【被动房】主要技术措施
2014-12-16
引言
被动房标准( Passive House Standard)实际上是一个实现建筑超低能耗的设计标准,目前这个标准并非官方制定,而是研究者们达成的一个共识。在欧洲国家,要真正被认证为被动房建筑必须满足2条标准:
(1) 建筑每年的采暖能耗不超过15kwh/m2;
(2) 建筑每年总能耗(采暖、空调、生活热水、照明、家电等) 不超过120kwh/m2。
按照这些标准,建筑的冬季采暖能耗可以被减少到欧洲现有同类型建筑的10%以内,建筑每年的总能耗可以减少到30%以内,CO2的排放可以减少到50%以内。
目前的被动房项目中,设计和建造被动房建筑时主要致力于解决冬季的采暖问题,其设计理念的核心思想在于最大限度地减少建筑的热量损失。其技术措施可以归纳为以下4个方面。
加强建筑维护体系的保温性能
建筑围护体系主要由外墙、屋面和外窗组成,加强围护体系的保温性能是“被动房”建筑设计和建造中最为重要的技术措施。正如人在冬季最重要的御寒手段就是穿上保暖的衣服一样,这是一个非常简单的道理。而“被动房”正是充分发挥了这一原则,在考虑现有建筑材料的性能和价格的基础上,为建筑穿上一件最保暖的外套并把可能存在的“冷桥”尽量阻隔掉。建筑外墙和屋面是围护体系主体,在欧洲目前的“被动房”建筑中,外墙和屋面的保温材料较多地采用XPS 挤塑聚苯板以及岩棉等。为达到“被动房标准”,所采用的厚度都非常大。例如:德国达姆施塔特建成的第一座“被动房”建筑中,外墙采用275mm 的EPS 聚苯保温板,其传热系数为
0.14W/(m2·K) ;屋面采用了445mm 的岩棉保温,其传热系数达到0.1W/(m2·K) 。在其他已建成的“被动房”项目中,外墙和屋面的传热系数通常都在0.1W/(m2·K) 左右。
外窗的保温性能对玻璃和窗框要求都很高,在不少欧洲国家现有的建筑中,大多数采用双层中空玻璃和断桥铝合金的窗框,其传热系数为2.4W/(m2·K) 左右,还远远达不到“被动房”建筑对外窗的保温性能要求。目前已建成的“被动房”建筑中,建筑外窗通常采用3 层中空玻璃以及带保温夹层的窗框,其传热系数可达0.8W/(m2·K) 以下。在围护结构的阻热性能明显提高以后,“冷桥”就成为一个影响围护体系保温效果的重要因素。在现有建筑的设计中,“冷桥”也已经成
为一个被关注的问题,但是远没有在“被动房”设计中那样尽可能的被避免。在“被动房”建筑里,尽量避免“冷桥”存在。
提高建筑的气密性能
基于“被动房”的理念,建筑应该是一个尽量不受室外环境干扰的独立系统。因此,建筑围护结构应该具有可以隔绝室内外空气渗透的功能,这一点在冬季尤为重要,所以,“被动房”建筑与室外空气交换都是通过可以控制的机械系统来实现。建筑的气密性能对于“被动房”非常重要,它的密闭性除了可以降低热量损失以外,还可以控制室内环境的湿度和保护建筑结构。在“被动房”建筑的设计中,不少窗扇都是固定不可以打开的,部分可开启窗扇在关闭时也要满足很高的气密性要求。在“被动房标准”中有一条不做严格要求但是推荐采用的指标,就是在建筑的气密性测试(Blower Door Test)中,要求在室内外50Pa 压力差的情况下,每小时的空气渗透量不能超过建筑总容积的60%。在欧洲各国的现有建筑中,这一指标都还远不能达到要求,通常在200%-400%之间,而在德国达姆施塔特建成的第一座“被动房”建筑中,这一指标仅为30%,有效地减少了冬季热量的损失。
德国达姆施塔特“被动房”
机械送新风并进行热回收
当建筑的气密性能大大提高以后,适宜的通风换气方式对于“被动房”建筑就尤为重要了。要保持室内空气的清洁与健康,必须要满足一定的新风量,在欧洲各国中,新风量的指标从室内空气每小时换气0.4-0.9次,我国北京居住建筑节能设计标准中规定的冬季换气指标为0.5次,与欧洲各国的要求大致相同。在现有建筑中,开启窗户和门窗缝隙的渗透是现建筑冬季换气的常用方式,但这样无疑会带来大量的热量损失,并且产生室内吹冷风的不舒适感。在“被动房”建筑中,这一换气指标则完全需要通过机械通风的方式来完成,在每套住宅中,室内污浊的空气从厨房和卫生间的排风口排入风管中,新鲜空气则从起居室和卧室的送风口中进入房间。
