被動房節能策略及設計手法研究

天津大學建筑與規劃學院，天津 300072

0 引言

被動房源于德國，經過幾十年的發展，技術逐漸成熟，建設量迅速增加，并出現了規模較大的被動房社區，如德國的海德堡列車新城被動房社區、奧地利的因斯布魯克被動房社區。近年來，中國為鼓勵被動房建設，對于被動房的補貼力度逐漸加大，全國各地紛紛出臺政策鼓勵被動房建設，國內的被動房開始迅速發展。目前，盡管國內已對被動房的技術原理有了比較全面的認識，但是在技術應用方面仍有很多障礙，因此借鑒外國優秀的被動房案例，學習國外的被動房設計手法，能為國內被動房的設計進一步提供指導。

1 被動房簡介

被動房（Passive House）是指不借助空調及傳統的采暖方式，只通過預熱與預冷新鮮空氣的手段，維持室內舒適度的建筑［1］。為保證節能效果，被動房需采用性能優良的圍護結構、高效的熱回收新風系統，以及利用可再生能源的低功耗的制冷及采暖系統。

被動房的概念源自20世紀80年代的低能耗建筑。1987年，時任瑞典德隆大學教授的亞當森（Bo Adamson）曾前往中國南方，參與未供暖房屋的舒適度改善工作。他稱這些房屋為“被動房”，因為這些建筑物依賴于被動的熱學系統。此后他與卡塞爾大學的菲斯特（Wolfgang Feist）博士一起研究被動房項目。1991 年，他們合作建設了德國的第一棟被動房，位于德國達姆施達特市。1996 年，菲斯特建立了被動房研究所（PHI），其研發的被動房設計程序（PHPP）已成為國際公認的被動房設計和檢測工具。

2 國外已建成被動房設計手法及技術策略分析

被動房的基本原理為減少維護結構和房屋通風過程中的熱損失，主要措施包括以下幾個方面：

2.1 建筑節能設計

為實現被動房標準所要求的低能耗，通常使用專門設計的計算機模擬軟件——被動房設計程序（PHPP）——來輔助設計。在設計過程中，應結合建筑室外的氣候條件、室內外環境參數及建筑功能，合理排布建筑平面、控制建筑形體系數。靈活利用天然采光及不同形式的遮陽手段，控制室內溫度，加大南向采光面積，利用活動外遮陽設施調節光線。

被動房的外遮陽設施應采用靈活的設計手法。設計過程要考慮建筑造型與保溫隔熱系統施工的關系，如利用格柵塑造建筑立面的造型。通常被動房造型設計受制于保溫材料，立面設計受到限制。但海德堡城區內的眾多被動房，不但保證了外保溫系統施工完成度，而且使得被動房建筑造型多樣。例如海德堡城區內的SkyLabs 辦公樓，其建筑外立面和外遮陽設施融為一體，形態優美。

2.2 外圍護結構節能技術

2.2.1 外墻保溫

外圍護結構的保溫性能是影響被動房節能效果最直接的因素。在被動房的認證標準中，在冬季采暖期，只有當熱損失減少到，僅依靠獲得太陽輻射熱能就能基本滿足舒適的室內溫度，該建筑才能達到被動房的認證標準［2］。

被動房墻體保溫層設計與一般建筑區別較大，保溫層普遍選用EPS、XPS 擠塑聚苯板等材料，屋頂處的總厚度通常大于300mm，外墻處通常大于200mm，且采用雙層保溫層錯縫拼接。在保溫方式方面，大部分部位采用外保溫，少部分采用內外雙層保溫。由于被動房對外窗的保溫隔熱性能要求高，通常選用三玻二腔窗，并將窗戶置于外墻外側而不是洞口處以減少熱損失。由于門窗型材的保溫性與玻璃相比較差，應盡量減少窗戶分隔。

