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跟着菲斯特教授学被动房【一】

来源:沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心作者:沃尔夫冈·菲斯特

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《德国被动房基础理论》课程,共8节,由德国被动房研究所沃尔夫冈·菲斯特教授讲授,沈阳建筑大学夏晓东讲述,柴泽宾翻译,沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心录制。本课程已获授权,转载必究。



第一节   被动房概述

课程PPT及讲义


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第一节 被动房概述


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首先,我们来看一个例子。这是一个咖啡壶及其加热装置,这不是一个建筑,但是作为研究物理的学者呢,我们认为很多事物可以通过物理学来解释,那么这样一个咖啡壶和我们的建筑有很多相似之处。咖啡壶内咖啡的热量会通过壶的外壳向周围散发热量,通常我们的肉眼是看不见这样的热量散失的,但是在红外热像仪的帮助下,我们可以清晰地看到热损失。


通过这个照片呢,就可以解释为什么我们的咖啡放在室内,逐渐会变凉了。咖啡变凉是由热量散失造成的,如果咖啡没有热量散失,咖啡是不会凉的。为了使咖啡壶内的咖啡保持一定的温度,需要通过加热装置在咖啡壶底部进行加热,来弥补咖啡壶外壳的热量损失。通常我们需要使用电厂发的电来完成这样能量补充。如果电厂所发的电来自于燃煤,那么将排出大量的二氧化碳。那么如何解决咖啡变凉这样一个问题呢?一个非常好的方法就是使用保温壶,从这张红外热成像图片上呢,我们可以看到,虽然保温壶仍然有一部分是高于环境温度的,但是它的热损失已经非常的低了。


这两种保持咖啡温度的方式,一种叫做主动式,也就是靠加热补充热损失的方式,另一种叫做被动式,也就是通过提高容器的保温性能来维持温度,这样保温壶内的咖啡可以保持几个小时的温度,那么我们认为,从某种意义上讲,被动式是一种非常明智的选择。那么,我们身边大约95%的建筑存在上述咖啡壶的现象,也就是说绝大部分建筑的外壳保温性能不够好。


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我们来看另外两个例子,通常汽车跑100公里大概消耗7升油,这张图片是德国研发的一款超级节能的汽车,它的百公里耗油量仅有1升油,他的能效要比普通的车高5倍多,但很遗憾,这辆车买不到,因为生产商不准备生产这种车,因为生产商给出的解释是,现在的车已经很节能了,这种车可能十年以后才开始生产。这就是由于某些商业的原因,致使我们已经知道应该怎样做,或者怎样做是对的,但仍然不能马上就去做。


在德国北部地区,普通的建筑能耗大约在10升油左右,这张图片呢是在1990年的时候,我和瑞典的阿达姆森教授建造的第一栋被动房,这栋建筑的能耗大约在1升油左右,能效比普通的建筑高了10倍。和上面的汽车相比,我们有一个好的消息,我们可以买到这样能效非常高的房子,因为被动房的理论全部是公开的,我们甚至可以自己去建一栋这样的房子。被动房并没有那么神秘,我可以告诉大家怎样建造这样的房子。


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这张图是欧洲能源消耗的比例图,它是以百分比的形式反映出来的,我们可以看到,大约三分之一的能源消耗在了交通中,大家可以想象一下,如果汽车生产商能够生产上面那种百公里1升油的汽车,那么交通的能源消耗将会减少多少,但是汽车生产商总是说十年以后再生产,遗憾的是我们等了30年也没有等到这种汽车面世。另外三分之一的能源消耗是用来给建筑供暖的,在中国采暖的能耗大约在20%左右,但是近年来随着中国房地产业的蓬勃发展,越来越多的新建建筑被建造出来,而这些建筑并不是很节能的建筑,因此近年来中国的建筑能耗呈极速的上升趋势,而在中国,大部分的采暖能耗来自于燃煤,这也造成在冬季会出现严重的空气污染问题。


在全球范围内,污染问题和碳排放问题导致了地球平均温度的上升,如果任由这种趋势蔓延20-30年,那么我们的子孙将会面临一种非常艰难的生存环境。但可喜的是,目前与汽车生产商相比,至少我们可以通过降低建筑能耗来大幅度降低碳排放,从而为环境的改善做一点贡献。


