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徐伟:被动式超低能耗建筑国内外发展
(附中国近零能耗建筑技术标准与工程实践)
 
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    2015年12月3日,第21次联合国气候变化大会(COP21)在巴黎召开,大会首次将建筑单独列为议题,在官方日程中举办为期1天的“建筑日”研讨会,来自相关机构的200位代表参加会议。会议主办方联合国环境署表示:建筑全寿命期产生的碳排放占全球碳排放总量的30%,如按现有速度继续增长,到2050年,建筑相关碳排放将占全球碳排放总量的50%,针对建筑物展开专项节能减排工作非常必要。
    联合国环境署专家表示:通过建筑节能标准不断提升和用于建筑设计阶段的可视化建筑碳排放计算软件不断普及,引导新建建筑和既有建筑逐步提高节能减排性能,使其在规划设计阶段较原有水平降低能源使用70%-80%,迈向超低能耗建筑,再通过可再生能源满足剩余20%-30%的能源需求,最终使新建建筑和既有建筑在2030-2050年达到碳中和。考虑到我国目前经济发展水平及建筑业普遍情况,我国超低能耗建筑的原则为“被动优先、主动优化、经济实用”,因此我国超低能耗、近零能耗建筑目前也统称为“被动式超低能耗绿色建筑”。本文对国际超低能耗体系、我国推动此类建筑的特殊性及情况和未来发展重点进行了介绍。
 
1、国际被动式超低能耗建筑发展
 
    建筑能耗的边界可以划分为两个,第一个边界为建筑能量需求边界,在这个边界上建筑物同室外环境进行能量交换,如太阳辐射和室内得热、围护结构与室外环境之间的能量交换,在这个边界上的能量需求我们定义为负荷,即满足建筑功能和维持室内环境所需要向建筑提供的能量(冷、热、电);第二个边界是建筑能源使用边界,在这个边界上建筑的电力、供暖、空调等能源系统提供建筑需要的能量所消耗的化石能源(图1)。
 
图1 建筑能量边界的划分
 
    现阶段实现建筑的超低能耗主要在建筑的两个能量边界上采取相应的技术措施,技术措施的侧重点的差异产生了不同的低能耗建筑概念。而被动式低能耗建筑强调在建筑能量需求边界上采取措施最大程度地降低建筑能量需求,最小程度地依赖建筑能源系统,进而降低建筑的能源消耗。被动式超低能耗建筑的理念认为降低能耗的关键在于减低需求,而不是提高能源供应的数量和效率。起源于德国的被动房(Passive House)就是秉承这一理念的高性能建筑标准,德国被动房理念又被其他多个国家学习和借鉴并在世界范围内和应用。
 
