被動(dòng)房技術(shù)在我國(guó)節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用被動(dòng)式超低能耗建筑在青島地區(qū)的實(shí)施研究以青島中德生態(tài)園被動(dòng)房示范項(xiàng)目為例

被動(dòng)房技術(shù)在我國(guó)節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用被動(dòng)式超低能耗建筑在青島地區(qū)的實(shí)施研究以青島中德生態(tài)園被動(dòng)房示范項(xiàng)目為例

20世紀(jì)90年代初，德國(guó)的被動(dòng)住房是國(guó)際批準(zhǔn)的集高舒適度、低能耗、經(jīng)濟(jì)于一體的節(jié)能建筑技術(shù)。被動(dòng)房“超低能耗、超微排放、超高舒適度”的特點(diǎn),對(duì)于解決我國(guó)建筑行業(yè)能耗高、碳排放量大、供暖能耗高等問(wèn)題意義重大。為落實(shí)中德兩國(guó)大力發(fā)展節(jié)能生態(tài)示范建筑的合作初衷,促進(jìn)園區(qū)低碳生態(tài)建設(shè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn),青島中德生態(tài)園確定了規(guī)?；茝V被動(dòng)式建筑,著力推進(jìn)被動(dòng)式建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工作方向,并予以務(wù)實(shí)推進(jìn),希望以此示范引領(lǐng)青島地區(qū)乃至國(guó)家被動(dòng)式建筑產(chǎn)業(yè)升級(jí),促進(jìn)被動(dòng)式建筑行業(yè)整體健康發(fā)展。1、德勝油田規(guī)劃綱要1.1中德植物園與生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀2010年7月中國(guó)兩國(guó)政府確定在青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)合作建設(shè)中德生態(tài)園,旨在加深兩國(guó)在生態(tài)園領(lǐng)域的企業(yè)間合作,開(kāi)發(fā)能源高效建筑,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。中德兩國(guó)將在園區(qū)內(nèi)開(kāi)展節(jié)能環(huán)保技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究和擬定,能源、環(huán)境新技術(shù)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用,節(jié)能、生態(tài)示范建筑研究和建設(shè)等五個(gè)方面的合作,打造歐亞合作、產(chǎn)業(yè)為主、宜業(yè)宜居、具有可持續(xù)發(fā)展示范意義的綜合性生態(tài)城區(qū)。中德生態(tài)園規(guī)劃用地面積11.6平方公里,建筑總量約700萬(wàn)平方米,人口規(guī)模約6萬(wàn)人,計(jì)劃2020年基本建成。自2011年3月份正式啟動(dòng)以來(lái),園區(qū)始終堅(jiān)持“綠色、生態(tài)、低碳、可持續(xù)”的發(fā)展理念,建立生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)、推行綠色規(guī)劃、倡導(dǎo)綠色建設(shè),加快推進(jìn)各項(xiàng)工作。先后被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委授予“綜合標(biāo)準(zhǔn)化示范園區(qū)”,被科技部授予“國(guó)家綠色制造國(guó)際創(chuàng)新園”,被住建部授予“全國(guó)智慧城市試點(diǎn)”、“國(guó)家綠色生態(tài)城區(qū)(低碳生態(tài)試點(diǎn)城鎮(zhèn))”,被國(guó)家能源局授予“全國(guó)首批新能源示范園區(qū)”。中國(guó)商務(wù)部、德國(guó)經(jīng)濟(jì)能源部指出“中德生態(tài)園創(chuàng)造了中國(guó)園區(qū)發(fā)展的新速度,是中德雙邊合作園區(qū)的典范”。1.2中德植物園助力中德小區(qū)內(nèi)發(fā)展(1)中德生態(tài)園是中德兩國(guó)合作示范項(xiàng)目,始終堅(jiān)持“生態(tài)、綠色、低碳、可持續(xù)”的發(fā)展理念,推廣德國(guó)被動(dòng)屋技術(shù)勢(shì)在必行,且有巨大的平臺(tái)及政策優(yōu)勢(shì)。(2)中德生態(tài)園推廣被動(dòng)屋技術(shù),有政府層面的前瞻性指導(dǎo)。中德生態(tài)園管委從節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展角度審視被動(dòng)屋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,給被動(dòng)屋建筑在園區(qū)及未來(lái)區(qū)域的發(fā)展指出了發(fā)展思路,做出了清晰的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。中德生態(tài)園管委利用政府平臺(tái)資源優(yōu)勢(shì)獲得了中國(guó)住建部,德國(guó)交通、建設(shè)和城市發(fā)展部及德國(guó)能源署對(duì)在中國(guó)建設(shè)被動(dòng)式建筑產(chǎn)業(yè)的大力支持。(3)中德生態(tài)園有中德雙方高效合作機(jī)制。中德生態(tài)園與德國(guó)被動(dòng)屋研究所及知名被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)師建立了緊密的聯(lián)系及合作機(jī)制,從而能獲取被動(dòng)屋建筑最新的發(fā)展資料與技術(shù)。在中德生態(tài)園進(jìn)行推廣,將使被動(dòng)式建筑在中國(guó)的發(fā)展與德國(guó)同步。