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徐偉:被動式超低能耗建築國內外發展
(附中國近零能耗建築技術標準與工程實踐)
 
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    2015年12月3日,第21次聯合國氣候變化大會(COP21)在巴黎召開,大會首次將建築單獨列為議題,在官方日程中舉辦為期1天的“建築日”研討會,來自相關機構的200位代表參加會議。會議主辦方聯合國環境署表示:建築全壽命期產生的碳排放占全球碳排放總量的30%,如按現有速度繼續增長,到2050年,建築相關碳排放將占全球碳排放總量的50%,針對建築物展開專項節能減排工作非常必要。
    聯合國環境署專家表示:通過建築節能標準不斷提升和用於建築設計階段的可視化建築碳排放計算軟件不斷普及,引導新建建築和既有建築逐步提高節能減排性能,使其在規劃設計階段較原有水平降低能源使用70%-80%,邁向超低能耗建築,再通過可再生能源滿足剩餘20%-30%的能源需求,最終使新建建築和既有建築在2030-2050年達到碳中和。考慮到我國目前經濟發展水平及建築業普遍情況,我國推廣超低能耗建築的原則為“被動優先、主動優化、經濟實用”,因此我國超低能耗、近零能耗建築目前也統稱為“被動式超低能耗綠色建築”。本文對國際超低能耗體係、我國推動此類建築的特殊性及推廣情況和未來發展重點進行了介紹。
 
1、國際被動式超低能耗建築發展
 
    建築能耗的邊界可以劃分為兩個,第一個邊界為建築能量需求邊界,在這個邊界上建築物同室外環境進行能量交換,如太陽輻射和室內得熱、圍護結構與室外環境之間的能量交換,在這個邊界上的能量需求AG视讯平台定義為負荷,即滿足建築功能和維持室內環境所需要向建築提供的能量(冷、熱、電);第二個邊界是建築能源使用邊界,在這個邊界上建築的電力、供暖、空調等能源係統提供建築需要的能量所消耗的化石能源(圖1)。
 
圖1 建築能量邊界的劃分
 
    現階段實現建築的超低能耗主要在建築的兩個能量邊界上采取相應的技術措施,技術措施的側重點的差異產生了不同的低能耗建築概念。而被動式低能耗建築強調在建築能量需求邊界上采取措施最大程度地降低建築能量需求,最小程度地依賴建築能源係統,進而降低建築的能源消耗。被動式超低能耗建築的理念認為降低能耗的關鍵在於減低需求,而不是提高能源供應的數量和效率。起源於德國的被動房(Passive House)就是秉承這一理念的高性能建築標準,德國被動房理念又被其他多個國家學習和借鑒並在世界範圍內推廣和應用。
 