1.1 德国
    德国被动房的概念最早源于瑞士隆德大学的Bo Adamson(1986年)参加中瑞合作项目工作时,为改善我国长江流域室内建筑环境恶劣的现状提出的解决方案。1988年被动房概念首次被提出,1991年第一栋被动房在德国达姆施塔特被建造,经历了20多年的发展,德国被动房已经成为具有完备技术体系的自愿性超低能耗建筑标准。目前,已经有60000多栋的房屋按照被动房标准建造,其中有约30000栋建筑获得了被动房的认证,主要以住宅为主,也有办公、学校、酒店等类型的建筑。
    德国被动房研究所(passive house institute,PHI)是被动房研究和认证的权威机构,其对被动房的定义为“被动房是一个节能、舒适的建筑节能标准,比既有建筑节能90%以上,比新建建筑节能75%以上;利用高性能围护结构、太阳得热、热回收等技术使建筑不再需要传统的供热系统,并通过通风系统供应持续的新风。”从定义可以看出,被动房通过采用高性能的围护结构将建筑热需求降低,仅需充分利用太阳能和室内的得热即可解决冬季供暖问题。同时通过采用高效热回收系统的新风系统向室内提供清洁的新鲜空气,营造良好舒适的室内环境。即使在极端寒冷的前期下,被动房仅需要使用很少的辅助能源就能满足室内舒适度要求。可以看出被动房主要着眼于解决冬季供暖问题,所应用技术也以解决供暖为主,对应用在夏季需要主动供冷的地区的研究较少。
    德国被动房的认证要求简洁凝练,其认证的要求为:
    1、供暖能耗:供暖能耗≤ 15kWh/(m2•a)或热负荷≤ 10W /m2;当采用空调时,对供冷能耗的要求与供暖能耗一致;
    2、建筑一次能源用量≤120 kWh/(m²a);
    3、气密性必须满足N50≤0.6(注:即在室内外压差50Pa的条件下,每小时的换气次数不得超过0.6次);
    4、超温频率≤10%(注:超温频率定义为全年室内温度高于25℃的小时数与全年时间的比值)。
    被动房认证中仅需要对建筑气密性进行实际测试,其他参数仅通过计算即可,因此被动房并不对建筑实际能源消耗进行要求。
    在被动房的设计和认证的过程中PHPP( Passive House Planning Package)对认证结果的权威性提供了重要的保障,PHPP是一个能够进行建筑热工、冷热负荷、能耗、通风等计算的工具包,另外PHI还对被建筑材料、建筑设备、认证工程师、设计单位、施工单位进行了认证。保证了被动房认证结果的可靠性和权威性。德国被动房标准体系作为被动超低能耗建筑标准体系中最为成熟的一员,在世界范围内受到极大的关注,很多国家都学习和参考德国被动房体系开展适用于本国特色的建筑标准体系的研发和。
 
1.2 丹麦
    由于对全球变暖的担忧和对长期能源供应安全的渴求,上世纪90年代,丹麦政府提出“到2050年丹麦将成为化石能源零依赖的国家”。建筑节能被作为实现这一目标的核心手段,丹麦通过提出严格的建筑节能要求,加强对既有建筑改造,税收政策调控等政策措施,建筑能耗大幅下降。近年来丹麦政府通过不断提高建筑节能标准要求,推进超低能耗建筑的普及,开展建筑节能工作。由丹麦企业主导的主动房(Active house)自愿性超低能耗建筑技术标准在欧洲同样拥有重要的影响力。
    主动房建筑理念是威卢克斯集团提出了一种应对能源和气候挑战的前瞻性理念该理念倡导建筑应该实现气候平衡、居住舒适、感官优美、具备充足的日光照明和新鲜的空气,即实现能耗效率与最佳室内气候之间的平衡,同时保证建筑以动态方式适应周围环境,实现碳中和。在这一理念指导下,建筑将自主生产能源,以可持续地利用资源,有效改善人们的健康水平和居住舒适度。主动房与被动房相比,在强调降低建筑能量需求的前提下,更强调可再生能源在建筑中的应用。目前在全球范围内已有建成和在建主动房40余栋。并显现出快速增长的态势。另外,2000年丹麦也引入了被动房的理念,被动房的认证参考了德国被动房的标准和指标,认证由德国被动房研究所的合作单位丹麦被动房研究所负责。
 
1.3 瑞士
    瑞士政府通过支持研究机构超低能耗建筑。Minergie是由瑞士政府支持的一系列超低能耗建筑技术标准。1994年Minergie的理念被提出,同年两栋示范建筑完成。1997年Minergie理念获得瑞士政府的认可。2001年参照德国被动房技术体系的Minergie-P标准发布。截止到2009年,约有15000栋建筑获得了Minergie认证。Minergie标准体系由Minergie、Minergie-p、Minergie-A和Minergie-ECO等组成。其中Minergie-p标准是在德国被动房技术标准上进行了适当的调整以适合瑞士的气候条件和国情的被动式超低能耗建筑标准,Minergie-P相比于德国被动房标准,对不同类型建筑的供暖能量需求分别做了详细规定。并对增量成本及热舒适做了规定。
 
