研究背景
在全球气候变暖、能源短缺的背景下，以高能效、低排放为核心的建筑节能正为实现国家的能源安全和可持续发展起到至关重要的作用。近年来，国际建筑节能技术长足发展，提高建筑性能使使用者对能源的需求降到最低，同时充分利用可再生能源从而摆脱对传统化石能源的依赖，已成为国际建筑节能技术领先国家的节能减排重要手段。
在中德双方政府的大力支持下，目前在我国已落实多个中德合作被动式低能耗建筑示范项目。目前在建的30余个被动房示范项目，从地域分布上看覆盖了我国严寒和寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区等多个气候区，从建筑类型上看囊括了住宅楼、办公楼、学校、幼儿园、纪念馆、工业厂房等多种类型，为我国积累被动式建筑设计和建造经验提供了良好的实践基础。
国内外研究现状
1 国外被动式低能耗建筑计算方法发展现状
1988年瑞典隆德大学的Adamson教授和德国的Feist博士首先提出被动式建筑的概念，认为被动式建筑不采用主动的采暖和制冷系统就可以维持舒适的室内热环境。1996年，Feist博士在德国Darmstadt创建了被动房研究所，并开发出Passive HousePlanning Package（PHPP）[1]作为被动式建筑的专用计算和设计软件。
早期被动式建筑能耗的计算需要输入大量高准确度的动态数据，这些数据广泛且不便收集，因此计算任务繁重且准确度不高。经过对比分析多种方案并不断优化被动式建筑设计，在与实测数据进行对比的基础上，提取关键参数对计算模型进行了简化。目前PHPP以Excel为平台，以物理平衡方程为科学依据，采用基于月份的能量平衡法进行计算，即将整栋建筑看作整体，用月/年能量平衡代替短时间间隔的动态模拟给出建筑的年采暖需求和制冷需求。
PHPP的主要内容包括：能耗计算（包括热阻计算和传热系数计算）；窗户规格设计；室内通风系统设计；热、冷负荷计算；夏季热舒适预测；采暖和家用热水系统设计；一次能源需求计算以及CO2排放量计算。
2 我国被动式低能耗建筑计算方法发展现状
在总结示范项目经验、论证示范项目设计和实测数据、借鉴德国和瑞典被动式建筑标准的基础上，我国首部被动式低能耗建筑标准——河北省《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》（DB13(J)/T177-2015）[2]于2015年编制完成，并自2015年5月1日起实施。
该标准的主要内容包括：总则，术语和符号，室内外空气计算参数，基本规定，热工设计，采暖、制冷和房屋总一次能源计算，通风和空调系统设计，关键材料和产品性能，以及施工、测试、工程认定及运行管理。其中，关于采暖、制冷和房屋总一次能源计算部分，该标准基于我国现行的《民用建筑热工设计规范》（GB 50176）、《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736）、《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ 26）以及陆耀庆主编的《实用供热空调设计手册（第二版）》，提出了被动式低能耗建筑的计算方法，包括采暖负荷、采暖需求、制冷负荷、制冷需求、采暖一次能源需求、制冷一次能源需求以及总一次能源需求的计算和分析。
中德被动式低能耗建筑能效计算理论及方法比较
1 输入参数比较
（1）气象数据
我国：构建我国474个城市或地区的全年逐时温度数据、全年逐日温度数据，以及这些城市或地区的每个季度的逐时太阳辐射照度数据。采暖、制冷需求计算采用的气象数据为各城市或地区的逐时温度数据、逐时太阳辐射照度数据；采暖、制冷负荷计算采用的气象数据为我国现行标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736）中规定的冬季和夏季空气调节室外计算温度。