1.1 德國
    德國被動房的概念最早源於瑞士隆德大學的Bo Adamson(1986年)參加中瑞合作項目工作時,為改善我國長江流域室內建築環境惡劣的現狀提出的解決方案。1988年被動房概念首次被提出,1991年第一棟被動房在德國達姆施塔特被建造,經曆了20多年的發展,德國被動房已經成為具有完備技術體係的自願性超低能耗建築標準。目前,已經有60000多棟的房屋按照被動房標準建造,其中有約30000棟建築獲得了被動房的認證,主要以住宅為主,也有辦公、學校、酒店等類型的建築。
    德國被動房研究所(passive house institute,PHI)是被動房研究和認證的權威機構,其對被動房的定義為“被動房是一個節能、舒適的建築節能標準,比既有建築節能90%以上,比新建建築節能75%以上;利用高性能圍護結構、太陽得熱、熱回收等技術使建築不再需要傳統的供熱係統,並通過通風係統供應持續的新風。”從定義可以看出,被動房通過采用高性能的圍護結構將建築熱需求降低,僅需充分利用太陽能和室內的得熱即可解決冬季供暖問題。同時通過采用高效熱回收係統的新風係統向室內提供清潔的新鮮空氣,營造良好舒適的室內環境。即使在極端寒冷的前期下,被動房僅需要使用很少的輔助能源就能滿足室內舒適度要求。可以看出被動房主要著眼於解決冬季供暖問題,所應用技術也以解決供暖為主,對應用在夏季需要主動供冷的地區的研究較少。
    德國被動房的認證要求簡潔凝練,其認證的要求為:
    1、供暖能耗:供暖能耗≤ 15kWh/(m2•a)或熱負荷≤ 10W /m2;當采用空調時,對供冷能耗的要求與供暖能耗一致;
    2、建築一次能源用量≤120 kWh/(m²a);
    3、氣密性必須滿足N50≤0.6(注:即在室內外壓差50Pa的條件下,每小時的換氣次數不得超過0.6次);
    4、超溫頻率≤10%(注:超溫頻率定義為全年室內溫度高於25℃的小時數與全年時間的比值)。
    被動房認證中僅需要對建築氣密性進行實際測試,其他參數僅通過計算即可,因此被動房並不對建築實際能源消耗進行要求。
    在被動房的設計和認證的過程中PHPP( Passive House Planning Package)對認證結果的權威性提供了重要的保障,PHPP是一個能夠進行建築熱工、冷熱負荷、能耗、通風等計算的工具包,另外PHI還對被建築材料、建築設備、認證工程師、設計單位、施工單位進行了認證。保證了被動房認證結果的可靠性和權威性。德國被動房標準體係作為被動超低能耗建築標準體係中最為成熟的一員,在世界範圍內受到極大的關注,很多國家都學習和參考德國被動房體係開展適用於本國特色的建築標準體係的研發和推廣。
 
1.2 丹麥
    由於對全球變暖的擔憂和對長期能源供應安全的渴求,上世紀90年代,丹麥政府提出“到2050年丹麥將成為化石能源零依賴的國家”。建築節能被作為實現這一目標的核心手段,丹麥通過提出嚴格的建築節能要求,加強對既有建築改造,稅收政策調控等政策措施,建築能耗大幅下降。近年來丹麥政府通過不斷提高建築節能標準要求,推進超低能耗建築的普及,開展建築節能工作。由丹麥企業主導的主動房(Active house)自願性超低能耗建築技術標準在歐洲同樣擁有重要的影響力。
    主動房建築理念是威盧克斯集團提出了一種應對能源和氣候挑戰的前瞻性理念該理念倡導建築應該實現氣候平衡、居住舒適、感官優美、具備充足的日光照明和新鮮的空氣,即實現能耗效率與最佳室內氣候之間的平衡,同時保證建築以動態方式適應周圍環境,實現碳中和。在這一理念指導下,建築將自主生產能源,以可持續地利用資源,有效改善人們的健康水平和居住舒適度。主動房與被動房相比,在強調降低建築能量需求的前提下,更強調可再生能源在建築中的應用。目前在全球範圍內已有建成和在建主動房40餘棟。並顯現出快速增長的態勢。另外,2000年丹麥也引入了被動房的理念,被動房的認證參考了德國被動房的標準和指標,認證由德國被動房研究所的合作單位丹麥被動房研究所負責。
 
1.3 瑞士
    瑞士政府通過支持研究機構推廣超低能耗建築。Minergie是由瑞士政府支持的一係列超低能耗建築技術標準。1994年Minergie的理念被提出,同年兩棟示範建築完成。1997年Minergie理念獲得瑞士政府的認可。2001年參照德國被動房技術體係的Minergie-P標準發布。截止到2009年,約有15000棟建築獲得了Minergie認證。Minergie標準體係由Minergie、Minergie-p、Minergie-A和Minergie-ECO等組成。其中Minergie-p標準是在德國被動房技術標準上進行了適當的調整以適合瑞士的氣候條件和國情的被動式超低能耗建築標準,Minergie-P相比於德國被動房標準,對不同類型建築的供暖能量需求分別做了詳細規定。並對增量成本及熱舒適做了規定。
 
