被动式节能建筑中的技术应用范文

《中国住宅设施杂志》2014年第七期

1建筑自身能量的利用

1.1被动建筑自身的热损失非常小，对外部能源的依赖也极低除了在建造施工过程中及设备安装完毕启动调试过程中所需要的外部能源，被动建筑在建造完成之后便可以不再主动向外需求能源，而是转为可再生能源提供。冬季，主要依靠建筑自身得热满足室内供暖需求，极寒天气热负荷不足部分和夏季供冷负荷需求尽量从可再生能源中获取。建筑自身得热主要来自于室内人体散热、照明、电器、食物、烹饪炉火、太阳辐射以及新风热回收等。这些热量在冬季对实现室内环境参数是有益的，可以减少甚至取消室内热负荷，但在夏季这些室内得热却全部转变成为冷负荷，需要通过自然通风或其他主动技术手段消除。通常，室内热（冷）负荷需求可以通过对热回收后的新风辅助加热（冷却）或通过埋在楼板、墙面内的管道系统进行辐射供暖（供冷）等主动技术来满足。作为对建筑物被动节能技术节能效果的补充和完善，主动节能技术的应用使得建筑室内环境参数可控可调，不仅可以根据房屋使用者的自身习惯和感受进行灵活精确的调节，更增加了室内环境的稳定性，减小了室内外干扰因素的影响，满足以人为本的个性化需求，是现代被动节能建筑区别于仅仅采用原始被动技术建筑的重要特征。

1.2主动及被动节能技术合理应用通过主动及被动节能技术合理应用，利用可再生能源的替代，被动建筑减少了自身对外部能源的依赖，冬季依靠其自身热量有效降低了供暖热负荷需求，甚至可以取消传统的供暖系统，节省了锅炉房建设费、市政热力管线接入费、园区热力管网埋设费、热计量装置安装或改造费、供暖系统施工安装及日常维护费、供暖季的系统运行费、燃料费、水电治污费、管理人员费等等；并减轻由此产生的各类环境问题，如大量温室气体的排放、有毒有害污染物的排放以及由此产生的雾霾天气等；极大缓解城市夏季空调用电负荷高峰，降低北方供暖季煤炭、天然气等的能源压力。

2太阳能及其他可再生能源的利用

现阶段建筑对太阳能的应用主要包括自然采光、光热转换和光电转换。

2.1自然采光可分为直接采光和间接采光直接采光可以简单理解为太阳光直接透过外窗投射进室内的光线，间接采光则是太阳光经过物体反射后照射进室内的光线。我们这里所说的自然采光是指直接采光的情况。建筑室内采光效果的好坏直接影响人体对室内环境舒适度的感受；建筑良好的自然采光条件，不仅可以使人心情舒畅，而且可以大幅降低日间灯光照明的主动耗能。在白天自然采光条件不足需要补充人工照明时，宜选择接近自然光色温的高色温光源。