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让我们来详细看一下德国建筑的能量消耗,图中纵坐标为单位面积的一次能源消耗量,也就是每平方米消耗多少千瓦时。红颜色的是建筑的采暖能耗,黄色的是通风能耗,蓝色的是生活热水能耗。


最左边的一列是德国1980年之前的老建筑,他的能耗非常的高,采暖能耗接近250千瓦时每平方米,德国政府不断的提高新建建筑的能效标准,从降低20%、50%、到降低75%,尽管新建建筑的能耗在不断降低,但与最右面一列被动房的建筑能耗相比,仍然还是很高。


从图中可以看出,被动房比75%标准的建筑能耗还要节约70%的采暖能耗,只有把能耗降低到被动房这样的标准,才能使通过可再生能源为建筑提供采暖能源成为可能。在这里我们先不讨论怎样通过可再生能源为建筑供能,我们着重讨论怎样使建筑的能耗节约下来。在德国已经开始对老建筑进行节能改造,那对老建筑进行改造的成本呢,会比按照被动房标准新建的建筑的成本要高很多。


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改造成为被动房远比新建被动房昂贵的多,让我们看几个例子。几乎大部分的建筑都可以建造成被动房。这是德国的家庭住宅,左上角这张是德国北部地区的砖砌被动房建筑,右上角这张呢是在德国中部地区的预制混凝土被动房建筑,左下角的这张是预制木结构的被动房,右下角这张也是木结构的被动房,它采用的保温材料是回收纸,我们在后面会讲到这栋建筑。说到这里呢,我们想说被动房可以适宜各类建筑结构形式、各种建筑外观形式和不同的施工方式。


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这里我们看一看在德国的多高层建筑案例,所有项目均是得到被动房认证的项目,也是不同的风格,大部分的建筑都是混凝土结构的建筑。


【P8】


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这是中国河北高碑店由龙湖地产开发的列车新城被动房项目,这是一栋30层的高层居住建筑案例,这也是经过被动房研究所认证过的项目。


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这是中国山东青岛中德生态园的一个被动房项目,这是中国第一栋获得被动房研究所认证的被动式办公建筑,这栋建筑监测了近两年的数据,也证明了被动房技术在办公建筑中同样适用。


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但是在欧洲我们遇到了不同的问题,在欧洲没有大量的新建建筑,每年新建的建筑大概占比仅有1%左右,既有存量的老建筑不得不面临改造问题,这些图片是改造后的一些建筑,有一些改造后看上去像是新建建筑,而也有一些建筑改造后仍然保持了原貌。改造后的能效是改造前的5倍左右,同样改造要比新建建筑成本高很多。目前中国大量建造的高能耗的新建建筑将会在20年后面临同样的改造问题,但那时可能会更贵,因为从德国的经验来看,在上世纪八十年代没人知道可以有更节能的技术和方式来建造建筑,但是现在我们都知道有更加节能的建筑技术,但是遗憾的是受多方面因素的影响,我们依然在建造大量的不节能的建筑。


在这里,我想套用任正非的一句话来解释既有建筑改造的问题,任正非说“存量改造永远是最重大的机会,但只有突破了才有改造存量的可能性。”任总说的突破实际上是对改造技术突破了,对于既有建筑节能改造来讲,如果依然沿用传统设计思维和施工方式,必然会造成改造成本大幅增加。所以,对建筑节能改造关键技术的突破,是我国建筑节能事业将来要面临的一个重大课题。


【P11】


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在本次系列讲座中,我们将展示建筑节能背后的建筑物理问题,因为只有更好的理解了建筑物理的常识,才能在建筑设计中达到事半功倍的效果。那么我们将建筑进行简化,简化成这样一个圆的形式,在中国的严寒、寒冷、夏热冬冷等地区,冬季室外温度很低,而我们需要保持室内的舒适温度,这和刚才讲的咖啡壶是一个道理的,一种方式是依靠主动式加热不断补充能量,另一种方式是被动式的,也就是提高建筑外壳的保温。