表1 Minergie-P主要性能要求
 
表2 minergie-P不同建築類型的供暖能量需求規定
 
1.4 韓國
    2014年7月,韓國政府發布《應對氣候變化的零能耗建築行動計劃》,完成了世界第一個國家級零能耗建築研究推廣的頂層設計,分析了零能耗建築推廣的障礙,提出零能耗建築發展目標和具體實施方案,明晰了零能耗建築財稅政策及技術補貼。同時,韓國設立國家重點研究計劃,建立國家級科研團隊進行零能耗建築技術的研發,完成示範工程,建立零能耗建築認證標準。本文針對韓國零能耗建築發展的現狀,對韓國零能耗建築的定義、發展目標及規劃、財稅政策、重點研發計劃、典型示範項目及認證標準進行了研究。
    在韓國,“零能耗建築”定義為“將建築圍護結構保溫性能最大化從而將能量需求降到最低,然後使用可再生能源供能,從而實現能源自給自足的建築”。
    為了加速推動零能耗建築,韓國將廣義的“零能耗建築”具體劃分為三種類別,分別是“低層零能耗建築”(Low-rise Zero Energy Building)、“高層零能耗建築”(High-rise Zero Energy Building)以及“零能耗建築社區”(Zero Energy Building Town)。
“低層零能耗建築”,指層數小於8層,全年供冷、供暖、照明和通風能耗能實現自給自足的建築。
    “高層型零能耗建築”,層數大於等於8層,建築物需要通過最大化的使用自身可提供的可再生能源係統以滿足所需的供冷供暖需求,不足的部分可以由附近學校、公園內的可再生能源裝置補充。
    “零能耗建築社區” 指高新智能化的零能耗城市,將零能耗建築的規模從單體建築擴展到了城市社區。
    考慮到當前國家經濟技術水平,零能耗建築的推廣實施不能一蹴而就,為此,韓國製定了詳細的階段性發展目標。
2009年7月6日,韓國政府頒布了“綠色增長國家戰略及五年計劃”,針對零能耗建築目標做出三步規劃:到2012年,實現低能耗建築目標,建築製冷/供暖能耗降低50%;到2017年,實現被動房建築目標,建築製冷/供暖能耗降低80%;到2025年,全麵實現零能耗建築目標,建築能耗基本實現供需平衡。
 
1.5 其他國家
    德國被動房被作為被動式超低能耗建築理念的重要的參考標準在世界範圍內被廣泛吸收和應用,除上述的丹麥和瑞士外,其他國家推廣被動式超低能耗建築的方式可以分為三類,第一類為直接應用德國被動房標準,如挪威、新西蘭、英國、加拿大等國,第二類為根據本國的氣候條件和國情在德國被動房的基礎上進行調整,如奧地利、芬蘭、意大利等國家,第三類國家僅接受被動式理念,針對本國情況重新開發,如美國、瑞士等。
    被動式超低能耗建築作為更高節能性能建築,是建築節能的中短期目標,歐美發達國家均將超低能耗建築作為建築節能的發展方向和現有節能標準的重要補充。為全麵提升建築能效儲備技術和AG视讯平台产品。被動式超低能耗建築是目前歐美建築節能研發和應用的重要領域,歐美主要國家已經或正在製定適應本國國情的被動式超低能耗建築技術體係。
 
2、我國開展被動式超低能耗建築應用的特殊國情
 
    中國作為一個曆史悠久、國土廣袤的多民族發展中大國,在室內環境、建築特點、居民生活習慣和建築用能強度等方麵與國外相比都有獨特之處,且無發達國家成熟經驗可供參考,這些都增加了我國被動式超低能耗建築技術體係的研發難度。
2.1 室內環境標準和生活習慣
    我國是一個發展中國家,經濟發展不均衡,不同氣候區居住建築室內環境有著較大的差異,但整體低於發達國家。主要體現在室內溫度不達標、新風量不足。歐美發達國家大多嚴格規定滿足用戶的新風量,為了保證送風量的穩定,一方麵增加建築的氣密性要求,同時使用機械通風保證新風量的供應,在我國開窗是居住建築獲得新風是最普遍的方式,並不對室內新風量進行嚴格要求。在室內溫度方麵,我國夏季室內溫度顯著高於歐美,冬季室內溫度普遍偏低,調查表明,冬季嚴寒和寒冷地區集中供暖的建築室內溫度普遍在18℃以上,但夏熱冬冷地區室內溫度基本在10℃以下,該地區供暖設施並不普及,室內濕度主要分布在60—90%之間,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,空調係統間歇運行,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築追求歐美的全空間全時間的高舒適度,對室內環境標準進行大幅度的提升勢必導致建築能耗的快速上升,因此我國被動式低能耗建築指標體係必須立足於國情,在尊重居民生活習慣和降低建築能耗的前提下,適當地提高建築環境標準,營造適合我國居民的健康舒適的室內環境。
 