(4)中德生態(tài)園有精干的實(shí)施團(tuán)隊(duì)。事業(yè)的成功發(fā)展離不開(kāi)精干的實(shí)施團(tuán)隊(duì),中德生態(tài)園被動(dòng)屋產(chǎn)業(yè)實(shí)施團(tuán)隊(duì)的人員素質(zhì)普遍較高,同時(shí)多具有德國(guó)背景,他們能高效率地與德方進(jìn)行方案和技術(shù)交流,為被動(dòng)屋產(chǎn)業(yè)在園區(qū)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.3被動(dòng)式建筑產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目發(fā)展概述中德生態(tài)園將與德國(guó)榮恩建筑事務(wù)所、德國(guó)被動(dòng)房研究所(PHI)在園區(qū)建立聯(lián)合辦公室,率先啟動(dòng)中德生態(tài)園被動(dòng)房示范項(xiàng)目的建設(shè)并進(jìn)行中國(guó)(青島)氣候帶研究。同時(shí)在中德生態(tài)園范圍內(nèi)規(guī)劃3000畝土地作為被動(dòng)式建筑產(chǎn)業(yè)的項(xiàng)目發(fā)展用地,引入有志于將被動(dòng)式建筑技術(shù)作為自身戰(zhàn)略的研發(fā)、設(shè)計(jì)、建設(shè)、材料等各類廠商,在產(chǎn)業(yè)園內(nèi)設(shè)立機(jī)構(gòu)或工廠,對(duì)本身技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)及改造,形成被動(dòng)式建筑上下游企業(yè)的集聚,可面向全國(guó)乃至世界范圍提供被動(dòng)式建筑技術(shù)及產(chǎn)品。在被動(dòng)式建筑項(xiàng)目建設(shè)方面分三步走,近期計(jì)劃用三年時(shí)間建設(shè)包括青島被動(dòng)房示范項(xiàng)目在內(nèi)的共計(jì)10萬(wàn)平方米的被動(dòng)房建筑;中期計(jì)劃在園區(qū)0.5平方公里范圍內(nèi)建設(shè)約60萬(wàn)平方米的被動(dòng)房園區(qū);遠(yuǎn)期計(jì)劃于2020年左右在3.7平方公里范圍內(nèi)建設(shè)約300萬(wàn)平方米的被動(dòng)房示范城區(qū);點(diǎn)線面相結(jié)合打造產(chǎn)城結(jié)合的生態(tài)園宜居園區(qū)。1.4德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)中德生態(tài)園2014年規(guī)劃建設(shè)被動(dòng)式建筑技術(shù)體驗(yàn)中心,該項(xiàng)目方案由德國(guó)榮恩建筑師事務(wù)所設(shè)計(jì),德國(guó)被動(dòng)房研究所進(jìn)行PHHPP計(jì)算復(fù)核,確保實(shí)現(xiàn)德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目規(guī)劃用地面積4300平方米,總建筑面積13000平方米,地上9000平方米,地下4000平方米。(圖1)2、根據(jù)青島氣候條件下被動(dòng)住房指數(shù)的分析2.1德國(guó)的5年生平均氣溫青島地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域,屬溫帶季風(fēng)氣候。青島市氣候分區(qū)屬寒冷B地區(qū),全年8月份最熱,平均氣溫25.3℃;1月份最冷,平均氣溫-0.5℃。日最高氣溫高于30℃的日數(shù),年平均為11.4天;日最低氣溫低于-5℃的日數(shù),年平均為22天。德國(guó)處于涼爽的溫帶,降雨分布在一年四季,平穩(wěn)溫和是德國(guó)氣候的總體特征,冬季平均溫度在1.5度(低地)和-6度(山區(qū))之間;7月份平原地區(qū)的平均溫度為18度,在南方山谷地區(qū)為20度左右。取德國(guó)的兩個(gè)城市柏林和康斯坦茨,柏林位于德國(guó)的中部,康斯坦茨位于德國(guó)最南部,并且氣候比較典型,可以代表德國(guó)的氣候。柏林氣候?qū)贉貛ШＱ笮詺夂蚝蜏貛Т箨懶詺夂蛑g的過(guò)渡型,年平均氣溫9.4℃。冬季較冷,1月平均氣溫-1℃;夏季涼爽,7月平均氣溫18℃。年降水量580毫米,年內(nèi)分配較均勻,惟夏雨略多。冬季常有降雪,降雪約占年總降水量的1/4~1/5。年平均積雪期50天?？邓固勾臍夂蛞巳?年降雨量759毫米。全年最熱的七月份最高平均氣溫24.1攝氏度,最冷的一月份最低平均氣溫2.4攝氏度。比較它們與青島市個(gè)月份的日平均最高氣溫與日平均最低氣溫見(jiàn)下表:青島和德國(guó)的兩個(gè)城市全年氣溫日平均最高氣溫、日平均最低氣溫變化趨勢(shì)圖見(jiàn)圖2:經(jīng)過(guò)圖2分析,青島與德國(guó)城市的采暖季氣象參數(shù)比較接近,我們可以借鑒德國(guó)的被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整應(yīng)用到青島地區(qū)。2.2被房建筑能耗動(dòng)態(tài)分析德國(guó)對(duì)“被動(dòng)房”的定義是必須滿足相應(yīng)的能效指標(biāo):年采暖終端熱耗≤15kWh/(m2·a)。由于青島的采暖期為140天左右,德國(guó)的采暖期為200天左右,明顯多于青島的采暖時(shí)間。因此對(duì)于被動(dòng)房,青島的年采暖能耗需求應(yīng)該低于德國(guó)。德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)年采暖需求為15kwh/(m2·a),根據(jù)青島和德國(guó)采暖度日數(shù)折算出青島被動(dòng)房的年采暖需求為11.0kwh/(m2·a),可以將其作為青島被動(dòng)房的年采暖需求指標(biāo)。詳細(xì)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表1:青島的緯度低于德國(guó),太陽(yáng)輻射照度高于德國(guó),所以對(duì)于完全相同的建筑,冬季的太陽(yáng)輻射得熱青島地區(qū)大于德國(guó),這對(duì)冬季采暖是有利因素。