德國建筑節(jié)能與被動房技術體系的發(fā)展

5+1洲聯(lián)集團·五合國際副總裁　盧　求

德國建筑節(jié)能與被動房技術體系的發(fā)展

5+1洲聯(lián)集團·五合國際副總裁盧求

德國超低能耗建筑體系

我回國之后，從2004年開始向國內(nèi)比較系統(tǒng)地介紹德國建筑節(jié)能體系。當時包括德國在內(nèi)，對于低能耗建筑、微能耗建筑等概念并沒有一個統(tǒng)一的等級劃分和定義。為了便于中國市場的理解和接受，我將德國低能耗建筑作了一個分類，大體分為三個等級。

居住建筑達到德國相關規(guī)范所要求的室內(nèi)舒適度和健康標準的前提下，根據(jù)建筑物對一次性能源的需求量分為：

低能耗建筑：采暖能耗達到德國節(jié)能標準的建筑（目前在30～50KWh/m2a）；

三升油建筑：采暖能耗在15～30KWh/ m2a的建筑；

超低能耗被動房：采暖能耗在≤15KWh/m2a的建筑。

近年來，在此基礎之上，通過全面采用被動房技術和主動控制技術，可以使建筑達到更高的節(jié)能水平，如：

零能耗建筑：通常是通過被動設計，使建筑的能源需求量降到很低，進一步采用可再生能源（太陽能、生物質能等），覆蓋所需能源，建筑運行使用不依靠外部能源；

產(chǎn)能建筑：采用可再生能源（太陽能光伏發(fā)電），其產(chǎn)生的能源不僅滿足自身需要，建筑還能向外部輸出能源。

德國“近零能耗建筑”發(fā)展戰(zhàn)略

“近零能耗建筑”（nearly zeroenergy building）是指建筑物具有非常高的節(jié)能性能，在建筑物的實際運行中一次性能源消耗或建筑物按照歐盟指令2010/31/ EU附件1計算的運行所需的一次性能源消耗幾乎為零或非常低，而這部分能耗的大部分由建筑自身或附近生產(chǎn)的可再生能源提供。

德國最新《節(jié)能法》（EnEG 2013）要求2021年起實施新建建筑達到“近零能耗建筑”、2050年所有存量建筑成為“近零能耗建筑”。最初看到德國以法律形式確定到2021年所有新建建筑達到“近零能耗建筑”水平，我非常吃驚。因為通過技術手段來實現(xiàn)，難度非常的大，但通過進一步的研究，我認為是有可能實現(xiàn)的。

德國實現(xiàn)“2021年起新建建筑達到近零能耗建筑、2050年所有存量建筑成為近零能耗建筑”目標的技術路線有以下幾條：

1.大幅降低新建建筑能耗；

2.大幅降低既有建筑能耗；

3.完善、推廣產(chǎn)能建筑技術；

4.大幅度提升可再生能源的比例：德國氣候保護相關政策法規(guī)要求可再生能源發(fā)電量占比在2020年達到35%，2050年達到80%。

其中第4點最為關鍵，使實現(xiàn)近零能耗建筑這一遠大目標有了可實施性，如果可再生能源能達到80%，再結合建筑節(jié)能技術是有可能實現(xiàn)近零能耗建筑的。

被動房的起源

被動房最初是指在寒冷的氣候條件下，建筑不需要采暖設備，僅通過太陽能、人體的熱量和圍護結構保溫實現(xiàn)較舒適的室內(nèi)環(huán)境。最初并沒有嚴謹、完整的定義，但這一想法由來已久。

按照該理念實現(xiàn)的第一件作品是1883年在挪威建造的弗拉姆（Fram）號極地考察船。這艘長35m，用橡木建造的考察船，載重量為800t，配有三桅風帆和220馬力的柴油動力螺旋槳，曾是當時世界上深入極地最遠的考察船。

在南極、北極極度寒冷的氣候條件下，該船不需要開啟采暖火爐，即可保持船體內(nèi)較為舒適的溫度。

實現(xiàn)這一效果主要依靠優(yōu)秀的保溫構造，船壁和甲板構造厚度達40～50cm，由多層材料組合而成，包括木材、植物纖維、動物纖維等等，窗戶由3層玻璃構成。如今，這艘船作為一座博物館在奧斯陸被保護下來。

