動式超低能耗建筑概述10.1.2我國被動式超低能耗建筑的發(fā)展不同于發(fā)達國家高舒適度和高保證率下的高能耗,我國建筑能耗特點為低舒適度和低保證率下的低能耗,且不同年代建筑能耗強度差異大。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,英、法、德、意4國普通居住建筑單位面積能耗為35kgce/(m2·a)[一次能源消耗量約為285kW·h/(m2·a)],我國普通城鎮(zhèn)居住建筑單位面積能耗僅為14.5kgce/(m2·a)[一次能源消耗量約為118kW·h/(m2·a)],現(xiàn)有居住建筑的能耗本來就滿足德國被動房一次能源消耗≤120kW·h/(m2·a)的要求。不可否認,隨著生活水平的提高,建筑能耗強度會有所上升,但就現(xiàn)階段而言,德國被動房指標體系中的一次能源消耗量要求對于我國是不適用的。被動式超低能耗建筑概述被動式超低能耗建筑在目前世界各類節(jié)能建筑中具有領先的技術優(yōu)勢。對受困于能源緊缺危機和霧霾危機雙重壓力的中國,發(fā)展被動式超低能耗建筑具有深遠的現(xiàn)實意義。由此我國開始了一系列關于超低能耗建筑相關的積極行動。經過多年的發(fā)展,我國的節(jié)能技術水平正逐漸提高,從重視單項技術到綜合全面的建筑節(jié)能技術解決方案,可再生能源利用率也在逐步提高,見表10-2。隨著技術進步和建筑節(jié)能要求的進一步提高,我國的超低能耗建筑有了發(fā)展的需求和空間,陸續(xù)自發(fā)地開展了一些超低能耗建筑集成示范,如清華大學和同濟大學的超低能耗示范建筑。目前,國內有中德合作秦皇島在水一方、哈爾濱溪樹庭院、福建南安項目和朗詩布魯克項目等被動式超低能耗建筑試點項目。被動式超低能耗建筑概述表10-2我國的示范工程在不同執(zhí)行形式時間的發(fā)展變化被動式超低能耗建筑概述10.1.3被動式超低能耗建筑的定義與特征1定義被動式超低能耗綠色建筑(以下簡稱超低能耗建筑)是指適應氣候特征和自然條件,通過保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護結構,采用高效新風熱回收技術,最大限度地降低建筑供暖供冷需求,并充分利用可再生能源,以更少的能源消耗提供舒適室內環(huán)境并能滿足綠色建筑基本要求的建筑。被動式超低能耗建筑概述2超低能耗建筑的主要技術特征1)保溫隔熱性能更高的非透明圍護結構。2)保溫隔熱性能和氣密性能更高的外窗。3)無熱橋的設計與施工。4)建筑整體的高氣密性。5)高效新風熱回收系統(tǒng)。6)充分利用可再生能源。被動式超低能耗建筑概述3超低能耗建筑的優(yōu)勢(1)更加節(jié)能建筑物全年供暖供冷需求顯著降低,嚴寒和寒冷地區(qū)建筑節(jié)能率達到90%以上。與現(xiàn)行國家節(jié)能設計標準相比,供暖能耗降低85%以上。(2)更加舒適建筑室內溫濕度適宜;建筑內墻表面溫度穩(wěn)定均勻,與室內溫差小,體感更舒適;具有良好的氣密性和隔聲效果,室內環(huán)境更安靜。(3)更好的空氣品質有組織的新風系統(tǒng)設計,提供室內足夠的新鮮空氣,同時可以通過空氣凈化技術提升室內空氣品質。(4)更高質量保證無熱橋、高氣密性設計,采用高品質材料,精細化施工及建筑裝修一體化,使建筑質量更高、壽命更長。2被動式超低能耗建筑設計方法被動式超低能耗建筑設計方法10.2.1被動式超低能耗建筑設計的基本理念被動式超低能耗建筑的基本設計理念應該是在建筑整體設計的基礎上,首先應以被動優(yōu)先、主動優(yōu)化的原則降低建筑能耗需求,提高能源利用效率,然后通過現(xiàn)場產生的可再生能源替代傳統(tǒng)能源,以降低化石能源消耗。