青島的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)?shù)陀诘聡?guó)標(biāo)準(zhǔn),并且通過(guò)對(duì)德國(guó)和青島氣候的分析,采暖期內(nèi)青島的日平均最低溫度要高于德國(guó),在4月和11月能高出4℃,即采暖季青島的設(shè)計(jì)溫差要低于德國(guó);由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)引起的耗熱量為:式中:k—圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),w/(m2·℃);Δt—室內(nèi)外計(jì)算溫差,℃;F—圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積,m2;α—圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)。青島的圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量大于德國(guó),室內(nèi)外設(shè)計(jì)溫差小于于德國(guó),所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K值可以大于德國(guó)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。綜合以上因素,青島地區(qū)可以適當(dāng)比德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)降低保溫層厚度,放大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。通過(guò)能耗動(dòng)態(tài)分析發(fā)現(xiàn),滿足被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)的情況下,外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外窗的傳熱系數(shù)有一定的要求,通過(guò)改變外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層的厚度來(lái)改變傳熱系數(shù)的大小,不同的保溫層厚度與年采暖能耗的變化趨勢(shì)如圖3所示,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。隨著保溫層厚度的增加年采暖需求及年總能耗不斷降低,當(dāng)保溫層厚度大于150mm時(shí),繼續(xù)增加保溫層厚度,總供能需求的變化很小,所增加的費(fèi)用大于能耗減少所節(jié)省的費(fèi)用,所以綜合考慮到經(jīng)濟(jì)因素,確定最優(yōu)的保溫層厚度。確定出青島地區(qū)在滿足被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)時(shí)最大傳熱系數(shù)為0.28w/(m2·k),此時(shí)外墻保溫層的厚度為150mm,屋頂保溫層的厚度為180mm,樓地保溫層的厚度為150mm。不同的外窗傳熱系數(shù)與年采暖能耗的變化趨勢(shì)圖見(jiàn)圖4,最佳的外窗傳熱系數(shù)為1.0w/(m2·k)。遮陽(yáng)措施對(duì)能耗有影響,遮陽(yáng)措施可以有效地使冬季太陽(yáng)能得熱最大化,夏季太陽(yáng)能得熱最小化,可以有效地降低夏季的輻射得熱,減少夏季的冷負(fù)荷。所以被動(dòng)房必須增加遮陽(yáng)措施。通過(guò)對(duì)比分析,不同的建筑物朝向?qū)δ芎挠杏绊?當(dāng)建筑物為南北向時(shí),年供能需求最小,東西向時(shí)候年供能需求最大。通過(guò)對(duì)青島市與德國(guó)的氣候條件的對(duì)比分析,結(jié)合建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬優(yōu)化,得出針對(duì)青島地區(qū)的被動(dòng)房建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。(見(jiàn)表3)3、總體節(jié)能效益分析我國(guó)建筑普遍存在能耗大、排污量高、能源利用效率低、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能差等問(wèn)題,且具有夏季空調(diào)用電量大,冬季采暖能耗高的特點(diǎn)。相比于此類房屋,被動(dòng)房具有超低能耗、超微排放、超高舒適度等特點(diǎn)。本項(xiàng)目通過(guò)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的綜合運(yùn)用,提高了建筑結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能,最大限度的降低了對(duì)主動(dòng)式能源消耗的依賴,項(xiàng)目整體可實(shí)現(xiàn)節(jié)能90%以上的目標(biāo),遠(yuǎn)高于我國(guó)建筑節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn),節(jié)能效果顯著。項(xiàng)目的推廣有利于提高能源利用效率、降低能源消耗,減少污染物排放,為我國(guó)環(huán)境保護(hù)與技能減排起到積極推動(dòng)作用。依據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心對(duì)國(guó)內(nèi)民用建筑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,2011年北方采暖地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑單位面積建筑年采暖能耗為24公斤標(biāo)準(zhǔn)煤。本項(xiàng)目通過(guò)采用被動(dòng)屋技術(shù)項(xiàng)目建成后,