在歐洲寒冷地區(qū)，建造一棟不用采暖就能過冬的房子，對很多人來說是夢想也是挑戰(zhàn)。20世紀在北歐和英國，有建筑師、工程師小范圍地嘗試建造不用采暖設備就可以過冬的住房。

1973年，位于哥本哈根的丹麥科技大學建造了一棟試驗性被動房建筑，實際上它還沒有達到被動房的水平，只能被稱作低能耗建筑，但它為后來被動房技術體系的完善積累了寶貴的經(jīng)驗。在與國外專家交流時，我得知他們當時做了很多奇特的設想，比如在房子外面做上玻璃房，白天最大限度接受太陽輻射熱，將墻體、地面、家具等物體加熱，夜晚用類似被子的東西將玻璃房蓋上，以避免熱量散發(fā)，保持室內(nèi)溫度。此外，還有各種復雜、巧妙的閥門裝置，使玻璃房白天接受的太陽能熱量傳導到起居室、臥室。此類的措施還有很多，總而言之就是想通過各種辦法達到被動房的標準，但最終并沒能實現(xiàn)。原因有很多，比如早期的被動房實踐暴露出許多問題，缺少高性能窗戶，人們沒有意識到建筑氣密性的重要性，不少項目采用了復雜的技術設備和構造機關，使建筑后期使用圍護復雜且成本高。為減少熱能損失，必須提高建筑氣密性，提高氣密性就必須通過新風系統(tǒng)保證室內(nèi)空氣質量，而根據(jù)當時的技術，僅維持室內(nèi)新鮮空氣一項就需要35kWh/m2·a的電能，高于現(xiàn)代被動房采暖能耗標準的2倍以上，由此進入一個死循環(huán)，無法達到設想的被動房標準。雖然可以實現(xiàn)冬天不采暖就生存下去，但遠遠無法滿足人們所需要的室內(nèi)舒適度。

人們在不斷摸索，嘗試各種技術組合，進行理論研究、模擬計算，直到1988年瑞典隆德大學（Lund University）的阿達姆森教授（Bo Adamson）和德國的菲斯特博士（Wolfgang Feist）在共同進行的低能耗建筑研究項目過程中，首先提出完整的“被動房”建筑技術體系，找到了被動房的最佳技術組合。

1990年，在菲斯特博士的參與下，達姆施塔特克蘭尼斯坦區(qū)（Darmstadt-Kranichstein）成功建造了世界上第一棟被動房試驗建筑。這是一座4戶連排私人投資建設的住宅，每戶156m2，建筑師來自Bott/Ridder/Westermeyer設計公司。項目受到德國黑森州政府的資助，這座被動房非常成功，至今一直有4個家庭居住在里面，多年實際運行監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，其采暖能耗小于12kWh/m2.a。

弗拉姆（Fram）號極地考察船

德國超低能耗建筑技術體系

被動房（passive house）這個詞是德國被動房研究所所擁有知識產(chǎn)權體系受保護的關鍵詞，所以在討論時我們要區(qū)分德國被動房體系和中國被動式超低能耗建筑兩個標準之間的不同之處。

被動房的定義：德國被動房是指僅利用高效保溫隔熱、太陽能、建筑內(nèi)部得熱等被動技術和帶有余熱回收的新風裝置，而不使用主動采暖設備、實現(xiàn)建筑全年達ISO7730規(guī)范要求的室內(nèi)舒適溫度范圍的建筑。