2.2 氣候特點
    不同於德國的單一氣候,我國地域廣闊,橫跨多個氣候帶,五大建築氣候分區氣候特點差異大,表3展示了不同氣候區城市間以及中德城市間巨大的氣候差異,從氣候數據可以看出,對我國不同氣候區進行統一的能耗要求是不科學的。從緯度上看柏林比哈爾濱更靠近北極,但其冬季供暖度日數與沈陽接近,供冷度日數與哈爾濱相近,也就是說德國相比於我國同緯度的地區氣候更加溫和,供暖為主而空調需求較小。從數值上看,德國夏季基本無需空調,我國多數地區夏季存在空調需求。而且,從供暖度日數和供冷度日數上來看,我國不同氣候區差異大,東西南北的供暖和空調需求極不均衡,因此我國不同氣候區氣候的差異使得全國無法實施統一的被動式超低能耗建築能耗指標,德國被動房指標體係更是無法適用。
 
圖2 北京與柏林月平均溫度對比情況
 
表3 中德主要城市供暖度日數和供冷度日數
 
    注:HDD18.3:一年中,當某天室外日平均溫度低於18.3℃時,將低於18.3℃的度數乘以1天,並將此乘積累加。
    CDH26.7:一年中,當某時刻室外溫度高於26.7℃時,將高於26.7℃的數值進行累加。
 
2.3 建築特點
    我國居住建築與歐美存在顯著差異,國內大型城市新建城鎮住宅建築以高層建築為主,中小型城市以多層住宅為主,從分布來看,多層住宅是我國住宅的主要形式,高層住宅的比例在不斷的提升。歐美居住建築普遍為三層及三層以下的別墅,德國約85%(以麵積計算)的居住建築為三層和三層以下(Villa),15%為中高層公寓(Aparment)。與德國建築相比我國建築密度大,容積率高,公共空間麵積大,公共外門頻繁開啟,導致了能耗特點的明顯差異。
    我國住宅空置率偏高是另一個對被動式超低能耗建築指標體係產生重要影響的因素,統計數據表明我國住宅的空置率在20%~30%變化。2007年對北京50個2003年~2006年入住的小區調查表明,空置住房占被調查住房的比例高達27.16%,而且空置率從市中心向外逐漸升高的現象明顯。空置率過高導致的戶間傳熱損失大和集中設備負荷率低對建築能耗產生重要的影響,因此我國的被動式超低能耗建築技術體係應考慮我國獨特的建築特征的影響。
 
2.4 建築能耗特點
    不同於發達國家的高舒適度和高保證率下的高能耗,我國建築能耗特點為低舒適度和低保證率下的低能耗,且我國不同年代建築能耗強度差異大。統計數據表明,英法德意四國普通居住建築單位麵積能耗為35kgce/m2•a(一次能源消耗量約為285kWh/m2•a),我國普通城鎮居住建築單位麵積能耗僅為14.5kgce/m2•a(一次能源消耗量約為118kWh/m2•a),現有居住建築的能耗本來就滿足德國被動房一次能源消耗≤120kWh/m2•a的要求。不可否認,隨著生活水平的提高,建築能耗強度會有所上升,但就現階段而言,德國被動房指標體係中的一次能源消耗量要求對於我國是不適用的。
 