表1 Minergie-P主要性能要求
 
表2 minergie-P不同建筑类型的供暖能量需求规定
 
1.4 韩国
    2014年7月,韩国政府发布《应对气候变化的零能耗建筑行动计划》,完成了世界第一个国家级零能耗建筑研究的顶层设计,分析了零能耗建筑的障碍,提出零能耗建筑发展目标和具体实施方案,明晰了零能耗建筑财税政策及技术补贴。同时,韩国设立国家重点研究计划,建立国家级科研团队进行零能耗建筑技术的研发,完成示范工程,建立零能耗建筑认证标准。本文针对韩国零能耗建筑发展的现状,对韩国零能耗建筑的定义、发展目标及规划、财税政策、重点研发计划、典型示范项目及认证标准进行了研究。
    在韩国,“零能耗建筑”定义为“将建筑围护结构保温性能最大化从而将能量需求降到最低,然后使用可再生能源供能,从而实现能源自给自足的建筑”。
    为了加速推动零能耗建筑,韩国将广义的“零能耗建筑”具体划分为三种类别,分别是“低层零能耗建筑”(Low-rise Zero Energy Building)、“高层零能耗建筑”(High-rise Zero Energy Building)以及“零能耗建筑社区”(Zero Energy Building Town)。
“低层零能耗建筑”,指层数小于8层,全年供冷、供暖、照明和通风能耗能实现自给自足的建筑。
    “高层型零能耗建筑”,层数大于等于8层,建筑物需要通过最大化的使用自身可提供的可再生能源系统以满足所需的供冷供暖需求,不足的部分可以由附近学校、公园内的可再生能源装置补充。
    “零能耗建筑社区” 指高新智能化的零能耗城市,将零能耗建筑的规模从单体建筑扩展到了城市社区。
    考虑到当前国家经济技术水平,零能耗建筑的实施不能一蹴而就,为此,韩国制定了详细的阶段性发展目标。
2009年7月6日,韩国政府颁布了“绿色增长国家战略及五年计划”,针对零能耗建筑目标做出三步规划:到2012年,实现低能耗建筑目标,建筑制冷/供暖能耗降低50%;到2017年,实现被动房建筑目标,建筑制冷/供暖能耗降低80%;到2025年,全面实现零能耗建筑目标,建筑能耗基本实现供需平衡。
 
1.5 其他国家
    德国被动房被作为被动式超低能耗建筑理念的重要的参考标准在世界范围内被广泛吸收和应用,除上述的丹麦和瑞士外,其他国家被动式超低能耗建筑的方式可以分为三类,第一类为直接应用德国被动房标准,如挪威、新西兰、英国、加拿大等国,第二类为根据本国的气候条件和国情在德国被动房的基础上进行调整,如奥地利、芬兰、意大利等国家,第三类国家仅接受被动式理念,针对本国情况重新开发,如美国、瑞士等。
    被动式超低能耗建筑作为更高节能性能建筑,是建筑节能的中短期目标,欧美发达国家均将超低能耗建筑作为建筑节能的发展方向和现有节能标准的重要补充。为全面提升建筑能效储备技术和产品。被动式超低能耗建筑是目前欧美建筑节能研发和应用的重要领域,欧美主要国家已经或正在制定适应本国国情的被动式超低能耗建筑技术体系。
 
2、我国开展被动式超低能耗建筑应用的特殊国情
 
    中国作为一个历史悠久、国土广袤的多民族发展中大国,在室内环境、建筑特点、居民生活习惯和建筑用能强度等方面与国外相比都有独特之处,且无发达国家成熟经验可供参考,这些都增加了我国被动式超低能耗建筑技术体系的研发难度。
2.1 室内环境标准和生活习惯
    我国是一个发展中国家,经济发展不均衡,不同气候区居住建筑室内环境有着较大的差异,但整体低于发达国家。主要体现在室内温度不达标、新风量不足。欧美发达国家大多严格规定满足用户的新风量,为了保证送风量的稳定,一方面增加建筑的气密性要求,同时使用机械通风保证新风量的供应,在我国开窗是居住建筑获得新风是最普遍的方式,并不对室内新风量进行严格要求。在室内温度方面,我国夏季室内温度显著高于欧美,冬季室内温度普遍偏低,调查表明,冬季严寒和寒冷地区集中供暖的建筑室内温度普遍在18℃以上,但夏热冬冷地区室内温度基本在10℃以下,该地区供暖设施并不普及,室内湿度主要分布在60—90%之间,室内湿冷,舒适度差。在夏季,开窗通风是解决室内过热问题的首选,空调系统间歇运行,室内温度偏高基本分布在25-32℃。
    如果我国被动式超低能耗建筑追求欧美的全空间全时间的高舒适度,对室内环境标准进行大幅度的提升势必导致建筑能耗的快速上升,因此我国被动式低能耗建筑指标体系必须立足于国情,在尊重居民生活习惯和降低建筑能耗的前提下,适当地提高建筑环境标准,营造适合我国居民的健康舒适的室内环境。
 