被動房舒適度核心指標包括：

室內(nèi)溫度20～25度；

圍合房間各面的表面溫度不低于室內(nèi)溫度3度；

空氣相對濕度：30%～60%；

空氣速度：室內(nèi)空氣流速小于0.15 m/s；

建筑內(nèi)墻嚴禁出現(xiàn)任何潮濕結露現(xiàn)象；

被動房核心能耗指標：被動房采暖能源能耗需求值（Heizw?rmebedarf）小于15 kWh/m2·a；

一次能源總消耗不超過120kWh/m2·a（含家用電器，相當于40度電/m2a）；

建筑氣密性n50小于0.6/h。

被動房（住宅建筑）的具體技術標準（對于中歐地區(qū)氣候條件）

被動房需要細致精心的設計與施工，其技術指標如下：

1.住宅采暖一次性能耗小于15 kWh/ m2.a或采暖負荷小于10w/m2；

2.制冷（含除濕）能耗小于15 kWh/m2·a+0.3W/m2aK） ×TGH（Trockengradstunden，干度時數(shù)）。

按照被動房PHPP（Passivhaus Projektierungs-Paket）計算方法計算：

1.計算模型邊界條件

采暖設計溫度20度，空調設計溫度25度，人員密度為35m2/人，換氣屋20-30m2/h人，最小換氣量0.3倍，室內(nèi)二氧化碳含量小于1000ppm，生活熱水60度，60升/人天，冬季采暖超溫頻率小于10%，夏天室溫超過25度吋間小于10%。

2.相關規(guī)范：

舒適度ISO7730；

外墻U值EN6946；

冷橋ISO10211；

外窗ISO10077；

玻璃Ug，EN673，g-Wert EN410。

3.住宅滿足相關舒適度要求，且通常須滿足以下要求：

外墻U值≤0.15W/m2K；

屋頂U值≤0.15W/m2K；

透明的圍護結構（窗戶、幕墻等，含窗框）的U值必須小于0.8 W/m2K，能量穿透率G值小于50%；

東西向窗（±50）和水平窗（坡度小于75°）的窗地比小于15%，南向窗窗地比小于25%。

有些人認為被動房不必控制窗墻比，但其實一般建筑一定要控制。德國有很多建筑采用大玻璃窗，但有兩個前提條件：一是窗戶的質量一定要有大幅度的提升；二是超過限值須設置遮陽系數(shù)大于75%的可移動式遮陽設施，目前可移動式遮陽在中國應用還存在成本高、空氣臟、遮陽不宜保持清潔等問題。

室內(nèi)出風口的送風溫度不得低于17℃，必須保證均勻流過所有領域和所有房間（通風效率），通風設計應滿足空氣衛(wèi)生要求（DIN1946），通風系統(tǒng)的噪聲值要小于25分貝。每個居室、臥室等主要房間至少有一扇可開放窗戶，盡量保證建筑對流通風降溫。

杜絕冷橋，所有建筑外圍護結構，特別是陽臺、挑檐、女兒墻等出挑部件必須嚴格處理。

建筑氣密性達到0.6倍以下（在50Pa壓差情況，換氣量小于每小時0.6倍）。

帶有余熱回收功能的新風設備，熱回收率75%以上。

德國被動房認證

德國被動房研究院可以對達到被動房標準的建筑進行認證。德國被動房是一個完整的技術標準體系，達到其標準可以申請認證。對用達到標準的建筑部品（門窗、墻體保溫系統(tǒng)、采暖空調技術等）也可以進行相關認證。

德國方面總結被動房最大的優(yōu)點是相比其他技術體系建設投資少，運維成本低；較高熱工舒適度，使用舒適方便，經(jīng)久耐用、不易出現(xiàn)建筑損傷。德國人工的成本非常高，建筑后期使用維護成本必須考慮，而被動房在這一方面的節(jié)省對于業(yè)主而言就很有吸引力。

目前被動房技術不斷發(fā)展，己擴展到其他建筑類型，包括公共建筑（辦公樓、學校、酒店、體育館、博物館等）和工業(yè)建筑，也擴展到其他氣候地區(qū)，如歐洲、亞洲、美洲等。

既有建筑改建被動房認證證書

德國被動房標準對既有建筑綠色改造的評價和等級劃分評價指標和方法

對既有建筑改造的認證（EnerPhit）可以通過兩種方法獲得：

1.計算方法：即按照被動房標準提供的計算方法和邊界條件，通過計算，證明改造后單位建筑面積的采暖能耗值QH≤25kWh/m2年。同時須滿足外維護結構基本傳熱系數(shù)限值要求。