在進行超低能耗建筑設計時,要考慮以下外部環(huán)境對建筑參數(shù)的影響,還需考慮以下三個層面:第一層面的節(jié)能是被動式節(jié)能技術,其核心理念是強調直接利用陽光、風力、氣溫、濕度、地形、植物等場地自然條件,通過優(yōu)化規(guī)劃和建筑設計,實現(xiàn)建筑在非機械、不耗能或少耗能的運行模式下,全部或部分滿足建筑供暖、降溫及采光等要求,達到降低建筑使用能量需求進而降低能耗,提高室內環(huán)境性能的目的。被動式技術通常包括自然通風,自然采光,圍護結構的保溫、隔熱、遮陽、集熱、蓄熱等方式。被動式超低能耗建筑設計方法第二層面是主動式技術,是指通過采用消耗能源的機械系統(tǒng),提高室內舒適度,通常包括以消耗能源為基礎的機械方式滿足建筑供暖、空調、通風、生活熱水等要求,其核心是提高用能系統(tǒng)效率、減少能源消耗。其主要包括熱泵、風機、除濕機等。第三層面是可再生能源利用技術,如太陽能利用技術、風力發(fā)電、地源熱泵等,雖然其也是主動式技術,但是針對其消耗的是可再生能源,為此對其進行單獨分析,其核心是環(huán)保、可持續(xù);這些技術的實施,最終目的是確保建筑的超低化石能源能耗。建筑師要盡量通過建筑設計而不是單純依靠設備系統(tǒng)的“提供”和“補救”來保證良好的建筑微氣候環(huán)境。被動式超低能耗建筑設計方法超低能耗建筑設計流程如圖10-2所示。圖10-2超低能耗建筑設計流程被動式超低能耗建筑設計方法1被動式技術“被動式”節(jié)能技術主要可以分為兩部分:一部分是根據(jù)當?shù)貧夂驐l件和場地情況進行建筑設計的合理布局,進而降低建筑本體的能量需求;另一部分是采用符合所在地區(qū)地理氣候、人為的構造手段,結合建筑師們的巧妙構思,降低建筑自身用能。其主要目標是以非機械或電氣設備干預手段實現(xiàn)建筑能耗降低的節(jié)能技術,通過在建筑規(guī)劃及單體設計中對建筑朝向的合理布置、遮陽的設置、建筑圍護結構的保溫隔熱技術、有利于自然通風的建筑開口設計等實現(xiàn)建筑需要的供暖、空調、通風等能耗的降低。被動式超低能耗建筑設計方法建筑造型及圍護結構形式對建筑物性能有著決定性影響。直接的影響包括建筑物與外環(huán)境的換熱量、自然通風狀況和自然采光水平等。而這三方面涉及的內容將構成70%以上的建筑供暖通風空調能耗。不同的建筑設計形式會造成能耗的巨大差別。(1)建筑合理布局良好的被動式設計或具有能源意識的建筑,應在建筑設計伊始,就結合當?shù)氐臍夂蛱卣?充分考慮地形、地貌和地物的特點,對其加以利用,創(chuàng)造建筑與自然環(huán)境和諧一致,相互依存,富有當?shù)靥厣木幼?、工作環(huán)境,充分考慮建筑的朝向、間距、體形、體量、綠化配置等因素對節(jié)能的影響,通過相應的合理布局降低用能需求,同時也能為“主動式”節(jié)能措施提供良好的條件。被動式超低能耗建筑設計方法(2)被動式太陽能供暖一種吸收太陽輻射熱的自然加溫作用,它引起的升溫,會使熱量從被照射物體表面流向其他表面和室內空氣,同時也是建筑物內部結構的蓄熱過程。而蓄熱在晝夜循環(huán)時又可用于調整太陽得熱的過?；虿蛔?并且它也成為設計時要考慮的關鍵一步。雖然任何的外部建筑構件都可以和玻璃結合起來為被動式太陽能供暖創(chuàng)造條件,但必須對居住情況、空間的使用情況以及室外條件慎重考慮。被動式太陽能供暖需要依靠下面一個或多個條件:窗戶、高側窗和天窗,這些構件可以使居住空間見到陽光。被動式超低能耗建筑設計方法(3)自然通風建筑設計應以當?shù)刂鲗夂蛱卣鳛榛A,通過合理的布局與形體設計創(chuàng)造良好的微氣候環(huán)境,組織自然通風?，F(xiàn)代建筑對自然風的利用不僅需要繼承傳統(tǒng)建筑中的開窗、開門及天井通風,更需要綜合分析室內外實現(xiàn)自然通風的條件,利用各種技術措施實現(xiàn)滿足室內熱舒適性要求的自然通風。不僅需要在建筑設計階段利用建筑布局、建筑通風開口、太陽輻射、氣候條件等來組織和誘導自然通風,而且需要在建筑構件上,通過門窗、中庭、雙層幕墻、風塔、屋頂?shù)葮嫾膬?yōu)化設計,來達到良好的自然通風效果。