2.2 气候特点
    不同于德国的单一气候,我国地域广阔,横跨多个气候带,五大建筑气候分区气候特点差异大,表3展示了不同气候区城市间以及中德城市间巨大的气候差异,从气候数据可以看出,对我国不同气候区进行统一的能耗要求是不科学的。从纬度上看柏林比哈尔滨更靠近北极,但其冬季供暖度日数与沈阳接近,供冷度日数与哈尔滨相近,也就是说德国相比于我国同纬度的地区气候更加温和,供暖为主而空调需求较小。从数值上看,德国夏季基本无需空调,我国多数地区夏季存在空调需求。而且,从供暖度日数和供冷度日数上来看,我国不同气候区差异大,东西南北的供暖和空调需求极不均衡,因此我国不同气候区气候的差异使得全国无法实施统一的被动式超低能耗建筑能耗指标,德国被动房指标体系更是无法适用。
 
图2 北京与柏林月平均温度对比情况
 
表3 中德主要城市供暖度日数和供冷度日数
 
    注:HDD18.3:一年中,当某天室外日平均温度低于18.3℃时,将低于18.3℃的度数乘以1天,并将此乘积累加。
    CDH26.7:一年中,当某时刻室外温度高于26.7℃时,将高于26.7℃的数值进行累加。
 
2.3 建筑特点
    我国居住建筑与欧美存在显著差异,国内大型城市新建城镇住宅建筑以高层建筑为主,中小型城市以多层住宅为主,从分布来看,多层住宅是我国住宅的主要形式,高层住宅的比例在不断的提升。欧美居住建筑普遍为三层及三层以下的别墅,德国约85%(以面积计算)的居住建筑为三层和三层以下(Villa),15%为中高层公寓(Aparment)。与德国建筑相比我国建筑密度大,容积率高,公共空间面积大,公共外门频繁开启,导致了能耗特点的明显差异。
    我国住宅空置率偏高是另一个对被动式超低能耗建筑指标体系产生重要影响的因素,数据表明我国住宅的空置率在20%~30%变化。2007年对北京50个2003年~2006年入住的小区调查表明,空置住房占被调查住房的比例高达27.16%,而且空置率从市中心向外逐渐升高的现象明显。空置率过高导致的户间传热损失大和集中设备负荷率低对建筑能耗产生重要的影响,因此我国的被动式超低能耗建筑技术体系应考虑我国独特的建筑特征的影响。
 
2.4 建筑能耗特点
    不同于发达国家的高舒适度和高保证率下的高能耗,我国建筑能耗特点为低舒适度和低保证率下的低能耗,且我国不同年代建筑能耗强度差异大。数据表明,英法德意四国普通居住建筑单位面积能耗为35kgce/m2•a(一次能源消耗量约为285kWh/m2•a),我国普通城镇居住建筑单位面积能耗仅为14.5kgce/m2•a(一次能源消耗量约为118kWh/m2•a),现有居住建筑的能耗本来就满足德国被动房一次能源消耗≤120kWh/m2•a的要求。不可否认,随着生活水平的提高,建筑能耗强度会有所上升,但就现阶段而言,德国被动房指标体系中的一次能源消耗量要求对于我国是不适用的。
 