2.建筑構件認證：通過使用獲得被動房標準認證的構件系統(tǒng)，如外保溫系統(tǒng)，外窗系統(tǒng)進行改造；或通過提供相關資料證明建筑構件達到相關要求。

按照上述分類標準，根據(jù)第1.1節(jié)中船舶領域統(tǒng)計模型，分別對4類目標船周圍最近船舶相對其運動的軌跡最近距離時刻的相對位置分布進行統(tǒng)計，得到圖7。

海德堡新城

主要技術要求如下：

不透明外墻外保溫，傳熱系數(shù)≤15W/ m2K；

不透明外墻內(nèi)保溫，傳熱系數(shù)≤35W/ m2K（內(nèi)保溫系統(tǒng)只適用于法規(guī)上禁止使用外保溫的建筑（如歷史保護建筑）、或建筑構造上無法實施、或全壽命周期成本評估不經(jīng)濟的情況）；

外窗傳熱系數(shù)≤0.85W/m2K（安裝到建筑上的綜合U值）；

戶門傳熱系數(shù)≤0.85W/m2K（安裝到建筑上的綜合U值）；

所有采曖房間都須安裝帶有熱回收設備的通風換氣裝置，系統(tǒng)熱回收效率≥75m2；

氣密性最低要求n50≤1.0/h，目標值n50≤0.6/h；

采取適當?shù)臉嬙齑胧ＷC建筑內(nèi)墻不得出現(xiàn)任何潮濕結露現(xiàn)象。

根據(jù)他們官方網(wǎng)站在2016年年初的數(shù)據(jù)，己有2265個建筑項目獲得被動房認證（一個項目可能包含多幢建筑），包括居住、辦公、學校、博物館、工業(yè)建筑等類型。相關資料和實地考察顯示，還有許多建筑按照被動房標準建造，但沒有申請被動房認證，如正在建設的德國海德堡鐵路新城（Bahnstadt Heidelberg）項目用地116公頃，包含居住、教育、研發(fā)、商業(yè)、工業(yè)的全部建筑，法蘭克福歐洲新城區(qū)（Europavietel）、法蘭克福雷德貝格新區(qū)（Riedelberg）中相當數(shù)量的住宅建筑群都是按照被動房標準建設。估計己建成的被動房建筑總面積己超過百萬平米。

德國海德堡鐵路新城——德國最大的被動房建筑項目

德國海德堡鐵路新城是目前為止德國最大的被動房建筑項目，也應該是除了中國之外世界上最大的被動房建設項目，同時它也是德國非常大的一個城市開發(fā)項目。海德堡是一座大學城，所以項目包含許多教學、科研建筑、大學生宿舍以及相配套的商業(yè)設施和一部分居住建筑。

海德堡新城被動式建筑主要參數(shù)

海德堡新城的被動房建筑群

海德堡新城的學生宿舍

海德堡新城被動式建筑上的遮陽

海德堡新城被動式建筑上的遮陽

德國弗萊堡太陽船——世界首個產(chǎn)能公共建筑項目

太陽船項目坐落在德國南部城市費萊堡市南部，它是太陽能居住小區(qū)（Sonnensiedlung）中的一棟商業(yè)、辦公、居住綜合建筑。整個小區(qū)共有50座連排或獨棟住宅及9座屋頂露臺住宅，居住面積總計7903平方米，商業(yè)辦公居住綜合建筑“太陽船”總長120米，地上6層，兩層地下車庫，建筑面積4800平方米。

“產(chǎn)能建筑”（Plusenergiehaus），其意義指建筑產(chǎn)生的能源不僅能夠滿足自用之需求，在此之外還能將多余的能源提供給城市公共電網(wǎng)。

“產(chǎn)能建筑”不僅關注節(jié)能、產(chǎn)能，同時還要求采用生態(tài)環(huán)保材料、低碳足跡，最大限度實現(xiàn)自然采光、自然通風，達到健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境標準。

“產(chǎn)能建筑”理念進一步拓展完善到整個區(qū)開發(fā)，圍繞能源與環(huán)保主題，希望能夠為社區(qū)的規(guī)劃、交通、用水、垃圾，以及社會文化、人口結構等問題提供全新的解決方案。