被動式超低能耗建筑設計方法(4)自然采光自然采光可以顯著降低建筑照明能耗,但是利用自然采光常用的且經濟的措施是增大建筑的窗墻比,而窗墻比的增加,在夏季會引起太陽輻射得熱量增大,冬季會引起室內熱量的散失,所以設計不當可能造成雖然自然采光有效降低了照明能耗,但是大幅提高了空調能耗?，F(xiàn)代自然采光技術可分為側窗采光系統(tǒng)、天窗采光系統(tǒng)、中庭采光系統(tǒng)和新型天然采光系統(tǒng)(如導光管、光導纖維、采光擱板、導光棱鏡窗),隨著科學技術的發(fā)展,也出現(xiàn)了一些新型采光材料,如光致變色玻璃、電致變色玻璃、聚碳酸酯玻璃、光觸媒技術等。被動式超低能耗建筑設計方法(5)圍護結構節(jié)能技術建筑物的能耗主要是由其外圍護結構的熱傳導和冷風滲透兩方面造成的,按照能量路徑優(yōu)化策略,建筑外圍護結構的節(jié)能措施集中體現(xiàn)在對通過建筑外圍護結構的熱流控制上。建筑節(jié)能設計的第一層面是良好的圍護結構,降低供暖和降溫的需求。建筑外圍護結構主要包括建筑外墻、樓板和地面、屋頂、窗戶和門,要實現(xiàn)的功能主要有視野、采光、遮陽與隔熱、保溫、通風、隔聲6大方面,這些功能并非孤立存在的,它們是相互關聯(lián)、相互矛盾的,通常需要統(tǒng)籌考慮。目前,最常用的是借助計算機模擬分析,優(yōu)化建筑圍護結構性能。在我國公共建筑中,窗的能耗約為墻體的3倍、屋面的4倍,占建筑圍護結構總能耗的40%~50%。被動式超低能耗建筑設計方法(6)被動式節(jié)能技術的節(jié)能潛力和設計要素指標選擇適合當?shù)貤l件的“被動式”節(jié)能技術,可用4%~7%的建筑造價達到30%的節(jié)能指標,回收期一般為3~6年,在建筑的全壽命周期里,其經濟效益是顯而易見的。綜上所述,被動式技術需要建筑設計師與暖通空調師的緊密配合,通過各類模擬分析,如自然采光模擬、風環(huán)境模擬,進行建筑方案優(yōu)化,進而選擇合理的建筑形態(tài)與圍護結構措施與參數(shù),降低建筑的能量需求。被動式超低能耗建筑設計方法2主動式技術用于調節(jié)建筑物室內物理環(huán)境舒適的耗能設備系統(tǒng)中,空調和照明系統(tǒng)在大多數(shù)民用非居住建筑能耗中所占比例較大,其中僅空調系統(tǒng)的能耗就占建筑總能耗的50%左右,是主要的節(jié)能控制對象;而照明系統(tǒng)能耗占30%以上,也不容忽視。建筑設備系統(tǒng)的節(jié)能措施主要應用在以下三個方面:第一方面,建筑能源的梯級利用。根據(jù)建筑不同用能設備和系統(tǒng)等級的劃分,優(yōu)先滿足用能品位高的設備和系統(tǒng),利用這些設備和系統(tǒng)釋放的能量滿足用能品位低的下游設備和系統(tǒng),如能源回收技術,典型應用如燃氣冷熱電三聯(lián)供,冷凝式燃氣鍋爐。被動式超低能耗建筑設計方法第二方面,選用高能效的系統(tǒng)及設備。當必須使用空調設備才能滿足室內熱舒適要求時,要采用高效節(jié)能的空調設備或系統(tǒng),如溫濕度獨立控制系統(tǒng),高效光源與高效燈具、高效電動機、節(jié)能電梯、節(jié)能性配電變壓器等。第三方面,制訂合理的建筑耗能設備的運行方式和控制管理模式,提高系統(tǒng)整體的運行效率。被動式超低能耗建筑設計方法10.2.2我國超低能耗建筑的特點分析1我國建筑能耗的特點不同于發(fā)達國家高舒適度和高保證率下的高能耗,我國建筑能耗特點為低舒適度和低保證率下的低能耗。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,英、法、德、意等普通居住建筑單位面積能耗為35kgce/(m2·a)[一次能源消耗量約為285kW·h/(m2·a)],我國普通城鎮(zhèn)居住建筑單位面積能耗僅為14.5kgce/(m2·a)[一次能源消耗量約為118kW·h/(m2·a)],現(xiàn)有居住建筑的能耗本來就滿足德國被動房一次能源消耗≤120kW·h/(m2·a)的要求。