3、中国被动式超低能耗建筑指标体系的建立
    在立足于我国基本国情,吸收和借鉴欧洲被动式低能耗建筑体系的基础上,细致分析国内现有被动式超低能耗建筑试点工程,充分考虑经济发展水平、产业情况、建筑特点、居民生活习惯的因素,科学合理地制定了中国被动式超低能耗建筑指标体系。该体系以控制性性能要求作为核心评价标准并推荐对应指标的技术和做法,对室内环境要求、能耗指标等进行了科学严谨的规定。我国被动式超低能耗建筑的定义为“被动式超低能耗建筑指通过最大限度提高建筑围护结构保温隔热性能和气密性,充分利用自然通风、自然采光、太阳辐射和室内非供暖热源得热等被动式技术手段,将供暖和空调需求降到最低,实现舒适的室内环境并与自然和谐共生的建筑。”
 
3.1 健康舒适的建筑室内环境标准
    营造健康、舒适的室内环境是被动式超低能耗建筑的核心目的之一。就像保温瓶的保温原理一样,被动式超低能耗建筑的高保温性能的外围护结构使室内能够保持适宜的温度。无论是寒冷的冬季还是炎热的夏季,被动式超低能耗建筑通过被动技术措施使室内温度在适宜的范围内波动。在我国传统的习惯中,居民在室外环境适宜时,通过开窗调节室内的环境。
    在自然通风的环境下,人可以获得满意的舒适度,这也是被动式超低能耗建筑追求的目标,而当室外气象条件无法通过自然通风满足人体的热舒适要求时,主动供冷或供暖系统将启动,用以保持适宜的室内环境。被动式超低能耗建筑通过高效的新风系统能够在室外环境不适宜开启外窗自然通风的时,以极低的能源消耗,在保证室内温度恒定的前提下,提供充足、健康、新鲜的空气,新风量不少于30m3/(h•人)保证室内良好的空气品质,因此,被动式超低能耗建筑能够提供充足健康的新风。
    被动式超低能耗建筑使用被动式技术在所有的气候区都能够营造健康和舒适的室内环境,它通过供暖系统保证冬季室内温度不低于20℃,在过渡季,通过高性能的外墙和外窗遮阳系统保证室内温度在20-26℃之间波动,在夏季,当室外温度低于28℃、相对湿度低于70%时,通过自然通风保证室内舒适的室内环境,当室外温度高于28℃或相对湿度高于70%时以及其它室外环境不适宜自然通风的情况下,主动供冷系统将会启动,使室内温度≤26℃,相对湿度≤60%。当然,在一些气候区,被动式超低能耗建筑可以不使用主动供暖或供冷系统也可以保证室内有很好的舒适度,当不设供暖设施时,要求过冷小时数≤10%,当不设空调设施时,要求过热小时数≤10%。例如,在严寒地区,仅通过被动式技术就可以保证夏季室内保持舒适的温度,或是在夏热冬暖气候区,良好的围护结构使得冬季不采用主动供暖系统,改善冬季室内温度偏低的情况。我国被动式超低能耗建筑的室内环境较现有水平有较大的提升,但不盲目追求欧美过高的舒适度和保证率。
注:【过冷小时数】全年室内温度低于20℃的小时数占全年时间的比例;
       【过热小时数】全年室内温度高于28℃的小时数占全年时间的比例。
 
3.2 科学合理的主要控制性性能指标的制定
    控制性性能指标作为被动式超低能耗建筑技术体系的核心,其科学合理对被动式超低能耗建筑的发展有着至关重要的意义。控制性性能指标由单位面积年供暖量和年供冷量要求、气密性要求、供暖空调和照明年一次能源消耗三项指标组成,单位面积年供暖量和供冷量要求主要立足于通过被动技术将建筑物的冷热需求减低到最低,低至仅新风系统即可承担建筑的冷、热负荷,不再需要传统的供热和供冷设施,尤其是集中供热,使被动式超低能耗建筑的经济性产生质的变化。气密性要求主要是保证建筑物在需要时能够与室外环境有良好的隔绝,当建筑的围护结构足够好时,室外空气渗透就成了影响建筑室内环境的主要因素。而良好的气密性可以降低建筑室外环境对室内环境的影响,如在供暖和供冷或当室外PM2.5超标时,室内环境需要与室内环境完全隔绝,此时良好的气密性;一次能源消耗指标则是要求在建筑物在能量需求极低的前提下,能源消耗最少。根据国内外被动式超低能耗建筑工程实践情况,在考虑技术措施适宜性和气候特点的前提下对我国不同气候区典型城市典型被动式超低能耗建筑进行优化设计,其中年供热量和供冷量的计算结果见图3。
 