德国：PHPP集成了欧洲主要城市或地区的气象数据，对于未在数据库内的城市，可采用用户自定义的方式输入气象数据。采暖、制冷需求计算采用的气象数据为项目所在地的月度平均温度数据、月度平均太阳辐射照度数据；当采用月度计算方法时，直接采用月度平均温度数据、月度平均太阳辐射照度数据进行能耗计算；当采用年度计算方法时，需要对月度气象数据进行一系列转换计算，最终得到全年的采暖期天数HT、采暖期度时数Gt、采暖期平均环境温度Tamb 、采暖期太阳辐射照度JN,E,S,W.H等，参与后续的能耗计算。采暖、制冷负荷计算采用的气象数据是根据动态模拟计算生成的，对于未集成在数据库内的城市或地区，用户无法自行查询到负荷计算用气象数据，应由专业机构进行动态模拟计算，据此给出适宜的气象参数。此外，PHPP会依据气象站点和项目所在地的海拔差异，对室外温度数据进行修正。
（2）围护结构面积
我国：对于外墙、屋面和底板，均按照外围护结构外包线计算面积。
德国：对于外墙、屋面和底板，均按照外围护结构外包线计算面积。
（3）建筑面积
我国：按各楼层外围护结构外包线围成的平面面积的总和计算，包括对室内环境有同样要求的半地下室或地下室的面积。
德国：按各楼层外墙内侧围成的平面面积的总和计算。但是各部分面积计入的比重不同，例如位于地下室的辅助用房、楼道等仅计入其60%的面积。各部分面积计入方法详见表1、表2。
表1 居住建筑建筑面积计算原则
表2 公共建筑建筑面积计算原则
（4）换气体积
我国：按与计算建筑面积所对应的建筑物外表面和底层地面所围成的体积计算建筑体积V0，再按照Vv=0.65V0计算换气体积Vv。
德国：按Vv=ATFA•hnet计算建筑的换气体积，其中ATFA为被动房的建筑面积，hnet为房间净高。
（5）外窗输入
我国：以一樘外窗整窗为单位进行输入，计算中涉及到的参数，如外窗传热系数、外窗玻璃所占面积比、遮阳系数等，均以一樘整窗为基础进行输入。
德国：由于外窗整窗传热系数、外窗玻璃所占面积比等参数的计算均是以上、下、左、右四个侧边框体的面积为基础而展开的，因此德国的计算方法是以一个单窗为单位进行外窗输入的，若一樘整窗是由几个窗格组合而成的，那么则需要把该整窗拆分成若干个单窗分别进行输入。参数输入时，需分别输入每个单窗的洞口宽度和高度，上、下、左、右四个侧边框体的宽度，以及其安装位置（是安装在墙体上还是与其他框体搭接），由此确定单窗的几何尺寸。
（6）外窗传热系数
我国：采用外窗整窗的传热系数Kwindow直接进行计算，该值来源于项目所用外窗的检测报告。
德国：采用计算的方法得到外窗整窗的传热系数 ，计算公式同时考虑了玻璃、框体、玻璃边缘连接、外窗安装边缘连接四部分的影响。其中，框体、玻璃边缘连接、外窗安装边缘连接又分别考虑了上、下、左、右四个侧边各自的影响，需要分别输入上、下、左、右四个侧边框体的传热系数，四个侧边玻璃边缘连接的线传热系数，以及四个侧边外窗安装边缘连接的线传热系数，再配合单窗的几何尺寸构造进行计算。
（7）外墙方向
我国：对于接触室外空气的外墙，可按照东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向进行输入。
德国：外墙不分方向，仅分为接触室外空气的外墙和接触土壤的外墙。
这是由于德国的计算方法不考虑外墙、屋顶的辐射对采暖能耗和负荷的影响，认为白天外墙、屋顶可从太阳辐射中得热，而夜晚外墙、屋顶则会向低温高空进行辐射而失热，两者大致平衡而抵消，可忽略其影响，从而不必要区分外墙的方向。而在中国的计算方法中，考虑了外墙辐射得热的影响（在采暖负荷计算中采用了修正系数的方法考虑不同方向辐射的作用；在采暖需求计算中采用了综合温度的方法，即在室外温度的基础上附加太阳辐射对不透明围护结构的影响），从而需要区分外墙的方向，针对每个方向分别输入外墙的面积。然而，我国的计算方法未考虑外墙、屋顶在夜间的辐射失热问题，有待进一步研究考证这部分失热的大小，是否有计入的必要。