2.2建筑物对太阳能光热转换的利用可简单分为直接得热和间接得热（1）直接得热属于被动式的太阳能利用，是一种建筑物直接利用日照的形式。通过对建筑形式及构造的优化设计，合理利用太阳辐射热量来改善建筑物室内热工环境。在北方地区，设计中常将对室内环境要求相对较低的厨房、卫生间、走道、储物间等设置在建筑北侧，而卧室、起居室等对室内环境要求较高的房间则布置在日照较为充足的南侧，并设置封闭阳台作为阳光室，在冬季充分利用阳光辐射得热，并可作为室外环境与室内环境之间的缓冲过渡空间，降低传热能耗并提高居室内环境的舒适度。在冬季，人们希望能够让阳光尽可能多的照射进室内，加热室内环境的同时又能增加室内自然采光，增加室内舒适度。但在夏季，室内的降温需求与自然采光需求又成为了一对矛盾，多引入阳光照射进室内，自然采光的问题解决了，室内的灯光照明能耗降低了，然而，随着透射进室内的阳光增多，太阳辐射热也同时导致室内热量的增加，这些热量需要通过通风或空调系统进行及时排除，以免室内温度的持续上升，为了避免通风空调系统能耗过度增加，通常采用的方式是在朝阳侧外窗设置遮阳设施对阳光进行适度的遮挡，并要特别注意协调通风空调系统与灯光照明系统之间的此消彼长的能耗关系。合理的建筑朝向和遮阳，可以使建筑物优化利用太阳的光和热，对于小体量建筑效果尤其明显。一般来说，外遮阳比内遮阳的效果好，应根据建筑物的不同朝向选择不同的外遮阳形式，并采用不同的主动节能控制策略。通常采用的可控外遮阳设施有电动遮阳百叶、可移动网状遮阳板等。其他太阳能直接得热的利用方式还包括蓄热墙、导光板、呼吸幕墙等。蓄热墙是指采用蓄能材料制作，可以在日间将太阳能以热能的形式储存，利用时滞效应在夜间向室内散热，减少昼夜间室外温度波动对室内环境温度的影响。导光板则是利用反光材料将更多阳光及太阳辐射热反射进室内以增强太阳能利用效果。呼吸幕墙是利用阳光加热双层幕墙间空气，通过空气对流作用和阀门、风机引导幕墙及室内的空气流动，对室内进行辅助加热或冷却。（2）间接得热作为一种主动节能技术，在被动节能建筑中的应用主要指太阳能集热系统，其通常是由太阳能集热器、蓄热设备、循环管路等主要设备部件组成。太阳能集热器常用的有聚焦型集热器（槽式、碟式、塔式）、平板型集热器、真空管集热器以及陶瓷集热器。集热器应根据当地的太阳能资源状况及气候条件等选择适合的形式，保证系统的全年安全稳定运行，选择性价比最优的产品。循环水管路可分为自然循环和机械循环两种。自然循环型，其特点是蓄热水箱置于集热器上方，依靠重力流推动系统循环。机械循环型，蓄热水箱置于集热器下方，利用循环水泵以机械动力使系统内热水强制循环。条件允许的情况下建议使用自然循环型，不仅系统简单、维护方便，而且更加节能可靠。太阳能集热系统可采用自动控制变流量设计，通过设置光伏电池板等太阳辐照感应传感器，实时监测太阳辐照强度并以此控制变频循环水泵改变系统流量；太阳能集热自动控制系统除了需要实现系统正常运行时的调节控制，还要在需要辅热设备时及时切换热源，液体工质还要特别注意防冻和防过热保护措施，保证系统的安全并节能优化运行。太阳能集热系统主要应用于生活热水系统、供暖系统、空调热水系统等。通过与热泵系统结合使用，利用太阳能热水装置产生的热能推动热泵工作，从而利用更多可再生能源进行加热或制冷，不仅可以为供暖系统或冬季空调系统提供热源，也可以在夏季为空调系统提供冷源。

2.3太阳能光电转换主要是指太阳能光伏发电利用太阳能电池将太阳能转化为电能，整套系统由太阳能电池组、太阳能控制器以及蓄电池组等设备部件组成。太阳能光伏电池板可以作为建筑外墙表面材料与建筑设计结合，敷设在外墙面、屋面，或是作为外遮阳、天窗。当太阳能电池板的铺设面积足够大，太阳能发电装置可以为被动建筑提供其正常运转所需全部电能。

2.4除太阳能以外的其他可再生能源除太阳能以外的其他可再生能源，包括空气热能、风能、地表浅层土壤热能、地下水热能、地表水热能、河水动能、潮汐能等等。被动节能建筑可以根据所在地域的具体气候特征及水文地质条件等因地制宜的选用适合的可再生能源为自身提供所需能量，减少对外界能源的依赖。热泵系统是现在利用各种热能资源的主要技术手段。在被动建筑中，热泵系统为整个建筑的制冷和供暖供给能量。常用的形式有空气源热泵、地下水地源热泵、地表水地源热泵、地埋管地源热泵。空气源热泵适合于夏热冬冷地区的中小型建筑，有同时供冷、供热需求的情况建议采用热回收式热泵机组。地下水地源热泵、地表水地源热泵、地埋管地源热泵的设置均要特别注意严禁对地下水资源的污染性、破坏性利用，要进行系统的全年动态负荷计算，热泵系统总释热量与总吸热量应平衡，否则应采取相应辅助措施。

3可控通风的理念

被动建筑通常采用两种通风方式，一种是自然通风，一种是新风热回收系统。

3.1自然通风的技术古已有之我国传统民居中可以随意找出许多结合当地气候特点、生活习惯的自然通风设计建造技术。我们最常见到的也是最简单的室内自然通风设计就是通过开关外窗调节，但被动建筑由于其对室内舒适度参数的稳定性要求，决定了过于依赖室外气候条件、无法进行人为精确调控的自然通风方式难以满足被动建筑的要求。所以我们对于被动建筑中所设计采用的自然通风是一种可控通风，是一种在主动节能技术辅助下的被动节能技术。这种可控主要表现在对于流量、流向、风速、过滤、温度、湿度、噪声等方面。自然通风有三种基本方式：风压通风、热压通风、机械辅助自然通风。首先采用被动技术，充分利用风压、热压作用，巧妙设计建筑通风节能构造，并协调遮阳形式对自然通风效果的影响，协调窗墙比与太阳辐射热能利用、自然采光、自然通风之间的影响。然后辅助通风控制系统，设置感应器，采集室外温度、湿度、风向、风速、空气污染程度等信息，采集室内温度、湿度、二氧化碳浓度等信息，结合各项室内环境设定参数，通过控制系统对各处控制机构进行通风调节。