图3 我国不同气候区典型城市典型被动式超低能耗建筑年供热量和供冷量计算结果
 
表4 不同气候区典型城市气象参数
 
    从计算结果可以看出,我国绝大多数地区有空调需求,通过采取不同的技术措施,建筑的年供暖量都可以控制在15kWh/ m2•a以下,但南方地区年供冷量需求依然较大,在上述研究成果的基础上初步确定了被动式超低能耗建筑的控制性性能指标,主要控制性指标如下。
 
表5 不同气候区控制性指标要求
 
1、年供暖量、年供冷量满足表5要求;
2、年供暖、空调和照明总一次能源消耗量≤45 kWh/m2.a/(5.6kgce/m2.a);
3、气密性必须满足N50≤0.6。
注:1.N50≤0.6,即在室内外压差50Pa的条件下,每小时的换气次数不得超过0.6次。
 
    被动式超低能耗建筑作为更高节能性能的建筑,在舒适、健康和节能方面有着独特的优势。通过采用适宜的技术在不同气候区都能提高室内环境并大幅度减少建筑的能源消耗。通过对被动式超低能耗建筑和满足国家标准的新建建筑进行能耗模拟分析计算(计算结果见图4和图5)可以看出,在严寒和寒冷地区,被动式超低能耗建筑同执行国家现行建筑节能标准的新建建筑相比,供热需求量降低75%以上并大幅减少空调使用的时间,在夏热冬冷和夏热冬暖地区,被动式技术的应用使得冬季在降低供暖能耗的前提下,室内环境大幅度改善,冬季室内温度在18℃以上,与此同时,夏季空调能耗降低50%以上,而在温和地区,被动式超低能耗建筑在不使用主动供暖空调技术的前提下,改善冬夏室内环境,提高建筑舒适度。
 
图4 年供暖量计算结果
 
图5 年供热量计算结果
    但就节能效果、技术难度和经济性而言,被动式超低能耗的的次序应该为严寒和寒冷地区,夏热冬冷地区,夏热冬暖地区。
 
3.3 主要技术措施
    被动式超低能耗建筑的核心要素是以超低的建筑能耗值为约束目标;具有高保温隔热性能和高气密性的外围护结构;高效热回收的新风系统。被动优先、主动优化、使用可再生能源是实现被动式超低能耗建筑的基本路线,它并不是高科技的堆砌,其更重要的内涵是回归建筑的根本,科学规划设计和精细施工,建造高品质的精品建筑。
    被动式超低能耗建筑主要依赖高性能围护结构、新风热回收、气密性、可调遮阳等建筑技术,但实现被动式超低能耗的难点主要在技术的适宜性和多种技术的集成,是如何提供一个基于被动式理念的系统解决方案。被动式的核心理念强调直接利用太阳光、风力、地形、植被等场地自然条件,通过优化规划和建筑设计,实现建筑在非机械、不耗能或少耗能的条件下,全部或部分满足建筑供暖、降温及采光等需求,达到降低建筑使用能量需求进而降低能耗,提高室内环境性能的目的。因此,实现被动式超低能耗建筑需要更加科学合理的进行建筑设计,建筑师与暖通工程师的紧密配合,确定合理的建筑方案和设计,利用性能化设计方法提供实现既定目标的系统解决方案,提升建筑设计的科技含量和附加值。
(本文收录于中国城市科学研究会主编的《中国绿色建筑2016》,作者系中国建筑科学研究院环境与节能研究院院长)
 
中国近零能耗建筑技术标准与工程实践
徐伟
(为避免干扰,建议佩戴耳机。)
 
 
 
 
嘉宾演讲PPT
(来源于第12届国际绿色建筑大会分论坛)
 
 
 
 
 
 
 
 

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