在建筑的热损失方面,主要的一种形式是热传导,热量会从高温一侧通过建筑的外壳流向低温一侧,建筑的外壳也就是外墙、外窗、屋顶、地面等划分室内外的构件,也称作建筑外围护结构。另外一个较大的热损失是空气流动的热损失,室内外的空气流动和交换带走了室内的热量,不管是开窗、开门或者是建筑中的缝隙等,都会造成空气流动的热损失。那么这么多热损失会降低室内的温度,这就是为什么建筑需要采暖,如果我们有效地避免这种热损失的话,我们就有可能会实现建筑不需要采暖。


在建筑得热方面,太阳能得热是最为直接有效的,尤其是在冬季太阳的热量是非常宝贵的。我们室内的家电设备和人体也是重要的室内热量来源,因为人体的体温要高于环境温度,我们使用的电脑等设备在放热。这两种得热是免费的,称作建筑的免费得热。当建筑的免费得热不能弥补建筑热损失的时候,就需要补充建筑的采暖能耗。


那么这个关系就是建筑的能量平衡,也就是建筑的热损失和建筑的热补充是总体平衡的,也就是ΔU=0,这也是我们能够进行能量精确计算的理论基础。


【P12】


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接下来我们看一个例子,这是一栋在1929年建造的德国老建筑,右侧图表反映出了这栋建筑的能量平衡关系,总体热量消耗在220多KWH/m2a。右边一栏显示出了太阳能得热(黄色)、室内得热(橘黄色)和建筑采暖能耗(红色部分)大约在200KWH/m2a,这些红色的部分是补充到建筑里面采暖的能量。


左边一栏我们可以看到这些热量都是在哪些部位损失的,比如建筑的外窗、外墙、屋顶、地面、通风等各占一定的比例。那么这栋建筑这么高的能源消耗,就需要德国从其他国家进口大量的石油和天然气才能满足。


【P13】


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下面这张图片是改造成被动房之后的效果,建筑师并没有改变太多外观,给建筑加了保温层,更换了外窗和设备。右侧图表显示了改造后的建筑能耗比例及总量变化,他比改造前节约了87%。很多人质疑这个数据的真实性,但下面的图表显示了冬季(从十月份到第二年五月份)采用PHPP能耗软件计算的采暖能耗值,也就是浅蓝色的图标,和实际能耗监测值,也就是深蓝色的方块的对比。这里介绍一下,PHPP软件是德国被动房研究所开发的一个能耗计算软件,它是一个基于EXCEL表格的计算软件,用于计算建筑的能量消耗。监测的结果显示出这栋建筑的实际用能值略少于PHPP能耗软件计算值,这是因为每一年的室外气温变化略有不同,而我们能耗计算中的气象参数选择的是典型气象年的数据,而实际气象年与典型气象年是略有偏差的,但总体来看基本与设计值相符。


【P14】


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上面我们介绍了被动房的基本理念,下面我们来看被动房是如何实现这一理念的。这是一张典型的住宅建筑的剖面图,这张图我们会在后面看到很多次。这里有一层、二层和屋顶空间,起居室、卧室等。


那么我们来看一下达到被动房标准都有哪些必要的条件。第一是高性能的建筑保温隔热,建筑的保温应该尽可能连续完整地包裹住建筑的外壳,这样会减少不透明围护结构的热损失;


第二是尽可能地避免热桥,通俗地讲,热桥就是在建筑外围护结构中热损失比较大的部位,比如外墙转角、屋顶与外墙交接处、外墙与门窗框交接处等;


第三是高性能的外门窗,高性能的门窗可以降低透明围护结构部分的热损失,因为玻璃是透明的,因此我们将外门窗也叫做透明围护结构;


第四是提高建筑的气密性,提高建筑的气密性之后,就可以有效控制室内外的空气渗透,使室内外的空气流动变得有组织;


第五是带热回收的新风系统,因为气密性提高之后室内需要新风机提供新鲜空气,同时需要排出室内的一部分污浊的空气,那么补充进来的新鲜低温空气与排出的室内高温空气需要进行热回收,热回收效率至少要大于75%,甚至可以更高,这样就有效地降低了新风的能耗。


做到以上五点,就可以基本达到被动房的性能,下面我们进一步讨论这五点或者是五个规则的重要性。


【P15】


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第一个规则,高性能的建筑保温隔热。


这张图片是不同结构形式的建筑外墙节点,从左向右依次为,木结构墙体、混凝土墙体、加气混凝土墙体、砖或砌块墙体和免拆模的混凝土墙体,不管哪种结构的墙体,都需要非常好的保温,在沈阳这样的严寒气候区保温层厚度通常需要在20-30cm左右。