弗萊堡太陽船

弗萊堡位于德國南部，是著名的生態(tài)城市

有關被動房的爭議

雖然大規(guī)模被動房項目的建設大幅降低了建筑采曖能耗，改善了室內(nèi)熱舒適度，但被動房技術對建筑節(jié)能和環(huán)境保護方面的貢獻程度在西方國家存在一定爭議。對被動房的批評也集中在支持被動房一方所宣傳的被動房的優(yōu)點上：

1.相關被動房的節(jié)能費計算，常常以二戰(zhàn)以前沒有節(jié)能措施的老房子作為比較對象，因而得出被動房所帶來的巨大的節(jié)能效果。對比最新節(jié)能規(guī)范要求下的新建住宅，節(jié)能潛力并沒有那么大。

2.經(jīng)濟比較計算時，沒有考慮現(xiàn)實情況，即被動房項目增量成本超過70%是由銀行提供貸款支持，利息成本往往沒有考慮在計算中。

3.被動房所增加的保溫和其他技術設備沒有在建筑全壽命周期生態(tài)評價指標性能（Oekobilanz）中反映出來。

4.帶熱回收的通風裝置三層雙中空玻璃窗等技術己越來越多地用在節(jié)能住宅項目上，并不是被動房的專用產(chǎn)品。

被動房室內(nèi)舒適度標準，相當于德國“全空調”（vollklimatisiert）室內(nèi)環(huán)境標準，由此帶來的問題是：舒適的室內(nèi)環(huán)境需要精心設計、安裝的通風系統(tǒng)，內(nèi)部功能需要調整時就不那么簡單。常規(guī)住宅如果將儲物間改成衛(wèi)生間，只需要改變使用方式，增加開窗或增設一個排風扇即可，而被動房可能不能輕易改動、否則技術系統(tǒng)就被破壞了。

有人認為，與被動房技術相比，在低能耗建筑的基礎上，結合太陽能使用，能夠在同樣投資規(guī)模下，達到同樣能耗水平、獲得一個可以根據(jù)個人需求可調節(jié)的室內(nèi)舒適環(huán)境，而且運行成本還能更低。

通過降低外保溫厚度，還能夠有效改善建筑的生態(tài)評價指標性能（Oekobilamz）。

在中國建設推廣被動房必須結合中國的實際情況：氣侯條件、經(jīng)濟水平、客戶需求…， 創(chuàng)造性地研究探索最佳實施技術路線，而不是盲目照抄照搬西方經(jīng)驗。

獨特的新風窗和余熱回收裝置-外部

獨特的新風窗和余熱回收裝置-內(nèi)部

被動房超低能耗技術在中國應用的思考

研究歐洲被動房技術發(fā)展及其應用實踐，我們可以看出推動其發(fā)展的三方面主要動力：

首先是技術進步，理論研究的深入，計算機模擬技術提高，技術系統(tǒng)的完善與簡化，高質量的門窗、保溫材料、高效新風機組等產(chǎn)品的研發(fā)與量產(chǎn)。

其次是經(jīng)濟動力，上述技術的進步，產(chǎn)品成本不斷降低，節(jié)能標準的提高，導致增量成本相對更低，被動房在建設經(jīng)濟上有吸引力。

第三方面是政府的推動和社會意識的進步，社會范圍內(nèi)環(huán)保意識的提高，擺脫對化石能源依賴的國家政策，政府資助政策都對被動房大規(guī)模發(fā)展起到推動作用。

中國被動房超低能耗建筑的大規(guī)模應用和發(fā)展，也離不開高質量技術產(chǎn)品、市場經(jīng)濟吸引力和政府政策支持這三方面的動力。

盧求，德國注冊建筑師、北京五合國際工程設計顧問有限公司副總經(jīng)理、德國可持續(xù)建筑委員會（DGNB）國際部董事、東南大學客座教授、《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》編委。畢業(yè)于清華大學和德國多特蒙德大學，在德國和中國分別擁有 14年和13年的建筑設計、生態(tài)節(jié)能工作經(jīng)驗，是最早關注、研究并將德國被動房建筑節(jié)能技術介紹到國內(nèi)的專家之一。

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1671-3362（2016）09-0036-06