3.2被动建筑新风的提供在室外气候条件舒适的情况下，应首先考虑并采用自然通风的方式，以排除室内余热及室内污染物，为室内人员提供新鲜空气，调节室内温湿度，当仅采用自然通风无法满足室内新风要求时，诸如污染天气、无风天气、风沙天气、高温高湿或寒冷天气或柳絮花粉等过敏源较多的季节，都不适宜单独采用自然通风。应采用同时设置自然通风及机械新风系统的复合方式，以此降低室内空调负荷并减少机械新风系统运行费用。被动建筑中对新风系统高效热回收装置的应用也是其显著特点之一。系统的显热回收效率要求不低于75％，这就是说经过热回收装置的新风负荷以及排风热损失都同时得到了大幅降低，在冬季大部分时间里被动建筑仅仅依靠自身得热便实现了室内环境温度的稳定。此外，被动建筑采用热泵机组为新风系统提供冷热源，夏季由热泵机组提供新风降温除湿冷源，冬季可以利用热泵加热新风，提高经由热回收装置预热后的新风温度，满足室内热负荷要求，保证室内温度稳定。新风热回收系统常设功能及流程：过滤、预热（预冷、显热回收、加热（冷却）、加湿（除湿）、消声。这样的新风热回收系统为建筑内所有房间提供经过加热加湿或冷却除湿的新风，可根据使用者要求自由调控室内环境温湿度、洁净度及空气新鲜度，降低新风及排风能耗。新风热回收系统设计使用时应确保室内总送排风量的平衡；应定期清洗或更换滤芯，保证送入室内的新风清洁度及换热效率；设备及管道安装采用减震支吊架、消声器等消声降噪措施，避免产生噪声污染。

3.3新风热回收系统为保证室内空气新鲜度，设置二氧化碳浓度探测器，室内设定值应小于1000ppm，这一数值略高于室外自然空气二氧化碳浓度，当室内实测二氧化碳浓度值高于设定数值一定程度后，自动控制开启送、排风机。而对于电动可开启外窗、自然通风器等自然通风手段，则还需要同时结合室外环境温湿度、污染、风向风速状况等参数控制启闭。对于温湿度独立控制系统，还要设置外窗启闭状态探测器，室内湿度监测报警器等。

4围绕着一次能源消耗量评价指标的自动控制系统

4.1被动节能建筑的判定我国现行节能规范对于节能建筑性能的判定方法是通过在设计过程中对不同气候区的不同性质的建筑物规定其应符合要求的体形系数、窗墙比、遮阳系数、维护结构传热系数、气密性等；当上述系数无法满足限定值时则通过权衡判断来判定其围护结构的总体热工性能是否符合节能标准。在施工阶段则通过对建筑材料、建筑构件的物理性能检测指标来判定其是否为节能建筑。在德国，对于被动节能建筑的判定方法是采用能耗模拟计算软件，将建筑物的各项相关参数输入，计算出建筑物的一次能源消耗量，并将此数值用于校核建筑实际运行中的一次能源消耗量，最终判定其是否为节能建筑。被动建筑采用一次能源消耗量指标而非我国传统节能规范中50％、65％的相对节能指标或建筑物耗热量指标。通过对建筑物的总体能耗的限制，平衡各种节能指标之间此消彼长的问题。

4.2太阳辐照感应传感器优良的外窗保温性能及较大的窗墙比为建筑物冬季室内充分利用太阳能辐射热提供了条件，降低了冬季热负荷，然而，封闭且保温的房间内热量难以自然消散，导致夏季空调冷负荷的增加。因此，增加可调节活动建筑外遮阳措施来协调这一矛盾，但我们会发现，夏季制冷能耗降低的同时室内照明能耗却相应增加了。建筑电动外遮阳百叶的调节：被动建筑采用保温与透光性能好的节能窗，夏季，在满足了室内采光要求的前提下，需要采用电动外遮阳百叶将多余的日照隔绝在室外，降低室内空调冷负荷。而冬季则调节百叶，尽量多的将阳光引入室内，降低室内供暖热负荷。太阳辐照感应传感器，可根据实时室外环境参数随时调整，也可根据预设模式自动操作。自动调节百叶位置角度，保证室内得到适度的太阳辐射量。