不可否認,隨著生活水平的提高,建筑能耗強度會有所上升,但就現(xiàn)階段而言,德國被動房指標體系中的一次能源消耗量要求對于我國是不適用的。被動式超低能耗建筑設計方法2室內環(huán)境我國住宅建筑室內環(huán)境狀況整體低于發(fā)達國家,主要體現(xiàn)在室內溫度不達標、新風量不足。調查表明,在冬季嚴寒和寒冷地區(qū)集中供暖的建筑室內溫度普遍在18℃以上,但夏熱冬冷地區(qū)室內溫度基本在10℃以下,該地區(qū)集中供暖設施并不普及,室內濕度主要分布在60%~90%,室內濕冷,舒適度差。在夏季,開窗通風是解決室內過熱問題的首選,空調系統(tǒng)間歇運行,室內溫度偏高,基本分布在25~32℃。如果我國被動式超低能耗建筑追求歐美的全空間全時間的高舒適度,勢必導致建筑能耗的快速上升。被動式超低能耗建筑設計方法3氣候特點不同于德國的單一氣候,我國五大建筑氣候分區(qū)特點差異大。德國相比于我國同緯度的地區(qū)氣候更加溫和,供暖為主而空調需求較小;從數(shù)值上看,德國夏季基本無需空調,我國多數(shù)地區(qū)夏季存在空調需求。北京與柏林月對比溫度情況如圖10-3所示。從供暖度日數(shù)和供冷度日數(shù)上看,東西南北的供暖和空調需求極不均衡。圖10-3北京與柏林月對比溫度情況被動式超低能耗建筑設計方法10.2.3被動式超低能耗建筑的技術指標超低能耗的技術指標應以建筑能耗值為導向,技術指標包括能耗指標、氣密性指標及室內環(huán)境參數(shù)。1超低能耗建筑能耗指標及氣密性指標超低能耗建筑能耗指標及氣密性指標見表10-3。表10-3超低能耗建筑能耗指標及氣密性指標被動式超低能耗建筑設計方法2超低能耗建筑室內環(huán)境參數(shù)超低能耗建筑室內環(huán)境參數(shù)指標見表10-4。表10-4超低能耗建筑室內環(huán)境參數(shù)指標①冬季室內濕度不參與能耗指標的計算。②人均建筑面積取32m2/人。③當不設供暖設施時,全年室內溫度低于20℃的小時數(shù)占全年時間的比例。④當不設空調設施時,全年室內溫度高于28℃的小時數(shù)占全年時間的比例。被動式超低能耗建筑設計方法10.2.4被動式超低能耗建筑的技術體系1高性能的建筑保溫系統(tǒng)和門窗在嚴寒、寒冷和夏熱冬冷地區(qū),圍護結構保溫性能的重要性最為顯著。圍護結構保溫性能的確定應遵循性能化設計原則,通過能耗模擬計算進行優(yōu)化分析后確定。注重保溫性能的同時,超低能耗建筑還應采用熱惰性大的重質復合墻體結構,提高圍護結構的隔熱性能。圍護結構的熱惰性是指圍護結構對外界溫度波動的抵抗能力。圍護結構熱惰性越大,建筑物內表面溫度受外表面溫度波動影響越小。被動式超低能耗建筑設計方法超低能耗建筑圍護結構的保溫層厚度大,以普通模塑聚苯板(EPS)為例,嚴寒地區(qū)保溫層厚度可達300mm左右。對于外墻外保溫系統(tǒng),保溫層厚度增加,會影響固定的可靠性及耐久性,外飾面的種類也受到限制;在目前的建筑面積核算標準下,保溫層厚度增加也會占據(jù)更多的有效室內使用面積。因此,保溫材料選擇時,應優(yōu)先選用高性能保溫材料,并在同類產品中選用質量和性能指標優(yōu)秀的產品,減少保溫層厚度。目前,以B1級的模塑聚苯板(EPS)為保溫材料的外墻外保溫系統(tǒng)是被動式低能耗建筑主要采用的保溫形式。被動式超低能耗建筑設計方法除了選用高質量的保溫材料,完整的外墻保溫系統(tǒng)還需配備各種配件,如窗口連接線條、滴水線條、護角線條、伸縮縫線條、斷熱橋錨栓、止水密封帶,從而提高外保溫系統(tǒng)保溫隔熱、連接穩(wěn)定、防水透氣的能力,保證系統(tǒng)的耐久性、安全性和可靠性。一般而言,由于通過屋面流失的熱量較大,被動式建筑屋面保溫比外墻保溫層厚度大,且采用抗壓強度和防水性能更好的保溫板(如XPS)保溫層上下各有一層防水,其中靠近室內房間一側應是防水隔氣層,靠近室外一側是防水透氣層。