3、中國被動式超低能耗建築指標體係的建立
    在立足於我國基本國情,吸收和借鑒歐洲被動式低能耗建築體係的基礎上,細致分析國內現有被動式超低能耗建築試點工程,充分考慮經濟發展水平、產業情況、建築特點、居民生活習慣的因素,科學合理地製定了中國被動式超低能耗建築指標體係。該體係以控製性性能要求作為核心評價標準並推薦對應指標的技術和做法,對室內環境要求、能耗指標等進行了科學嚴謹的規定。我國被動式超低能耗建築的定義為“被動式超低能耗建築指通過最大限度提高建築圍護結構保溫隔熱性能和氣密性,充分利用自然通風、自然采光、太陽輻射和室內非供暖熱源得熱等被動式技術手段,將供暖和空調需求降到最低,實現舒適的室內環境並與自然和諧共生的建築。”
 
3.1 健康舒適的建築室內環境標準
    營造健康、舒適的室內環境是被動式超低能耗建築的核心目的之一。就像保溫瓶的保溫原理一樣,被動式超低能耗建築的高保溫性能的外圍護結構使室內能夠保持適宜的溫度。無論是寒冷的冬季還是炎熱的夏季,被動式超低能耗建築通過被動技術措施使室內溫度在適宜的範圍內波動。在我國傳統的習慣中,居民在室外環境適宜時,通過開窗調節室內的環境。
    在自然通風的環境下,人可以獲得滿意的舒適度,這也是被動式超低能耗建築追求的目標,而當室外氣象條件無法通過自然通風滿足人體的熱舒適要求時,主動供冷或供暖係統將啟動,用以保持適宜的室內環境。被動式超低能耗建築通過高效的新風係統能夠在室外環境不適宜開啟外窗自然通風的時,以極低的能源消耗,在保證室內溫度恒定的前提下,提供充足、健康、新鮮的空氣,新風量不少於30m3/(h•人)保證室內良好的空氣品質,因此,被動式超低能耗建築能夠提供充足健康的新風。
    被動式超低能耗建築使用被動式技術在所有的氣候區都能夠營造健康和舒適的室內環境,它通過供暖係統保證冬季室內溫度不低於20℃,在過渡季,通過高性能的外牆和外窗遮陽係統保證室內溫度在20-26℃之間波動,在夏季,當室外溫度低於28℃、相對濕度低於70%時,通過自然通風保證室內舒適的室內環境,當室外溫度高於28℃或相對濕度高於70%時以及其它室外環境不適宜自然通風的情況下,主動供冷係統將會啟動,使室內溫度≤26℃,相對濕度≤60%。當然,在一些氣候區,被動式超低能耗建築可以不使用主動供暖或供冷係統也可以保證室內有很好的舒適度,當不設供暖設施時,要求過冷小時數≤10%,當不設空調設施時,要求過熱小時數≤10%。例如,在嚴寒地區,僅通過被動式技術就可以保證夏季室內保持舒適的溫度,或是在夏熱冬暖氣候區,良好的圍護結構使得冬季不采用主動供暖係統,改善冬季室內溫度偏低的情況。我國被動式超低能耗建築的室內環境較現有水平有較大的提升,但不盲目追求歐美過高的舒適度和保證率。
注:【過冷小時數】全年室內溫度低於20℃的小時數占全年時間的比例;
       【過熱小時數】全年室內溫度高於28℃的小時數占全年時間的比例。
 
3.2 科學合理的主要控製性性能指標的製定
    控製性性能指標作為被動式超低能耗建築技術體係的核心,其科學合理對被動式超低能耗建築的發展有著至關重要的意義。控製性性能指標由單位麵積年供暖量和年供冷量要求、氣密性要求、供暖空調和照明年一次能源消耗三項指標組成,單位麵積年供暖量和供冷量要求主要立足於通過被動技術將建築物的冷熱需求減低到最低,低至僅新風係統即可承擔建築的冷、熱負荷,不再需要傳統的供熱和供冷設施,尤其是集中供熱,使被動式超低能耗建築的經濟性產生質的變化。氣密性要求主要是保證建築物在需要時能夠與室外環境有良好的隔絕,當建築的圍護結構足夠好時,室外空氣滲透就成了影響建築室內環境的主要因素。而良好的氣密性可以降低建築室外環境對室內環境的影響,如在供暖和供冷或當室外PM2.5超標時,室內環境需要與室內環境完全隔絕,此時良好的氣密性;一次能源消耗指標則是要求在建築物在能量需求極低的前提下,能源消耗最少。根據國內外被動式超低能耗建築工程實踐情況,在考慮技術措施適宜性和氣候特點的前提下對我國不同氣候區典型城市典型被動式超低能耗建築進行優化設計,其中年供熱量和供冷量的計算結果見圖3。
 
