跟著菲斯特教授學(xué)被動房【八】

《德國被動房基礎(chǔ)理論》課程，共8節(jié)，由德國被動房研究所沃爾夫?qū)し扑固亟淌谥v授，沈陽建筑大學(xué)夏曉東講述，柴澤賓翻譯，沈陽建筑大學(xué)建筑節(jié)能技術(shù)研究中心錄制。本課程已獲授權(quán)，轉(zhuǎn)載必究。

第八節(jié)   建筑的能量平衡

課程PPT及講義

【P1】

這節(jié)課是第八節(jié)，我們來講一下建筑中能量的平衡。

【P2】

我們來看這張圖片，這是在冬季，室外的溫度是低于室內(nèi)的，我們?yōu)榱吮ＷC室內(nèi)的溫度比較穩(wěn)定，那么就需要室內(nèi)的熱損失和補(bǔ)充的熱量是平衡的，也就是ΔU=0。我們看看熱損失的部分，熱損失部分包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失，通風(fēng)的熱損失還有其他的一些熱損失；在得熱方面，首先是太陽能得熱，室內(nèi)的家用電器得熱和室內(nèi)人員得熱，還有就是建筑采暖所補(bǔ)充的能量。

【P3】

在國際上應(yīng)用EN ISO 13790這個標(biāo)準(zhǔn)，德國被動房研究所開發(fā)的PHPP計算軟件的計算內(nèi)核就是基于這個標(biāo)準(zhǔn)，左側(cè)的一列是建筑的熱損失，上面是門窗的熱損失，它分為南向和北向兩個部分，就北半球而言，南向的窗可以接受太陽的直接輻射，北向的窗只有間接的輻射；第三部分是屋頂?shù)臒釗p失，第四部分藍(lán)色的的是外墻的熱損失，第五部分是地面的熱損失，最后淺藍(lán)色的部分是通風(fēng)熱損失；

右側(cè)的一列是建筑的得熱與熱量補(bǔ)充，同樣最上面的是通過外窗得到的太陽輻射得熱，這里我們看一下，南向所占的比例較大，北向的比例較小，南向的外窗的得熱是大于失熱的，這種情況是只有在建筑外窗是高性能外窗才能實現(xiàn)的，這就是為什么在寒冷地區(qū)我們推薦三玻雙low-e的玻璃的原因。

中間黃色的部分是室內(nèi)得熱，也就是人體的散熱、我們室內(nèi)用的電腦的散熱、烹飪炊事帶來的熱量等等，外窗得熱和室內(nèi)得熱這兩個部分是免費(fèi)的得熱，但是這兩部分的總和是不足以平衡建筑的熱損失的，因此就需要一定量的采暖熱補(bǔ)充，平衡就是建筑得熱總量要等于建筑失熱的總量。

這個能量平衡的原理是放在地球上任何地方都適用的，無論是在沈陽還是在香港，這個原理都不變。無論是低層的聯(lián)排別墅，還是高層的大樓，這個原理也都適用。不同的只是計算的邊界條件不同。那么通過之前的幾節(jié)課我們介紹了各部分是如何計算的，下面我們通過一個例子來介紹一下能量的平衡。

【P4】

我們還是再來看這棟建筑的剖面圖，首先我們要明確建筑的計算尺寸邊界，他的尺寸是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外邊界，這樣我們就可以計算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的面積，這是比較容易計算的。

【P5】

我們前面已經(jīng)講過，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的一個構(gòu)件是如何計算他的熱損失的，也就是通過構(gòu)件的傳熱系數(shù)乘以構(gòu)件的相應(yīng)面積乘以室內(nèi)外的溫差再乘以采暖時間，Δθ×Δt也叫做采暖度時數(shù)。它和我國暖通空調(diào)計算中的采暖度日數(shù)類似。那么上面案例中的墻體的熱損失就可以代入相應(yīng)的計算參數(shù)得出每年的熱損失值。

【P6】

大家還記得我們之前講過的不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)的計算方法，也就是構(gòu)件總傳熱阻的倒數(shù)。

【P7】

對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失的計算呢，大家可以通過PHPP軟件來完成，我們來看一下PHPP中的計算界面，上面兩個數(shù)字是構(gòu)件內(nèi)外表面?zhèn)鳠嶙?，?nèi)部是0.13、外部是0.08，下面有一個構(gòu)造的表格，有若干行，這里我們可以將圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造層次逐層輸入到表格中，并輸入材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ，在表格的最右側(cè)是各構(gòu)造層的相應(yīng)厚度，這樣我們就可以通過軟件，計算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總厚度和傳熱系數(shù)，那么用軟件來操作是比較便捷的，也更精確。