【P16】


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下面我们来看一个改造的项目,这是采用外墙外保温的做法,保温板选用了20cm厚的导热系数0.035的石墨聚苯板材料。我们看左下角的照片,白色的袋子是装有保温板的袋子,灰颜色的板子就是石墨聚苯板保温板,浅灰色的外墙是原有建筑没做保温的墙体。


在右侧的红外热成像图片中可以看到,白色袋子的温度就是室外环境温度,它呈现出深蓝色,那么粘贴了保温材料的外墙部分,也是蓝色,但比室外环境温度略高,因此颜色要浅一些,没有做保温的墙面温度更高呈黄绿色,证明热量在向外大量的流失。


【P17】


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这是节能改造后的建筑与没有改造的老建筑的对比照片,从右下角红外热成像照片中可以看到,保温改造后的建筑墙体呈蓝色,远处没有改造的建筑墙体呈黄绿色,新安装的外窗呈黄绿色,而老建筑的外窗呈红色。


很多人看到这张图片认为这栋建筑没有采暖,因为没有采暖的建筑的热成像类似于这个状态,但是我们将外窗开了一个角,这个红色的部位温度是22度。那么通过这张图片我们证明了,高性能的保温墙体对建筑节能是非常有作用的。那么很多人会有疑问,做这么好的保温层到底经济不经济呢?


【P18】


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这是一个经济分析的曲线图,他的横轴是建筑外墙的传热阻,通俗的讲热阻就是材料对热流传导的阻力,材料的热阻越大,他的导热能力越差。


这张图中横轴每一个单位是增加4cm厚的保温,刻度1就是4cm厚保温的墙体热阻值,刻度5就是20cm厚保温的墙体热阻值;纵轴是经济指标,单位是欧元/m2·a;这里有一个0刻度线,0刻度线以下的黄颜色线是保温板及锚固的投入成本,也就是说保温板越厚,投入的成本越高。


0刻度线以上的蓝色曲线是节能效益,我们可以看到随着保温层的加厚,节能效益先是显著的提升,然后逐渐趋于平缓。白色的曲线是节能效益减去投入成本这个值的曲线,也就是蓝色曲线减去黄色曲线,那么最佳的平衡点我们发现是在大于20cm的这个位置,它对应的外墙传热系数大概在0.15左右,当然,这是在德国这样一个气候区,不同的气候区会有不同的值,总体来讲是在刻度5-10之间。


【P19】


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这是一个典型的外墙外保温薄抹灰系统的构造图,EIFS是外墙保温完成系统的首字母缩写,左侧是没有保温的墙体,中间是保温17.5cm厚的墙体,右侧是保温层25cm厚的墙体,我们分别计算了他们的内表面温度,统计了造价情况,可以看出不做保温层只砌墙体也需要每平方米40欧元,做了保温的墙体分别需要每平方米73欧元和81欧元,每年每平方米的投资费用分别为1.4欧元和1.73欧元,那么我们看一下投资的成本换回来了多少热量,他们分别是107.4kWh和111.4kWh,最终我们可以得出节约1kWh的能量所需要的成本。那么通过这个例子我们可以看出,从建筑的全寿命周期视角来看,做好建筑的保温对于建筑节能和节约资金是非常划算的。


这里我们做个比喻,大家知道家用电器有节能分级,一级的节能率高,四级的比较差,差别在哪呢?就是能效比,一级的能效比高,四级的能效比低,比如一个房间内的空调,一级空调每天耗电1.3度就可以使室内保持26度,四级空调可能就需要2度多电,那么从全寿命周期来看,每天多一度乘以时间,电费就是一个运行过程中的成本,四级空调是便宜一些,但是后续的电费又给找回来了,这和建筑保温节能是一个道理的。那么实际上建筑节能构件或设备使用寿命越长,就会越节约能源。这也是为什么我们首先要优先保证建筑围护结构的保温,作为第一规则,因为围护结构的寿命非常的长,它可以与建筑结构同寿命,而不像设备5-10年需要更换,而且需要经常维护,这就是做好建筑保温的重要性。