2.2.2 無熱橋處理

被動房對熱橋處理的要求極高，須要在方案設計時避免出現熱橋，并對構造節點進行精細化設計，阻斷鋼筋混凝土抗震柱、門窗過梁、陽臺挑梁等部位的熱橋。

以陽臺為例，被動房的陽臺盡量獨立于結構主體之外。可以采用預制的陽臺，用鋼架獨立承托陽臺，或將陽臺護板錨固在外墻上。在將舊建筑改造成被動房的過程中，由于改造難度較新建建筑大，可將不滿足條件的陽臺拆除。在因斯布魯克大學教學樓改造項目中，原建筑的陽臺由混凝土懸臂梁支撐出挑，懸臂梁作為熱橋，引起大量的能量損失。為解決熱橋問題，設計師改變了建筑的外圍護結構形式，將挑出的陽臺全部拆除，對建筑立面進行了重新設計。

2.2.3 氣密性

被動式房屋通常采用集中通風系統代替開窗換氣，因此應避免空氣滲漏。在室內外氣壓差為50Pa 時，每小時室內空氣滲透的總量不應超過建筑總容積的60%，即保證N50≤0.6h-1。改進材料之間的連接點是提高氣密性的關鍵，因此應保證穿墻管線、門窗框固定處的氣密性，將施工縫仔細密封，同時在外圍護結構中設置隔汽層。

2.3 置換式通風與熱回收

普通建筑通常通過開窗直接引入室外空氣，保持空氣清新。這必然會造成大量的熱損失，并使冷風直接進入室內，造成室內人員不適。被動房建筑的換氣則依靠機械通風。在主要功能房間的墻體或吊頂內設置送風口，以室外過道為溢流區，在建筑中心區統一設置回風口。統一回收后的空氣，通過熱回收設備回收熱量，然后排放到建筑外。這樣的通風方式既保證了熱交換的效率，又能夠控制空氣濕度和潔凈度，提高了室內的空氣質量。

新風系統設計過程中可將建筑、暖通、室內設計綜合考慮，將通風管道設置在窗臺、書柜內，充分利用空間，使得功能與空間相得益彰。在因斯布魯克大學教學樓改造項目中，采用預制墻體，在墻體中預埋通風口，起到送風作用，回風口均位于建筑的中心區。新鮮空氣從辦公室的送風口進入室內，污濁空氣經由辦公室門上的通風道排出到走廊，然后匯集到該樓層的主要回風口，再通過統一的回風口輸送到設備間進行熱交換。為了保證空氣循環流動，辦公室的門上方的亮子進行了特殊設計，使亮子帶有通風功能（如圖1 所示）。

除回收空氣中的熱量之外，生活廢水中的熱量回收也是常用的熱回收手段。生活用水溫度通常較高，淋浴產生的廢水可達到35℃左右，可利用熱泵回收廢水中的熱量，作為室內供暖的補充。

圖1 左圖為亮子內的通風道，右圖為被動房空氣循環示意

2.4 低能耗采暖方式

“被動房”冬季采暖的需求較低，有研究者在“被動房標準”中提出，“被動房”建筑的熱負荷應該低于10W/m2［3］。因此，建筑可以采用各種可再生能源，代替傳統的采暖設備，如太陽能、生物質能、地熱能等，同時充分利用室內電器設備的熱量、人體的熱量維持室內溫度，結合建筑功能設計出最優的節能方案。

在因斯布魯克的被動房超市MPREIS 項目中，采暖系統與超市功能密切結合，設計師根據超市建筑的特殊性，利用熱回收技術回收冷柜產生的熱能，供給采暖系統，完全不需要主動采暖的設備。冷柜經過改進設計，在沒有顧客購物時，玻璃柜門完全封閉，既避免了開敞的冷柜導致室內溫度降低，又降低了用電需求。

3 結語

在被動房迅速發展的當下，被動房建設應該避免一味地堆砌技術，以免造成不必要的浪費。被動房的節能效果不僅取決于節能技術的發展，也依賴于先進技術在建筑設計當中的應用。一些先行國家的被動房建設過程中出現的優秀設計方法，為國內可持續發展建筑的建設提供了新思路，值得嘗試與推廣。