其目的是防止室內的水蒸氣進入保溫系統(tǒng)又散失不出去,從而破壞保溫系統(tǒng)的耐久性。被動式超低能耗建筑設計方法外窗是影響超低能耗建筑節(jié)能效果的關鍵部件,其影響建筑能耗的性能參數(shù)主要包括傳熱系數(shù)(K)、太陽得熱系數(shù)(SHGC)以及氣密性能;影響外窗節(jié)能性能的主要因素有玻璃層數(shù)、Low-E膜層、填充氣體、邊部密封、型材材質、截面設計及開啟方式等。應根據(jù)不同氣候區(qū)特點,通過性能化設計方法進行優(yōu)化設計和選擇。外門窗系統(tǒng)是圍護結構保溫、防水和氣密性最薄弱的環(huán)節(jié),通過外門窗損失的能耗通常占總建筑總能耗的30%~40%。因此采用高效節(jié)能門窗產品至關重要。被動式超低能耗建筑設計方法被動房窗戶是目前市場上性能最優(yōu)最節(jié)能的窗戶,它不僅考慮了窗戶的傳熱系數(shù),還考慮玻璃的太陽能總投射比(g值)、玻璃的選擇性系數(shù)等多個控制性參數(shù),從而達到既保溫隔熱隔聲又不影響自然采光的多重目的。被動房窗戶通常采用5~6腔木框或塑料(PVC)型材,填充高效的發(fā)泡芯材保溫,采用雙Low-E三玻兩腔中空玻璃,玻璃間充惰性氣體(氬氣或氪氣)或采用復合真空玻璃。玻璃間隔條是耐候性極好的暖邊條,不再使用熱導率高且耐久性較差的橡膠條或鋁合金間隔條,整窗的U值≤0.8W/(m2·K)。目前國內節(jié)能75%的標準,整窗的K值為1.5~2.0W/(m2·K)。被動式超低能耗建筑設計方法不同地區(qū)被動式低能耗建筑透明部分用玻璃的光熱參數(shù)見表10-5。表10-5不同地區(qū)被動式低能耗建筑透明部分用玻璃的光熱參數(shù)被動式超低能耗建筑設計方法在傳統(tǒng)節(jié)能建筑中,外窗都安裝在窗洞口中間,熱橋明顯,防水和密封設計非常薄弱。被動式低能耗建筑通過改變窗戶安裝位置、窗戶保溫方式、采用高效的防水密封材料、防水構造和應用窗臺板,顯著地提高了外窗的保溫氣密性,解決了窗戶節(jié)點的防水問題。被動房窗戶是安裝在主體外墻外側,借助于左右兩側的角鋼固定,錨固件后面有隔熱墊片,降低金屬固定件的熱橋。整個窗框三分之二被包裹在保溫層里,最多留出10~15mm窗框可視面,形成無熱橋的構造。被動式超低能耗建筑設計方法窗框與窗洞口之間凹凸不平的縫隙填充了自黏性的預壓自膨脹密封帶,窗框與外墻連接處必須采用防水隔氣膜和防水透氣膜組成的密封系統(tǒng)。室內一側采用防水隔氣密封布,室外一側應使用防水透氣密封布,從而從構造上完全強化了窗洞口的密封與防水性能。與傳統(tǒng)泡沫膠相比,此類密封布具有不變形、抗氧化、延展性好、防水透氣性能好、壽命長等特點。保溫系統(tǒng)上設計安裝了金屬窗臺板,窗臺板有滴水線造型,從而既保護保溫層不受紫外線照射老化,也導流雨水,避免雨水對保溫層的侵蝕破壞。另外,外門和戶門均應采用保溫密閉門,保溫性能不應低于外窗的相關要求。嚴寒地區(qū)建筑的外門應設門斗;寒冷地區(qū)面向冬季主導風向的外門應設置門斗或雙層外門;其他地區(qū)外門宜設門斗或應采取其他減少冷風滲透的措施。被動式超低能耗建筑設計方法2無熱橋設計建筑熱橋包括幾何熱橋(如墻角)、材料傳熱差異形成的熱橋(如鋼筋水泥和加氣混凝土砌塊搭接部位)、集中熱流形成的熱橋(如貫穿部位造成空氣泄漏)、建筑構件保溫層厚度不一致造成的熱橋。超低能耗建筑設計時,應更嚴格控制熱橋的產生,對建筑外圍護結構進行無熱橋設計。避免熱橋主要應遵循以下的原則:(1)避讓規(guī)則盡可能不要破壞或穿透外圍護結構。(2)擊穿規(guī)則當管線等必須穿透外圍護結構時,應在穿透處增大孔洞,保證足夠的間隙進行密實無孔洞的保溫。(3)連接規(guī)則保溫層在建筑部件連接處應連續(xù)無間隙。(4)幾何規(guī)則避免幾何結構的變化,減少散熱面積。被動式超低能耗建筑設計方法除了應在外墻、屋面及外窗的設計中充分考慮無熱橋設計外,突出建筑外立面的懸挑陽臺建筑中明顯的熱橋薄弱環(huán)節(jié)。