被动房之家
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【德国被动房史】

来源:泰诺风集团

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,仅通过围护结构保温就能实现比较舒适的室内环境。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。


按照该理念实现的第一件作品是1883年挪威建造的弗拉姆号基地考察船。这艘35m长、用橡木建造的考察船,载重量为800t,配有三桅风帆和220马力的柴油动力螺旋桨,曾是当时世界上深入极地最远的考察船。在南极、北极极度寒冷气候条件下,该船不需要开启采暖火炉,即可保持船体内较为舒适的温度。实现这一效果主要依靠优秀的保温构造,船壁和甲板构造厚度达40~50cm,由多层材料组合而成,窗户由3层玻璃构成。如今,这艘船作为一座博物馆在奥斯陆被保护下来。


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PART 01

德国节能发展史


在欧洲寒冷地区,建造一栋不用采暖就能过冬的房子,对很多人来说是梦想也是挑战。20世纪,在北欧和英国,有建筑师、工程师小范围地尝试建造不用采暖设备就可以过冬的住房。1973年,位于哥本哈根的丹麦科技大学建造了一栋试验性被动房建筑,实际上它还没有达到被动房的水平,只能被称作低能耗建筑,但它为后来被动房技术体系的完善积累了宝贵的经验。


早期的被动房实践暴露出许多问题,缺少高性能窗户,人们没有意识到建筑气密性的重要性,不少项目采用了复杂的技术设备和构造机关,使建筑后期使用围护复杂且成本高。


人们在不断摸索,尝试各种技术组合,进行理论研究、模拟计算,经过几十年的努力与实践,建筑节能技术和标准大幅提高。


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(备注:kF是uw的曾用名)



PART 02

德国低能耗建筑体系分类


德国低能耗建筑根据建筑能耗水平划分为三个等级,该能耗是指在达到相关规范所要求的建筑室内舒适度和健康标准的前提下,建筑物对一次性能源的需求量。


(1)低能耗建筑(low energy house),采暖能耗在30-70 KWh/m²·a,符合现在国家的强制建筑节能标准,建筑能耗主要表现在住宅,住宅标配有遮阳,基本没有空调。


(2)三升油建筑(three liter house),采暖能耗在15-30KWh/m²·a,这是一个比较形象的词,很多建筑是烧柴油采暖,三升油建筑是指每平方米每年用能耗少于三升油,折合过来大概是15-30KWh/m²·a。


(3)被动房超低能耗建筑(passive house),采暖能耗≤15KWh/m²·a,超低能耗被动式是一种手段,要求每平米的采暖能耗在15KWh以下。


除此之外,还有两个重要的概念,零能耗建筑(zero energy building)和产能建筑(plus energy building)。零能耗建筑通常是通过被动设计,使建筑的能源需求量降到很低,再进一步采用可再生能源,包括太阳能、生物质能等,覆盖所需能源,即自身产生能源和所需能源达到平衡,全年平衡下来不需要再依靠外部能源,达到零能耗建筑;产能建筑,采用可再生能源,包括太阳能、生物质能等,自身产生的能源除了能覆盖所需能源之外,还可以向外部输出能源。



PART 03

德国被动房的定义


在德国,被动房是指仅利用高效保温隔热、太阳能、建筑内部得热等被动技术和带有余热回收的新风装置,而不使用主动采暖设备、实现建筑全年达到ISO7730规范要求的室内舒适温度范围的建筑。根据这个定义,在设计中通常须满足图1所示的五个方面:


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图1


上述五种措施,使得整个建筑几乎整年都不需要主动采取任何供暖或者制冷措施就能保持室内舒适,这意味着,这些建筑是“被动的”。


当然,“被动”也不是指完全没有能耗,而是指一种智能设计:最小限度地利用复杂系统和不可再生能源来达成节能目标。



PART 04

德国被动房的气候分区与认证要求


德国被动房的气候区分布如图2所示,每个气候区的门窗的U值(Component U-value)要求、安装后的U值(U-value installed)要求和玻璃U值(Reference glazing)要求如表1所示:


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图2 德国被动房的气候区分布


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表1 德国被动房的认证要求



PART 05

德国被动房的节能效率等级


除了整窗Uw值、玻璃Ug值等常见热工性能参数外,德国被动房研究所(PHI)提出了一个新的概念:“ψopaqe”值,即“不透明部分的线传热系数”,其计算公式为:

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整窗Uw值达标的被动窗是依据通过不透明部分的热量流失进行评级的,其性能等级的影响因素有型材的Uf值、型材可视面积Af、玻璃边部的线传热系数ψg和玻璃边部周长Lg。在德国被动房研究所(PHI)的节能评级标准如表2所示。


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表2 德国被动房研究所节能效率等级评定标准


  • 当ψopaqe≤0.065 W/(m·K) ,节能等级为A+;

  • 当ψopaqe≤0.110 W/(m·K) ,节能等级为A;

  • 当ψopaqe≤0.155 W/(m·K) ,节能等级为B;

  • 当ψopaqe≤0.220 W/(m·K) ,节能等级为C。


按照这种评级方法,在被动窗开发过程中,仅仅考虑Uw值是不全面的。因为依靠高性能中空玻璃甚至真空玻璃来降低Ug值,以实现Uw值小于0.8 W/(m ²·K)的设计,会因为不透明部分线传热系ψopaqe值超标而降级甚至无法通过认证。所以型材Uf值和玻璃Ug值应该同步提升,共同完成被动窗的设计优化。


换言之,被动房用窗追求的是同时兼顾使用优质的型材、玻璃和间隔条,而不是仅仅通过取长补短来实现Uw值达标。


世界范围内被动房已经有很多应用,包括众多的公共建筑类型、办公建筑、学校、酒店、体育馆、博物馆、工业建筑,同时发展的不止是欧洲,包括亚洲、美洲等等区域。令人鼓舞的是这种技术前两年开始引入中国,在中国已经建成了几十栋非常成功的被动房建筑,包括像在秦皇岛这样寒冷的地区,一栋建筑十八层,不用采暖,室内可以达到20度以上,房子盖起来之前大部分的人包括很多业内的人都是不可能实现的,但是已经盖起来了,而且运行的非常好,现在国内有很多的尝试。