（8）外窗方向
我国：可依据项目的实际情况，按照东、南、西、北、东南、东北、西南、西北、水平九个方向进行输入。
德国：无论建筑物朝向如何，PHPP执行计算的方向均为东、南、西、北、水平五个方向。PHPP会根据外窗与北向夹角的偏转角度Φ和外窗与竖直方向夹角的倾斜角度θ，对每个外窗的方向进行认定，将其归为东、南、西、北、水平五个方向中最接近的一个方向。例如，某一与北向夹角为30°的外窗会被PHPP认定为北向外窗，该外窗的全部洞口面积都将属于北向外窗面积，但是在涉及太阳辐射的计算中，PHPP将会对太阳辐射照度进行处理，也就是说，PHPP不会将数据库中北向的太阳辐射照度数据直接用于该外窗的辐射计算，而是通过对数据库中东、南、西、北、水平方向的太阳辐射照度数据进行分解合并而实现方向变换，得到适用于该角度外窗的太阳辐射照度数据，继而进行辐射计算。
（9）外窗遮阳
我国：考虑了垂直遮阳、水平遮阳、活动遮阳。
德国：考虑了水平遮挡物、垂直遮阳、水平遮阳、其他遮挡，其中其他遮挡可综合考虑活动外遮阳、百叶窗等的影响。
（10）辐射得热
我国：考虑了遮阳、玻璃占洞口面积比的折减影响。
德国：考虑了遮阳、灰尘、非垂直入射、玻璃占洞口面积比的折减影响。
（11）通风失热
我国：考虑了通风系统进入新风、开启外门进入空气的影响，未考虑渗透空气的影响。
德国：考虑了通风系统进入新风、渗透空气的影响，未考虑开启外门进入空气的影响。
（12）设备换气量
我国：根据建筑物内总人数和每人每小时的新风需求量以及总的排风需求量进行计算确定。
德国：综合考虑三方面因素确定设备的换气量：①新风需求量：根据建筑物内总人数和每人每小时新风需求量进行计算；②排风需求量：根据厨房、卫生间、浴室等类型的房间数量和每个房间的排风需求量进行计算；③最小换气次数：根据室内卫生要求，最小换气次数不得小于0.3h-1。最大设备换气量取新风需求量、排风需求量和根据最小换气次数计算得到的空气流量中的最大值。
（13）设备换气次数
我国和德国基本一致：取不同设备运行模式下设备换气次数的加权平均值。根据最大设备换气量设计几种不同的设备工作模式，如最大化模式、标准模式、基本模式、最小化模式等。基于各种模式与最大模式之间的折减系数，得到各种运行模式下的设备换气量。用于能耗和负荷计算的平均设备换气量=各种模式的日运行时间与设备换气量乘积的总和/24小时，设备换气次数=平均设备换气量/换气体积。
（14）热回收效率
我国：依据通风设备供应商提供的通风系统热回收效率进行输入。
德国：在通风系统热回收效率的基础上，考虑了通风系统机组设备的安装位置（安装在保温层之内或保温层之外），以及设备到保温层间管道的热损失，得到有效热回收效率，用于后续的能耗和负荷计算。需要输入管道的尺寸、保温层厚度、保温材料导热系数等，计算该部分热损失的影响。
（15）内部得热量
我国：需要输入建筑物内的实际人数、人员室内停留时间、灯具散热密度、开灯时间、同时照明系数、室内用电设备散热密度、设备开启时间等。
德国：按标准散热密度计算得到，单户住宅、多户住宅、联排住宅取2.1W/m²；辅助生活型住房取4.1W/m²；办公楼、行政办公建筑取3.5W/m²；学校取2.8W/m²。
2 计算方法比较
（1）采暖、制冷计算日期