歐洲國家被動房設計中,往往采用兩種方式減少熱橋:①采用預制獨立式鋼結構陽臺,通過錨固件固定在建筑結構上,通常適用于多層建筑;②采用無熱橋的陽臺專用構件,該構件由高性能的保溫材料和高強度水泥板構成,通過高強度鋼筋將陽臺板與室內樓板連接,從而有效地阻斷陽臺熱橋。在國內的示范項目中,考慮國內建筑設計規(guī)范的限制,且當前無法引進專用構件,項目采用了折中的構造設計,即陽臺板與主體結構斷開,中間填充與外墻同厚度的保溫材料,阻斷熱橋。陽臺板靠挑梁支撐,保溫材料將挑梁整體包裹。被動式超低能耗建筑設計方法陽臺門框部位也應盡量用保溫材料進行覆蓋,陽臺門應設計為朝內開,否則將因無法用保溫材料包裹門框而產生熱橋。陽臺護欄不應安裝在混凝土樓板、柱或女兒墻垂直上方,而應在側面,以防止連接部位的防水層受損,進而導致保溫層滲水,破壞保溫系統(tǒng)。另外,外墻上的各種支架如空調支架、太陽能熱水器支架和雨水管支架都屬于系統(tǒng)性熱橋。傳統(tǒng)工藝通常是保溫做完后,再安裝相應的支架,從而直接破壞保溫系統(tǒng)的完整與密封性。正確方法是不要直接穿透保溫層,要事先規(guī)劃和預留金屬構件安裝的部位。金屬構件和主體結構之間宜采用20mm的隔熱材料,如泡沫玻璃、石膏板等,然后將金屬構件完全包裹在保溫層里。被動式超低能耗建筑設計方法3建筑氣密性設計建筑氣密性對于實現(xiàn)超低能耗目標非常重要。良好的氣密性可以減少冬季冷風滲透,降低夏季非受控通風導致的供冷需求增加,避免濕氣侵入造成的建筑發(fā)霉、結露和損壞,減少室外噪聲和空氣污染等不良因素對室內環(huán)境的影響,提高居住者的生活品質。保障建筑氣密性并不是限制住戶主動開窗透氣意愿,而是在需要供暖或制冷時期,避免室內外空氣通過建筑縫隙和漏點“無控”進行交換,造成熱(冷)量的損失或高濕度對建筑構件的破壞。建筑的氣密性由連續(xù)無斷點的內抹面、防水、密封性的連接材料和構件共同構成,而施工質量在很大程度上決定了建筑的氣密性水平,是精細化施工的集中體現(xiàn)。被動式超低能耗建筑設計方法應采用簡潔的造型和節(jié)點設計,減少或避免出現(xiàn)氣密性難以處理的節(jié)點。選用氣密性等級高的外門窗,外窗框與窗扇間宜采用3道耐久性良好的密封材料密封,每個開啟扇至少設2個鎖點。另外還應選擇適用的氣密性材料構成氣密層,常見的可構成氣密層的材料包括一定厚度的抹灰層、硬質的材料板(如密度板、石材)、氣密性薄膜等。孔眼薄膜、保溫材料、軟木纖維板、刨花板、砌塊墻體等不適于用作氣密層。節(jié)點氣密性處理應選擇適用的氣密性材料制作,如緊實完整的混凝土、氣密性薄膜、專用膨脹密封條、專用氣密性處理涂料等材料;包裝膠帶、聚氨酯發(fā)泡、防水硅膠等材料不適合作為節(jié)點氣密性處理材料。被動式超低能耗建筑設計方法4遮陽設計遮陽設計應根據(jù)地區(qū)的氣候特點、房間的使用要求以及窗口所在朝向綜合考慮。嚴寒和寒冷地區(qū),供暖能耗在全年建筑總能耗中占主導地位,太陽輻射可降低冬季供暖能耗,但也會增加夏季空調能耗,因此嚴寒地區(qū)南向外窗宜考慮適當?shù)恼陉柎胧?寒冷地區(qū)的東、西、南向的外窗均應考慮遮陽措施;夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū),東、西、南向均應采取遮陽措施,東向和西向應重點考慮。被動式超低能耗建筑設計方法遮陽措施分為可調或固定等形式,也可采用各種熱反射玻璃、鍍膜玻璃、陽光控制膜、低發(fā)射率膜等進行遮陽。因此,超低能耗建筑宜采用可調節(jié)的遮陽設施。可調節(jié)外遮陽表面吸收的太陽得熱,傳入室內的比例比內遮陽或中置遮陽小,并且可根據(jù)太陽高度角和室外天氣情況自動或手動調整,是最適合超低能耗建筑的遮陽形式。升降百葉可調節(jié)外遮陽及可調節(jié)遮陽板示意圖如圖10-4所示。圖10-4升降百葉可調節(jié)外遮陽及可調節(jié)遮陽板被動式超低能耗建筑設計方法固定遮陽是將建筑的天然采光、遮陽與建筑物融為一體的外遮陽系統(tǒng)。