被动式建筑技术研究与方案设计实践

被动式建筑技术研究与方案设计实践

陈炜,焦世超

机械工业第六设计研究院有限公司 河南省郑州市 450000

摘要：为深入贯彻落实党中央、国务院关于碳达峰、碳中和决策部署，推动城乡建设绿色低碳发展，各省市地方政府在原有绿色建筑发展实施方案的基础上，大力推动被动式建筑的普及与推广，同时出台了各种政策与标准予以认证和支持。结合碳中和政策趋势，被动式建筑将为建筑与生态的平衡贡献重要力量。

关键词：被动式技术；被动房；低碳；能源馆

引言

在中国经济快速发展的大环境下，国家提出了推进高质量发展的口号，这意味着经济的发展要从量为先到质为先的转变，这是经济发展规律的必然要求。建筑发展亦是如此，从高速扩张的“黄金十年”，到现在对建筑绿色、生态的追求，正是对国家高质量发展战略的呼应。被动房技术在这一时刻受到广泛关注，被人们在改善生态环境，创造环保宜居建筑方面寄予厚望。

1.被动房技术概述

1.1 被动房的起源

被动房的理念起源于德国，最初是指在寒冷的气候条件下，建筑不需要采暖设备，仅通过建筑自身围护结构保温就能实现比较舒适的室内居住环境。其诞生的目的就是为了节省化石能源消耗，保护环境，同时提高居住品质。20世纪初，就有部分建筑师在北欧和英国小范围尝试过不需要采暖就能过冬得房子。1973年，丹麦科技大学建造了一栋实验性质的被动房建筑，不过按照现在被动房的标准，它只能被称作低能耗建筑，但为后来被动式建筑技术的发展提供了宝贵经验。

1.2 被动房的定义及基本原则

被动式低能耗建筑就是将自然通风、自然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源得热等各种被动式节能手段，与建筑围护结构高效节能技术相结合建造而成的。简言之，被动房就像一个保温杯，无论是夏天的冰水还是冬天的热水，他都能减少热量散失，锁住内在温度。国内被动房基本原则学习了德国：1、通风热回收系统；2、拥有良好的气密性；3、使用超级节能窗；4、拥有良好的保温性能；5、无热桥设计。被动房就是通过建筑自身高性能外围护结构和优良的气密性，最大程度地减少热量损失，减少对能源系统的需求，以降低能源消耗。

1.3 国内被动房发展现状

自2015年《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》（居住建筑）试行，许多地方政府也大力推进相关技术研究和编制标准，带动相关政策和产业发展。《近零能耗建筑技术标准》的正式发布，更是以国家标准的形式形成适合我国国情的近零能耗建筑技术设计、施工、认证体系。结合国内不同气候区的应用情况，被动房在北方寒冷地区更先推行，作用也更加显著。高性能的外围护结构和良好的气密性类似“给建筑穿上棉衣”，在寒冷地区的冬季，更有利于严寒的侵袭。

2.常用的被动房技术措施

2.1高性能外围护结构

高性能外围护结构是被动式建筑技术的关键，通过高气密性、无热桥、高性能玻璃等设计达到良好的保温性能。其中主要分为墙体保温隔热和门窗保温及气密性两个方面：

2.1.1外墙外保温

建筑内保温无法避免冷桥，容易形成冷凝水进而破坏墙体，相比较之下，外墙外保温是更好的选择。外保温的形式可以有效地形成建筑保温系统，达到良好的保温效果，减少热桥的产生，同时保温层与外饰面之间的空气层可以形成有效的自然通风，可以排出潮气以保护保温材料。

2.1.2 高效门窗系统与构造技术

门窗保温系统包括三部分：断桥铝合金门窗框、中空玻璃、门窗框与洞口连接处理技术。通过改善窗户制作安装工艺、加装密封条等办法加强门窗气密性，减小冷风渗透消耗，常用窗框为三玻两腔铝包木等；另一方面就是玻璃的性能至关重要，高性能玻璃产品比普通中空玻璃的保温隔热性能高出一倍，常用的有双银Low-E玻璃及三银Low-E玻璃等。

2.2清洁能源利用

2.2.1电能

由于高质量的外围护结构和良好的气密性，被动房的空调负荷是普通房屋的1/4~1/10；光导管的应用，可以为进深较大的公共建筑提供良好的照明条件，减少室内灯具照明的耗电。

再结合太阳能光伏板的运用，有利于将太阳能转化为电能转化为电能，光伏建筑主要分为两种类型：一类是普通型光伏构件（BAPV），光伏组件在建筑物建成以后，后期加装上去，能够进行光伏发电。另一类是建材型光伏构件（BIPV)，光伏组件与建筑物在建设初期就通过科学技术手段集成在一起，成为不可分割的建筑构件，光伏组件可以直接代替部分建筑材料使用。