把建筑排风中的热量回收,用以预热室外的新鲜空气并送入室内是实现“被动房标准”的关键技术之一,在欧洲目前使用的热交换器的热回收效率非常高,可以达到75%-90%的热回收率,所以传统建筑在冬季通风换气损失的热量在“被动房”建筑中很大程度上被避免了。新风排风热交换器的体积很小,通常装在建筑吊顶或者阁楼内就可以。由于“被动房”建筑对采暖所需的热量需求已经很少,所以甚至可以通过新风系统来调节房间的温度,经过加热的新风送入房间就足够保持设计的室内气温,这样,建筑内就可以完全不用安装传统意义的采暖系统了。
当然,在设计者看来,机械新风的另一个好处是可以保证空气的质量。在新风的处理过程中,除了可以回收热量以外,还可以过滤室外空气的尘土,控制空气的湿度,使空气的质量可以比自然通风的空气质量大大提高。所以,即使是在非采暖季节,在不必考虑热量损失的情况下,有不少建筑师还是坚持在设计中采用机械新风系统。
低热负荷的采暖方式
通过加强建筑维护体系的保温性能、提高建筑气密性、机械送新风并进行热回收,“被动房”建筑的冬季采暖需求已经被降到很低的程度,只需要很少的热量即可以达到室内的设计温度,有研究者在“被动房标准”中提出,“被动房”建筑的采暖热负荷应该低于10W/m2。这时候,作为被动式建筑的设计理念已经实现了,在这个基础上,为建筑提供采暖的热源就完全可以摆脱对传统采暖设备的依赖,设计者可以充分发挥想象力利用各种“免费”能源来为建筑提供热量。利用太阳能是最常见的方式,满足“被动房标准”的建筑,可以通过被动式太阳房的设计获得热量,也可以通过建筑立面的设计,使充足的阳光在冬季直接照射到建筑室内,所获得的太阳能就能够提供相当一部分采暖的热量。另外,建筑内的电灯、家用电器和厨房设施产生的热量都能为房间供暖,甚至人体自身产生的热量也可以维持房间的温度。
当然,这些都不是稳定的热源,所以建筑内一般也会有小型的采暖设施作为备用。通过加热新风或者安装小型低温热辐射器是常见的方式,采暖设施的热量可以通过小型的地源热泵、生物质燃炉、太阳能集热器等可再生能源设施来获得。
【被动房】主要技术措施
2014-12-16
引言
被动房标准( Passive House Standard)实际上是一个实现建筑超低能耗的设计标准,目前这个标准并非官方制定,而是研究者们达成的一个共识。在欧洲国家,要真正被认证为被动房建筑必须满足2条标准:
(1) 建筑每年的采暖能耗不超过15kwh/m2;
(2) 建筑每年总能耗(采暖、空调、生活热水、照明、家电等) 不超过120kwh/m2。
按照这些标准,建筑的冬季采暖能耗可以被减少到欧洲现有同类型建筑的10%以内,建筑每年的总能耗可以减少到30%以内,CO2的排放可以减少到50%以内。
目前的被动房项目中,设计和建造被动房建筑时主要致力于解决冬季的采暖问题,其设计理念的核心思想在于最大限度地减少建筑的热量损失。其技术措施可以归纳为以下4个方面。
加强建筑维护体系的保温性能
建筑围护体系主要由外墙、屋面和外窗组成,加强围护体系的保温性能是“被动房”建筑设计和建造中最为重要的技术措施。正如人在冬季最重要的御寒手段就是穿上保暖的衣服一样,这是一个非常简单的道理。而“被动房”正是充分发挥了这一原则,在考虑现有建筑材料的性能和价格的基础上,为建筑穿上一件最保暖的外套并把可能存在的“冷桥”尽量阻隔掉。建筑外墙和屋面是围护体系主体,在欧洲目前的“被动房”建筑中,外墙和屋面的保温材料较多地采用XPS 挤塑聚苯板以及岩棉等。为达到“被动房标准”,所采用的厚度都非常大。例如:德国达姆施塔特建成的第一座“被动房”建筑中,外墙采用275mm 的EPS 聚苯保温板,其传热系数为
0.14W/(m2·K) ;屋面采用了445mm 的岩棉保温,其传热系数达到0.1W/(m2·K) 。在其他已建成的“被动房”项目中,外墙和屋面的传热系数通常都在0.1W/(m2·K) 左右。
外窗的保温性能对玻璃和窗框要求都很高,在不少欧洲国家现有的建筑中,大多数采用双层中空玻璃和断桥铝合金的窗框,其传热系数为2.4W/(m2·K) 左右,还远远达不到“被动房”建筑对外窗的保温性能要求。目前已建成的“被动房”建筑中,建筑外窗通常采用3 层中空玻璃以及带保温夹层的窗框,其传热系数可达0.8W/(m2·K) 以下。在围护结构的阻热性能明显提高以后,“冷桥”就成为一个影响围护体系保温效果的重要因素。在现有建筑的设计中,“冷桥”也已经成