設計固定遮陽時應綜合考慮建筑物所處地理緯度、朝向,太陽高度角和太陽方向角及遮陽時間,通過對建筑物進行日照分析來確定遮陽的分布和特征。合理設計挑檐尺寸的固定遮陽示意圖如圖10-5所示。除固定遮陽外,也可結合建筑立面設計,采用自然遮陽措施。非高層建筑宜結合景觀設計,利用樹木形成自然遮陽,降低夏季輻射熱負荷,利用樹木形成自然遮陽。圖10-5合理設計挑檐尺寸的固定遮陽示意圖被動式超低能耗建筑設計方法5高效新風熱回收系統(tǒng)超低能耗建筑應優(yōu)先利用高效新風熱回收系統(tǒng)滿足室內供冷或供暖要求,不用或少用輔助供暖供冷系統(tǒng)。采用高效新風熱回收系統(tǒng),通過回收利用排風中的能量降低供暖制冷需求,實現(xiàn)超低能耗目標。高效新風熱回收系統(tǒng)通過熱回收裝置使新風和排風進行熱交換,回收排風中的能量。新風熱回收裝置示意圖如圖10-6所示。圖10-6新風熱回收裝置示意圖被動式超低能耗建筑設計方法熱回收裝置按換熱類型分為全熱回收型和顯熱回收型兩類。由于能量回收原理和結構不同,有板式、轉輪式、熱管式和溶液吸收式等多種形式,應根據(jù)地區(qū)氣候特點,結合工程的具體情況進行選擇。6輔助供冷供暖系統(tǒng)超低能耗建筑輔助供暖供冷應優(yōu)先利用可再生能源,減少一次能源的使用?？稍偕茉粗饕ㄌ柲?、地源熱泵、空氣源熱泵及生物質燃料等。對于嚴寒和寒冷地區(qū)宜設置輔助熱源,輔助熱源不宜采用集中供暖方式;寒冷地區(qū)、夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū)宜設置輔助冷源。輔助熱源和冷源宜采用以下方式:被動式超低能耗建筑設計方法1)嚴寒地區(qū),當分散供暖時,宜優(yōu)先采用燃氣供暖爐;當集中供暖時,宜以地源熱泵、工業(yè)余熱或生物質鍋爐為熱源,并采用低溫供暖方式。有峰谷電價的地區(qū),可利用夜間低谷電蓄熱供暖。2)寒冷地區(qū)宜采用地源熱泵或空氣源熱泵。3)夏熱冬冷地區(qū)宜采用空氣源熱泵或地源熱泵。4)夏熱冬暖地區(qū)宜采用分體式空調。被動式超低能耗建筑設計方法7衛(wèi)生間和廚房通風衛(wèi)生間和廚房通風直接關系室內環(huán)境和超低能耗目標的實現(xiàn),超低能耗建筑應著重處理好衛(wèi)生間和廚房通風問題。衛(wèi)生間通風設計要點:每個衛(wèi)生間宜設獨立的排風裝置,自然補風。排風經排風裝置導入排風豎井,借助無動力風帽排出室外。衛(wèi)生間排風用無動力風帽如圖10-7所示。圖10-7衛(wèi)生間排風用無動力風帽被動式超低能耗建筑設計方法中餐廚房油煙大、通風量大,在進行廚房通風設計時,應遵循以下原則,盡可能降低廚房通風造成的冷熱負荷,同時滿足改善廚房室內環(huán)境的要求。1)廚房宜設獨立的排油煙補風系統(tǒng)。2)補風應從室外直接引入,補風管道引入口處應設保溫密閉型電動風閥;電動風閥應與排油煙機聯(lián)動,在排油煙系統(tǒng)未開啟時,應關閉嚴密,不得漏風。補風管道應保溫,防止結露。3)補風口盡可能設置在灶臺附近,以縮短補風距離。廚房補風示意圖如圖10-8所示。圖10-8廚房補風示意圖3被動式超低能耗建筑政策支持體系被動式超低能耗建筑政策支持體系政策法規(guī)與標準體系的建設是推動被動式超低能耗建筑發(fā)展的重要依據(jù)和保證。在建筑節(jié)能領域,我國已經構建了比較完備的政策體系框架,先后出臺了一系列從節(jié)能監(jiān)管到技術標準的文件。但在進一步促進發(fā)展被動式超低能耗建筑的過程中還需要進一步有所突破和創(chuàng)新,需要通過不斷完善建筑節(jié)能的法律法規(guī)體系、技術標準和相應的激勵政策加快被動式超低能耗建筑的發(fā)展。從歐美各國超低能耗建筑的發(fā)展來說,有很多經驗和做法值得借鑒。被動式超低能耗建筑政策支持體系1不斷完善法律法規(guī)體系丹麥于1961年制定了第一部建筑條例(BR),隨后每版建筑條例不斷提高對建筑節(jié)能的要求,尤其是BR08和BR10版。