4.3合理利用主动节能技术作为被动节能技术的补充和完善由于被动建筑冬夏季冷热负荷极低，有时我们需要通过热泵系统来满足室内少量的冷热负荷。需要注意的是，在我们讨论应用何种可再生能源之前，应仔细核算我们采用被动节能手段可以在多大程度上满足需求？热泵系统在全生命周期中的总能耗是否已经大于了其所节省的能耗？避免为了使用可再生能源而使用，认证评估被动节能手段与主动节能手段的切换时机，减少无谓的一次能源消耗。为了避免被动建筑设计与使用过程中应用过多效能较低的节能技术，合理有针对性的采用主动节能技术作为被动节能技术的补充和完善，采用智能建筑物整体一次能源消耗评价系统主动实时采集数据、计算分析，通过系统末端自动控制装置及设备对各被动节能措施根据室内外环境变化要求及时准确的进行监控和调节。

5全过程的质量控制

被动建筑苛刻的室内环境参数及能耗标准对于建筑从规划方案到使用的全过程同样有着十分严格的要求。严格按照设计要求施工，严控设备及材料的质量，对施工进行全过程监督控制，认真贯彻执行各阶段各环节的质量认证。

5.1促进设计理念的升级被动建筑的意义就在于用尽可能低的一次能源消耗量实现尽可能高的室内舒适度标准，是一种舒适、健康、节能兼顾的现代建筑。首先应依靠被动技术降低建筑物能耗，其次是提高主动节能技术的效率，最后合理加大再生能源的应用比例。在设计过程中尽量减少主动节能技术的应用数量，采用成熟简单、经济可靠的主动技术辅助配合被动节能手段实现建筑节能的最优化设计，达到最佳的节能效果和舒适的室内环境。

5.2促进施工模式的升级被动建筑的建造有着和普通节能建筑完全不同的施工方式和施工质量要求，很多新型设备及材料的安装技术要求国内同样无可参照标准或规范，此外，培训掌握被动房施工质量和技术要求的优秀管理和施工人才的需求十分迫切。粗放的施工模式完全不能适应被动建筑精密细致的技术要求，完全无法实现被动建筑高品质的低能耗及室内舒适度指标。施工过程中任何细节的疏忽，都可能会对产品质量造成巨大的影响。

5.3促进建材技术的升级由于被动建筑在我国真正投入实施建设的项目还很少，一些高效节能设备及建筑材料仍需要从国外进行技术产品的引进，还无法在国内自主生产。这其中有技术的原因，但也有市场规模小，经济成本高的原因。这一状况应该会随着我国被动建筑的推广逐渐改善。

5.4促进检测指标的升级被动建筑对于各项节能及舒适度指标要求极为严格，竣工的性能指标检测不易通过。被动建筑中没有毛坯房的概念，需提供精装到位的产品，包括排油烟机、卫生间排气扇等均由开发商统一采购安装，保证了室内各系统参数的准确，减少了社会资源的浪费。无热桥设计：在各种管道穿外墙、屋面、楼板、隔墙处，采用聚氨酯发泡胶或专用密封胶带封堵，隔热隔音，管道支吊架断热桥处理。用气压法进行气密性检测，关闭门窗，并封堵所有穿墙、楼板的孔洞，注意厨房排油烟管道及卫生间排气管道的处理。精心设计，仔细施工，严格检测。

6结语

现阶段我们在被动建筑的规划方案及施工图设计阶段，国内尚无可参照的标准或规范，而国外的技术指标又不能简单的直接套用，逐步总结出适合我国国情的相关规范标准是当务之急。这种情况之下，应避免主动和被动节能技术的不加以选择的堆砌，避免不因地制宜、不加以分析验算的套用节能指标，避免对可再生资源低效甚至无必要的浪费式应用。投资问题通常是节能建筑推广过程中的最大难题，在被动建筑最为成熟的德国，被动建筑造价通常仅比普通建筑高约10％左右。2002年2月德国实施的新版建筑节能规范EnEV2002，不但考察建筑某一方面的单项能耗，也对建筑整体能耗及建材生产全过程的能耗进行了限定。被动建筑的方向是以最简单、最经济的技术实现最优的室内环境参数和最低的能耗，减比增更体现智慧。同时，注意选用节能电器、节能灯具；注意设备安装空间及管线布置空间的合理性，隔声降噪；注意明装设备与建筑风格的融合。提高建筑材料、设备的研发及加工水平，提高建筑施工及管理水平，促进建筑产业的整体升级。

作者：戴旭单位：中国建筑标准设计研究院