圖3 我國不同氣候區典型城市典型被動式超低能耗建築年供熱量和供冷量計算結果
 
表4 不同氣候區典型城市氣象參數
 
    從計算結果可以看出,我國絕大多數地區有空調需求,通過采取不同的技術措施,建築的年供暖量都可以控製在15kWh/ m2•a以下,但南方地區年供冷量需求依然較大,在上述研究成果的基礎上初步確定了被動式超低能耗建築的控製性性能指標,主要控製性指標如下。
 
表5 不同氣候區控製性指標要求
 
1、年供暖量、年供冷量滿足表5要求;
2、年供暖、空調和照明總一次能源消耗量≤45 kWh/m2.a/(5.6kgce/m2.a);
3、氣密性必須滿足N50≤0.6。
注:1.N50≤0.6,即在室內外壓差50Pa的條件下,每小時的換氣次數不得超過0.6次。
 
    被動式超低能耗建築作為更高節能性能的建築,在舒適、健康和節能方麵有著獨特的優勢。通過采用適宜的技術在不同氣候區都能提高室內環境並大幅度減少建築的能源消耗。通過對被動式超低能耗建築和滿足國家標準的新建建築進行能耗模擬分析計算(計算結果見圖4和圖5)可以看出,在嚴寒和寒冷地區,被動式超低能耗建築同執行國家現行建築節能標準的新建建築相比,供熱需求量降低75%以上並大幅減少空調使用的時間,在夏熱冬冷和夏熱冬暖地區,被動式技術的應用使得冬季在降低供暖能耗的前提下,室內環境大幅度改善,冬季室內溫度在18℃以上,與此同時,夏季空調能耗降低50%以上,而在溫和地區,被動式超低能耗建築在不使用主動供暖空調技術的前提下,改善冬夏室內環境,提高建築舒適度。
 
圖4 年供暖量計算結果
 
圖5 年供熱量計算結果
    但就節能效果、技術難度和經濟性而言,被動式超低能耗的推廣的次序應該為嚴寒和寒冷地區,夏熱冬冷地區,夏熱冬暖地區。
 
3.3 主要技術措施
    被動式超低能耗建築的核心要素是以超低的建築能耗值為約束目標;具有高保溫隔熱性能和高氣密性的外圍護結構;高效熱回收的新風係統。被動優先、主動優化、使用可再生能源是實現被動式超低能耗建築的基本路線,它並不是高科技的堆砌,其更重要的內涵是回歸建築的根本,科學規劃設計和精細施工,建造高品質的精品建築。
    被動式超低能耗建築主要依賴高性能圍護結構、新風熱回收、氣密性、可調遮陽等建築技術,但實現被動式超低能耗的難點主要在技術的適宜性和多種技術的集成,是如何提供一個基於被動式理念的係統解決方案。被動式的核心理念強調直接利用太陽光、風力、地形、植被等場地自然條件,通過優化規劃和建築設計,實現建築在非機械、不耗能或少耗能的條件下,全部或部分滿足建築供暖、降溫及采光等需求,達到降低建築使用能量需求進而降低能耗,提高室內環境性能的目的。因此,實現被動式超低能耗建築需要更加科學合理的進行建築設計,建築師與暖通工程師的緊密配合,確定合理的建築方案和設計,利用性能化設計方法提供實現既定目標的係統解決方案,提升建築設計的科技含量和附加值。
(本文收錄於中國城市科學研究會主編的《中國綠色建築2016》,作者係中國建築科學研究院環境與節能研究院院長)
 
中國近零能耗建築技術標準與工程實踐
徐偉
(為避免幹擾,建議佩戴耳機。)
 
 
 
 
嘉賓演講PPT
(來源於第12屆國際綠色建築大會分論壇)