2000年,丹麥引入了被動房的概念,被動房的認證是參考了德國被動房的標準和指標,2008年的建筑條例(BR08)第7.2.4章,首次對低能耗建筑做出了明確的規(guī)定。2006年丹麥為推動歐盟能效指令(EPBD2002/91/EC)在丹麥的實施,引入的低能耗建筑分級系統(tǒng),將低能耗建筑分為兩級,低能耗建筑1級和低能耗建筑2級。低能耗建筑2級是低于2006年標準建筑能耗要求的25%,是丹麥2010版建筑條例的最低要求。低能耗建筑1級是低于2006年標準建筑能耗要求的50%,目前已成為現(xiàn)行的丹麥2015版建筑條例的最低要求。丹麥2020年的建筑條例將進一步提高建筑能效,預計將建筑能耗降低到低于2006年水平的75%。被動式超低能耗建筑政策支持體系德國很注重建立完善的法律法規(guī)體系逐步減低建筑能耗水平,德國從1977年頒布第一部保溫法規(guī)到2012年進一步修改建筑節(jié)能條例(EnEV)。建筑供暖能耗已由最初的220kW·h/(m2·a)下降到2014年30kW·h/(m2·a)的水平。在過去20年,德國新建建筑單位居住面積的供暖能耗降低了40%左右。其中,德國《能源節(jié)約法》(EnEV)于2002年2月生效,它取代了以往的《供暖保護法》和《供暖設備法》,制定了新建建筑的能耗新標準,規(guī)范了鍋爐等供暖設備的節(jié)能技術指標和建筑材料的保暖性能等。按照新法規(guī),建筑的允許能耗要比2002年前的能耗水平下降30%左右。2006年,德國再次推出了更為科學的ENEC2006節(jié)能新規(guī)范,開始從整體考慮建筑外部的能源輸入值。被動式超低能耗建筑政策支持體系實際上,2002年2月德國實行的建筑節(jié)能規(guī)范EnEV2002,已體現(xiàn)了德國最新建筑節(jié)能技術研究成果,它不但控制建筑某一方面的能量消耗,對建筑的整體耗能及建材生產過程中耗能量已放在一起考慮。實際操作中,一是對建筑能耗量化,采用建筑能耗證書系統(tǒng);二是新建住宅必須出具“供暖能耗量”和“住宅能耗核心值”,這兩項是建筑物耗能的主要數(shù)值。此外,還需出具一系列的證明,包括建筑每年所需的能量,制成建筑能耗計算表。該法規(guī)規(guī)定,2006年底前,在1978年10月1日前安裝的約200萬個供暖鍋爐必須報廢,由新型節(jié)能鍋爐取代。在政府的推動下,天然氣和太陽能等清潔能源、可再生能源近年來在住宅供暖市場上得到越來越普遍的應用。被動式超低能耗建筑政策支持體系2006年新的節(jié)能規(guī)范則屬于一體化的節(jié)能標準,涉及空調、通風、采光各個方面,主要強調改善建筑的整體能源利用效率。消費者在德國購買住宅時,建筑開發(fā)商必須出具一份“能源消耗證明”。該證明清楚地列出了該住宅每年的能耗,提高了建筑的能耗透明度。自1995年開始,德國法律就要求新建筑必須說明其能耗狀況。隨著建筑節(jié)能法規(guī)EnEV2002的實施,需要說明的主要能耗指標范圍也隨之擴大。被動式超低能耗建筑政策支持體系2研究制定激勵政策合理的經濟激勵機制是發(fā)展和推廣被動式超低能耗建筑的關鍵,可以降低被動式超低能耗建筑的開發(fā)成本,調動生產者和消費者的積極性,擴大市場需求。德國低能耗建筑是德國政府可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要組成部分,在政府主導的積極因素的影響下,低能耗建筑的推廣主要通過政府相關的政策法規(guī)制定,聯(lián)邦政府、州政府、官方及半官方專業(yè)機構的實施推進,以及通過稅收等手段引導企業(yè)開發(fā)相關技術產品,引導業(yè)主消費者建設、購買和使用低能耗建筑。另外,德國復興信貸銀行(KFW)可為新建或購買的或改造的低能耗建筑提供低息貸款。針對既有建筑改造的資助標準有兩種,即德國復興信貸銀行節(jié)能房屋