我国：各城市或地区采暖与制冷需求计算的起止日期，是依据各城市或地区的全年逐时温度确定的。采暖需求计算，取连续低于15℃的小时数超过20小时连续三天以上，或全天24小时均低于15℃的日期为起始日期；取连续高于15℃的小时数超过5小时连续三天以上的日期为终止日期。制冷需求计算，取连续高于29℃的小时数超过4小时连续三天以上的日期为起始日期；取连续高于29℃的小时数小于4小时连续三天以上，或全天24小时均低于29℃的日期为终止日期。当根据以上条件无法确定某城市的制冷计算日期时，其制冷计算起始日期为室外温度高于28℃连续2小时以上的日期，终止日期为室外温度高于28℃连续2小时以下的日期。
德国：根据月平均温度采用回归拟合公式计算出每个月可被平衡的最大热损失比例α（percentage of maximum losses,which is to cover）
式中，Tmon为每月的月均室外温度，为输入参数，℃。由此确定采暖期天数HT（单位：d/a）和采暖期度时数Gt（单位：kKh/a）
（2）传热失热
我国：计算每个时点的传热失热
其中外墙、屋顶的传热失热计算考虑了太阳辐射的影响，使用的温度为室外综合温度，即在室外环境温度的基础上又附加了外墙、屋顶所在方向的太阳辐射照度的影响。此外，为考虑为系统性热桥的影响，非透明围护结构的传热系数计算值取其平均传热系数与系统性热桥附加值之和，且非透明围护结构的系统性热桥附加值不得小于0.05 W/(m²·K)。
德国：计算整个采暖期的传热失热
QT=A•U•fT•Gt
传热失热计算中不考虑外墙、屋顶的辐射的影响。此外，对于由热桥引起的附加热损失，通过热桥的长度、热桥线传热系数进行计算
QT=L•Ψ•fT•Gt
（3）通风失热
我国：计算每个时点的通风失热
换气次数nv考虑了通风系统进入新风和开启外门进入空气的影响。
德国：计算整个采暖期的通风失热
QV=nV•VV•C•Gt
有效换气次数nv考虑了通风系统的设备换气次数和空气渗透换气次数。
（4）辐射得热
我国：计算每个时点的辐射得热
Qsi=r•Awindow•g•Ji
折减系数r考虑了遮阳、玻璃占洞口面积比的折减影响；Ji为在i计算时点，该外窗所在朝向的太阳辐射照度，kWh/m2。
德国：计算整个采暖期的辐射得热QS=r•Awindow•g•J折减系数r考虑了遮阳、灰尘、非垂直入射、玻璃占洞口面积比的折减影响；J为经过变换的适用于某一角度外窗的太阳辐射照度，kWh/(m2a)。而用来做变换的基本方向（东、南、西、北、水平向）的太阳辐射照度是利用每月的平均太阳辐射照度[kWh/(m²·month)]和每月的α值计算得到的。以北向的太阳辐射照度为例，
（5）内部得热
我国：按建筑物内的实际人数、人员室内停留时间、灯具散热密度、开灯时间、室内用电设备散热密度、设备开启时间等，结合不同时刻的人体散热系数、照明散热系数、设备散热系数进行核算得到。
德国：按标准散热密度计算得到。
（6）热需求
我国：采用逐时计算的方法得到。即对采暖期内每一时点进行得热、失热的热平衡分析，当逐时计算值为负时，得热大于失热，取该时点的采暖需求为零；当逐时计算值为正时，失热大于得热，该值即为该时点的采暖需求；将所有时点的采暖需求累加，即为房屋的年采暖需求。
德国：采用年度或月度计算的方法得到。即利用回归公式的方法得到Gt、HT、JN等计算参数，参与传热、通风、辐射、内部得热的计算；再通过回归公式得到自由得热利用系数ηF，完成热平衡计算，得到热需求。
3 比较结论
（1）参数对比
上述参数对比工作可为我国被动式低能耗建筑能效的计算方法提出几点进一步完善的建议，在以后的研究过程中，可围绕以下几点对我国的计算方法做出有益的修正和补充：
①根据气象站点和项目所在地的海拔对室外温度数据进行修正。随着我国被动式低能耗建筑的推广和发展，示范项目的数量和所在地区都会越来越多，不可避免地某些项目的所在地会与最为临近的气象站点的位置有较大差异，尤其是在海拔上的差异。建议增加项目所在地海拔的输入项，并把所有气象站点的海拔高度纳入数据库，在必要的情况下，可根据气象站点和项目所在地的海拔差异对室外温度数据进行修正。