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第二个规则,尽可能地避免热桥。


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这几张图片是建筑中没有处理好的热桥部位,我们可以观察到他主要集中在各种构件的交接部位,比如屋面与外墙的交接处,外窗与外墙的交接处,由于这些部位的保温做的不够好,使这些部位温度都很低,室内空气中的水份会在这些位置产生结露,因此这些位置都很湿,也容易产生发霉的现象。要想建筑不发霉,就需要保证建筑墙体等构件的内表面温度大于空气的露点温度。


【P22】


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这是一个典型的被动房建筑空间,室外环境温度在-5度,室内设定在了20度,如果想避免结露现象,经计算,构件内表面温度要大于16度。我们会发现,温度较低的位置出现在玻璃与型材的交接处13度,窗框和窗洞口的交接处16度,这也就是上面的图片中为什么窗附近容易发生结露和发霉现象。


【P23】


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这是一个带地下室的建筑的外墙墙脚部位的剖面图和照片,以及他的温度模拟计算结果。地下室是不采暖的,这个墙脚部位也是典型的热桥部位,为了减少此处的热损失,应该在地下室顶板下面和地下室外墙内侧交角部分做内保温层,并且将外墙外保温层向下延续至一定深度,以减少墙脚部位的热损失,同时避免转角部位的内表面温度低于露点温度,也避免造成发霉问题。


【P24】


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第三个规则,高性能的门窗。


这是门窗玻璃的构造和能量平衡图表。上面从左向右依次为,单玻、双玻、双玻单low-e充氩气、三玻双low-e充氩气的构造,第三行是玻璃的传热系数,可以看到随着选材和精密的构造设计玻璃的传热系数在依次减小,也就是窗玻璃的保温性能在越来越好。第四行,保温性能好会带来玻璃内表面温度的升高,窗内表面温度的升高会使人在窗边感觉不到外部的温度变化。第五行,是太阳光透射率,那么他在逐渐降低,也就是玻璃层次越多透射率越低。最后一行是南向外窗的全年能量平衡图表,蓝色的是热损失,黄色的是太阳能得热,红色的部分是得热和失热的差值,也就是净损失,我们可以看到随着窗性能的提升,净损失在大幅减小,最后一种窗他全年还在得热。这就从得热是失热角度,我们为什么选择高性能的门窗的原因。


很多人会问,这几种窗的价格是不是也越来越贵?答案是肯定的,确实随着性能的增加价格也在递增。解决这个问题呢是需要一个过程的,那么随着建筑节能标准的不断提升,尤其是强制性标准的提升,会促使产业不断升级,逐渐淘汰落后产能,就像现在在市面上很难找到传统的铝合金窗一样,当产业升级到普遍都是高性能窗时,产量也就上来了,价格也就降下来了。


【P25】


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影响门窗性能的另一个因素是门窗框,这是德国被动房研究所认证的外窗产品情况。到目前已经有400多种认证了门窗产品,而且逐年呈上升趋势。


【P26】


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门窗框型材的发展趋势是向型材截面尺寸逐渐减小的方向来发展的,这样可以增大外窗玻璃的面积。窗的型材选择上也都是导热系数比较小的材料,尤其近年随着新材料的不断突破,新型的纤维增强复合材料为外窗型材提供了多种选择,这些材料的导热系数都很低,而且强度韧性等力学性能也都很好。


【P27】


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这是一张被动房外窗的室内侧红外热成像图片,左侧室内有一把椅子,墙体内表面温度与椅子接近,这是一个非常好的建筑保温所产生的效果,玻璃的内表面温度在19摄氏度以上,窗框的温度在18摄氏度左右。高性能的外窗能够保证室内的舒适度,甚至在窗边也感受不到较大的温度变化。与传统的老建筑进行对比,这是室内20摄氏度,室外温度-5摄氏度的环境下的一栋老建筑,它的窗内表面温度在12-14摄氏度左右,和被动房建筑相比老建筑的室内舒适度很差。