为一个被关注的问题,但是远没有在“被动房”设计中那样尽可能的被避免。在“被动房”建筑里,尽量避免“冷桥”存在。
提高建筑的气密性能
基于“被动房”的理念,建筑应该是一个尽量不受室外环境干扰的独立系统。因此,建筑围护结构应该具有可以隔绝室内外空气渗透的功能,这一点在冬季尤为重要,所以,“被动房”建筑与室外空气交换都是通过可以控制的机械系统来实现。建筑的气密性能对于“被动房”非常重要,它的密闭性除了可以降低热量损失以外,还可以控制室内环境的湿度和保护建筑结构。在“被动房”建筑的设计中,不少窗扇都是固定不可以打开的,部分可开启窗扇在关闭时也要满足很高的气密性要求。在“被动房标准”中有一条不做严格要求但是推荐采用的指标,就是在建筑的气密性测试(Blower Door Test)中,要求在室内外50Pa 压力差的情况下,每小时的空气渗透量不能超过建筑总容积的60%。在欧洲各国的现有建筑中,这一指标都还远不能达到要求,通常在200%-400%之间,而在德国达姆施塔特建成的第一座“被动房”建筑中,这一指标仅为30%,有效地减少了冬季热量的损失。
德国达姆施塔特“被动房”
机械送新风并进行热回收
当建筑的气密性能大大提高以后,适宜的通风换气方式对于“被动房”建筑就尤为重要了。要保持室内空气的清洁与健康,必须要满足一定的新风量,在欧洲各国中,新风量的指标从室内空气每小时换气0.4-0.9次,我国北京居住建筑节能设计标准中规定的冬季换气指标为0.5次,与欧洲各国的要求大致相同。在现有建筑中,开启窗户和门窗缝隙的渗透是现建筑冬季换气的常用方式,但这样无疑会带来大量的热量损失,并且产生室内吹冷风的不舒适感。在“被动房”建筑中,这一换气指标则完全需要通过机械通风的方式来完成,在每套住宅中,室内污浊的空气从厨房和卫生间的排风口排入风管中,新鲜空气则从起居室和卧室的送风口中进入房间。
把建筑排风中的热量回收,用以预热室外的新鲜空气并送入室内是实现“被动房标准”的关键技术之一,在欧洲目前使用的热交换器的热回收效率非常高,可以达到75%-90%的热回收率,所以传统建筑在冬季通风换气损失的热量在“被动房”建筑中很大程度上被避免了。新风排风热交换器的体积很小,通常装在建筑吊顶或者阁楼内就可以。由于“被动房”建筑对采暖所需的热量需求已经很少,所以甚至可以通过新风系统来调节房间的温度,经过加热的新风送入房间就足够保持设计的室内气温,这样,建筑内就可以完全不用安装传统意义的采暖系统了。
当然,在设计者看来,机械新风的另一个好处是可以保证空气的质量。在新风的处理过程中,除了可以回收热量以外,还可以过滤室外空气的尘土,控制空气的湿度,使空气的质量可以比自然通风的空气质量大大提高。所以,即使是在非采暖季节,在不必考虑热量损失的情况下,有不少建筑师还是坚持在设计中采用机械新风系统。
低热负荷的采暖方式
通过加强建筑维护体系的保温性能、提高建筑气密性、机械送新风并进行热回收,“被动房”建筑的冬季采暖需求已经被降到很低的程度,只需要很少的热量即可以达到室内的设计温度,有研究者在“被动房标准”中提出,“被动房”建筑的采暖热负荷应该低于10W/m2。这时候,作为被动式建筑的设计理念已经实现了,在这个基础上,为建筑提供采暖的热源就完全可以摆脱对传统采暖设备的依赖,设计者可以充分发挥想象力利用各种“免费”能源来为建筑提供热量。利用太阳能是最常见的方式,满足“被动房标准”的建筑,可以通过被动式太阳房的设计获得热量,也可以通过建筑立面的设计,使充足的阳光在冬季直接照射到建筑室内,所获得的太阳能就能够提供相当一部分采暖的热量。另外,建筑内的电灯、家用电器和厨房设施产生的热量都能为房间供暖,甚至人体自身产生的热量也可以维持房间的温度。
当然,这些都不是稳定的热源,所以建筑内一般也会有小型的采暖设施作为备用。通过加热新风或者安装小型低温热辐射器是常见的方式,采暖设施的热量可以通过小型的地源热泵、生物质燃炉、太阳能集热器等可再生能源设施来获得。