②对我国建筑面积的计算法则进行明确的规定。我国和德国对于建筑面积的计算原则有较大差异，德国按各楼层外墙内侧围成的平面面积的总和计算，而我国计算的是外墙最外层包绕的建筑面积。由于我国工程技术人员一贯采取的是后者的概念，因此没有必要在被动式低能耗建筑领域做出改变，造成混乱和混淆。但有必要对我国建筑面积的计算法则进行明确的规定，例如辅助房间、机房层、阁楼层、闷顶层、地下室应如何计入，以何种比例计入。由于被动式低能耗建筑的能效分析是绝对值分析，计算结果要落在在每平米建筑面积的负荷和能耗上，并以此作为认证和考核的依据，因此，明确并细化建筑面积的计算原则，是保证计算结果科学性的基础。
③对换气体积的计算进行细化分析。目前我国计算换气体积采用的方法是首先计算建筑体积，并认为建筑体积的65%为换气体积。由于不同形式的建筑，其内部可供空气流通的空间大小不尽相同，将65%单一比例同时用于居住建筑和公共建筑的适用性还有待进一步研究考证。由于换气体积的计算结果会用于项目的气密性测试，以及项目通风系统换气次数的计算和通风设备的选型，而气密性试验和通风系统对于被动式低能耗建筑而言都具有重要影响，因此有必要对换气体积的计算进行细化分析，并给出明确的计算法则。
④考虑外窗安装边缘连接影响。我国外窗传热系数的输入方法是取整窗传热系数的检测值，该检测值中未包含安装边缘连接的影响。而建筑外窗的质量，除了取决于外窗本身外，很大程度上还是取决于施工人员的安装质量，在项目现场的检查结果往往是外窗边缘连接处出现结露滴水现象。因此，建议在计算中考虑安装边缘处的线传热系数问题，使其影响在计算中得以体现。
⑤考虑渗透空气的影响。被动式低能耗建筑的气密性较高，可达到n50≤0.6/h的要求，但是不能完全避免空气渗透。尤其在我国，高层建筑比例较大，较高楼层在风压作用下的空气渗透作用还有待进一步研究，以供被动式低能耗建筑引入渗透空气影响和计算渗透空气换气次数之用。
⑥考虑通风系统的综合热回收效率。德国的计算分析中，考虑了通风系统机组设备的安装位置（安装在保温层之内或保温层之外）、管道的长度、管道的截面尺寸、管道及机组保温层的材料及厚度等的影响。目前我国的分析方法未把这部分内容纳入定量计算中，应尽快完善计算方法，考虑以上因素的影响，以引导工程设计人员合理设计设备位置以尽量缩短管道长度，并妥善处理管道的热损失。
（2）方法对比
基于以上对比可以看出，除了输入参数的差异以外，我国与德国被动式低能耗建筑能效分析方法中最为显著的一点差异是，我国的能耗计算方法是基于我国气象数据中心提供的气象数据，采用我国现行标准规定的方法，分别计算出项目每一小时的传热得（失）热、辐射得热、通风得（失）热、室内散热得热。然后，对采暖/制冷期内每一小时进行得热、失热的热平衡分析，是一种逐时的计算分析方法。当某一小时的得热大于失热时，建筑不需要额外补充热源，那么取该小时的采暖需求为零；当某一小时的失热大于得热时，失热减去得热的差值即为建筑需要额外补充的热量，那么该差值即为该小时的采暖需求；将所有小时的采暖需求累加，即为房屋的年采暖需求。
结论
为促进被动式低能耗建筑在我国不同气候区的健康发展，实现建筑领域的超低能耗发展目标，本文对中德双方被动式低能耗建筑能效计算理论和方法进行了比较研究，围绕中德双方在输入参数上的差异，以及在计算方法上的区别，给出了较为详细地说明和解释，可为相关的工程技术人员提供一定的参考，为我国被动式低能耗建筑标准中能耗计算方法相关部分的制订提供依据和技术支撑。
本文原标题为：《中德被动式低能耗建筑能效分析理论及方法比较》；作者单位：住房和城乡建设部科技与产业化发展中心；原文刊登于《建设科技》杂志，版权归期刊编辑部及作者所有。