【P28】


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第四个规则,提高建筑的气密性。


我们来看一下为什么要提高建筑的气密性呢?第一就是避免湿气进入围护结构内部,造成对建筑结构的破坏;第二,是提高室内外的隔声效果,因为声音在空气中可以传播;第三,是避免室外污染的空气不受控制地进入到室内,这个我们在雾霾天深有体会,室外PM2.5浓度300的时候,气密性不好的建筑室内也有100多;第四,可以提高新风系统的功效,这也为有组织地进行机械通风提供条件,是新风设备正常按设计运行;第五,是节能和节省采暖制冷除湿的费用。因为被动房里的新风系统是需要具有热回收功能的,如果控制不好气密性,没有通过新风系统的额外风量就会增加,而这种额外的风就是冷风,没有热交换的预热。


【P29】


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第五个规则,带有热回收的新风系统。


在建筑保温做好、气密性做好之后,我们需要新风系统为建筑室内提供新鲜空气,新风的送风口一般在卧室、起居室等空间,并且还要排出一些室内的污浊的空气,通常在卫生间和厨房里加设排风的设施,一般排风量与新风量是相等的,新风系统实际上是机械通风,他的风量是可以控制的,也可以加装过滤网过滤掉PM10、PM2.5等空气中的颗粒物,还可以加装热回收装置,将室内排出的污浊空气中的热量回收回来大部分。新风机组实际是机械系统,需要用少量的电。


【P30】


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这几张图片都是新风机组的,六边形的就是热回收装置的热交换器,这是几种不同形式的新风机组,通常热回收率需要达到75%-90%之间,好的新风机组需要保证室内的空气品质,尺寸尽量小,运行要安静,噪声要小,并且能效要高,也就是耗电量要少。在一些高湿地区还应该有除湿功能。


【P31】


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这是一张全球气候区划图,深蓝色的区域是严寒地区,在这个地区的建筑以保温为主而且需要非常的厚;


浅蓝色地区是寒冷地区,气候条件比严寒地区要有一定的提升,太阳得热也有增加;绿色是夏热冬冷地区,也就是我们国家的上海就是在这个气候区域,这个区域在夏季湿度非常大,那么就需要很多的能耗用于除湿;浅黄色是温和地区,也是非常幸运的区域,这些区域不冷不热不湿,实现被动房非常容易,因为室内外的温差不是很大;


赭石色的区域是炎热地区,在这些地区的建筑依然需要保温隔热层,熟褐色的区域是极热地区。目前,对被动房有一种误解,人们以为被动房是一个建筑,放在哪个气候区都可以,实际上并不是这样,被动房是一种理念,或者说是一种方法论,具体在哪个区域怎么做需要应用设计工具因地制宜地开展设计。这里再强调一遍,只有物理规则放之四海皆准,没有天下通吃的建筑。除非把建筑做成航天器那样,既耐低温,又抗高温,而且全部是机械系统。当然大家也知道航天器的价格。


【P32】


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这里我们来看几个建筑,他们是建在不同气候区的被动房,有一些是意大利的,大家可以自己查阅一下。


【P33】


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在这节课的最后我们来看一看被动房的监测结果,左上角这张图片是德国上世纪50年代建造的老建筑,一共98户,左侧的柱状图是这98户的能耗监测情况,尽管建筑形式非常相近,不同的家庭用能情况却不尽相同,因为个人的生活方式不同,对室内温度的需求也不同,老人需要室内温度高些,年轻人不需要太高,也不长时间在家,这些都是造成能耗不等的原因。能耗高的达到近300KWh/m2·a,低的不到100KWh/m2·a,但平均值在158KWh/m2·a。


中间区域是在德国的低能耗建筑,通过监测41栋建筑的能耗数据,低能耗建筑的能耗平均值在66KWh/m2·a;右侧的建筑是在德国一些城市的被动房建筑,我们监测统计了106栋建筑,他们的能耗平均值在13-14KWh/m2·a。


那么通过对比我们可以发现,被动房比传统的老建筑节能90%,这是一个绝对的90%,与我国相对的节能率换算方式是不同的。这里我们可以看到,在被动房建筑中依然有能耗较高的案例,这就是每个家庭的生活方式不同所造成的,也可以说,你住在被动房中你依然可以沿袭原来的生活方式,但是依然能耗很低。


好,第一节被动房概述就讲述到这里,谢谢!


【注:灰色文字为夏晓东增补解释内容】