2.2.2 热能

"被动房屋"内没有空调，但通过几种技术的结合实现冬暖夏凉，热能的合理利用是设计的重中之重。

地源热泵，以岩土体、地层土壤、地下水或地表水为低温热源，由水地源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热中央空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地源热泵系统可供暖、以及空调，还可供生活热水，一机多用，生活里面很多地方都能够感受到他给人们提供的方便，适用性广。但在缺水地区，容易使用受限。

空气源热泵，空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置。空气作为热泵的低位热源，取之不尽，用之不竭，处处都有，可以无偿地获取，而且，空气源热泵的安装和使用都比较方便。但空气源热泵容易结霜，且更适合在中国中部和南部使用，不宜在北部寒冷地区。

3.被动房技术国内实践案例

3.1 青岛中德生态园被动房

青岛西海岸新区中德生态园的被动房体验中心建筑总面积1.38万平方米，在大冬天，室内没有暖气的情况下，温度也可以保持在20摄氏度以上。该建筑采用了高效的外保温技术、智能化楼宇控制技术、无动力冷梁、地板辐射采暖系统和屋面太阳能光伏发电系统，使用了带热回收的新风机组及地源热泵系统等。每年可节约一次能源消耗130万千瓦时，节约运行费用约50万元，减少二氧化碳排放664吨，与现行国家节能设计标准相比节能达90%以上。

3.2 河北秦皇岛市"在水一方"项目

“在水一方”项目试点，在技术应用上，没有使用传统的采暖系统，而是使用了环境机。环境机安装在厨房吊顶上，同时具有新风、排风热回收，空调制热、制冷，热水供应等多种功能，当二氧化碳浓度超过或是降到一定值时，机器会自行启动送新鲜空气或自动停机;在高保温、高气密性的前提下，太阳光、做饭、洗澡、人体散热等零星热源均可被回收，这些热量基本可达到室内舒适的温度要求;而当室内温度出现上下浮动，不符合住户设定的温度时，室内环境机也会自动补充热量或降温。整个冬天，室温一直在20摄氏度，室内温和湿润，非常舒适。

4.被动式建筑项目设计实践

济源未来能源馆项目位于河南省济源市大峪镇，项目建筑能耗标准按近零能耗建筑设计，项目外向功能是推进乡镇能源工作高质量发展，助力国家战略转型，内向功能是普及零碳理念、零碳科技与零碳生活方式。

项目在方案设计之初就引入被动式建筑设计理念，利用建筑外遮阳、光导管等技术方法来减少能源的浪费；通过对建筑体型系数的控制，尽可能减少建筑体型系数，对建筑节能更加有利；通过中厅天窗，尽可能自然采光通风，减少能源消耗。

在技术应用上，采用高性能外围护结构，通过高气密性、无热桥设计、高性能玻璃等达到良好的保温性能。能源利用上，采用地源热泵、玻璃光伏一体化幕墙等技术，利用地热能和太阳能等清洁能源，经济环保；同时使用新风热回收系统，有利于对空气热能的回收利用，减少空调能耗。方案还使用了种植屋面，种植屋面可以保护建筑顶部，延长屋顶建材使用寿命，提高保温效果，降低能耗。该建筑还引入智能检测及控制系统控制系统，采集场馆的各项能耗信息，为能源利用提供依据，实时调节空气质量及采暖照明效果，同时可视化数据也为教育、科普、展览等功能提供便利。

在建筑方案深化过程中，随着各专业深度介入，通过软件PKPM对建筑性能进行分析，建筑综合节能率为74.38%，建筑本体节能率（不包含可再生能源）为41.11%，满足《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350-2019中的近零能耗建筑能效指标要求。

结语

随着我国推进高质量发展、建立健全绿色低碳循环发展经济体系的提出，绿色规划、绿色设计、绿色投资、绿色建设就成了绕不开的话题。而被动房技术的应用，正是建筑领域为改善人居环境、实现“两碳”目标的重要方式之一。我们通过技术学习与研究，在能源馆项目中，应用和创新了部分被动式建筑技术，为以后的建筑应用与实践提供宝贵经验。

参考文献

[1]卢求.德国被动房超低能耗建筑技术体系[J].动感(生态城市与绿色建筑),2015(01):29-36.

[2]刘玮,郝雨楠.国内外被动式建筑发展现状[J].门窗,2017(02):26-29.

[3]金文.被动房的发展及展望[J].中国建筑金属结构,2019(05):20-23.

[4]刘义军.浅谈可再生能源热泵技术的应用[J].科技信息(学术研究),2007(19):112-113.

[5]程才实.试论“在水一方”中德合作被动式低能耗建筑示范的重要意义[J].建设科技,2014(Z1):158-160.DOI:10.16116/j.cnki.jskj.2014.z1.094.