【P8】

對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中常規(guī)部位的傳熱損失的計算，就是所有圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分的熱損失的總和。比如有外墻、外窗、屋面、地面各部分。這個值是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中常規(guī)部分傳熱的熱損失，不包括熱橋部位的熱損失。

【P9】

那么前面的章節(jié)我們講過，對整個建筑的傳熱損失的計算需要加上熱橋部分的熱損失，也就是這個公式，建筑的總傳熱損失Ht是由三部分組成的，分別是常規(guī)部位的傳熱損失加上線性熱橋的傳熱損失再加上點(diǎn)狀熱橋的傳熱損失。線性熱橋前面的課程中我們介紹過通常是那些位置和相應(yīng)的計算方法。

這里說一下點(diǎn)狀熱橋，這是以點(diǎn)狀形式分布在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的熱橋部位，比如導(dǎo)熱系數(shù)較大的保溫板錨栓、穿過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的管線、圍護(hù)結(jié)構(gòu)中懸挑出的一些欄桿的連接點(diǎn)等。他的計算是計算出點(diǎn)狀熱橋的熱損失系數(shù)乘以熱橋的個數(shù)。

【P10】

那么在PHPP軟件中我們可以更容易的計算出來，這個表格是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失的計算表格，左側(cè)一列輸入圍護(hù)結(jié)構(gòu)中各部分構(gòu)件的名稱，比如外窗、外墻、屋面、地面等，第二列第三列就是相應(yīng)的面積，第四列是相應(yīng)的傳熱系數(shù)，第五列是修正系數(shù)，第六列是前面提到的采暖度時數(shù)，最后一列就是自動計算得出的相應(yīng)的傳熱損失。

這里提一下第九行，這里就是熱橋部位，前面講過如果熱橋部位處理得好，熱橋傳熱損失系數(shù)可以是負(fù)值，那么乘以相應(yīng)的長度后，可以看到在熱損失中他可以減掉一部分。最后一列下面的數(shù)值就是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失的總和，最下面是單位面積的熱損失量，也就是kWh每平方米。表格中黃色的區(qū)域是手動輸入的，其他部分是根據(jù)建筑所在氣候區(qū)等條件自動生成的。

為了增強(qiáng)PHPP計算軟件與建筑設(shè)計的結(jié)合，我們新開發(fā)了一個軟件design PH，它是可以與建筑學(xué)的草圖大師sketchup等繪圖軟件相關(guān)聯(lián)的，這樣就可以在建筑師做建筑設(shè)計的模型中直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)，提高了效率。

介紹到這里呢，我們已經(jīng)將整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失計算出來了。那么還有一部分通風(fēng)的熱損失需要計算。

【P11】

那么通風(fēng)可以通過這個公式計算，建筑中空氣的體積乘以設(shè)備的空氣交換率乘以空氣中的熱密度再乘以采暖度時數(shù)，這樣就可以計算出機(jī)械通風(fēng)的熱損失。

【P12】

當(dāng)然這樣的計算也是可以在PHPP里面完成。我們可以輸入房間的室內(nèi)面積和房間的凈高，這樣就可以計算出空氣的體積，也就是296m3，設(shè)備的空氣交換率是考慮了熱回收率之后的，設(shè)備的熱回收率是80%，空氣交換率是0.406，這個0.406是通過計算得來的，后面的0.016是滲透進(jìn)來的空氣部分，它的大小取決于氣密性的高低，氣密性越高這個值就越小，最后計算得出機(jī)械通風(fēng)的熱損失總量是729kWh，那么再除以室內(nèi)的面積118.3平方米，得出了單位面積的通風(fēng)損失指標(biāo)。

【P13】

現(xiàn)在大概介紹一下前面的0.406是怎么來的，這是PHPP軟件中的表格，是關(guān)于通風(fēng)設(shè)計值的PHPP計算示范。第二行的4代表建筑室內(nèi)有4個人，下面的30這個值是每人每小時所需新風(fēng)量，那么每小時所需總新風(fēng)量就是120，下面橫排的排風(fēng)是不同房間的排風(fēng)量，大家還記得這個60、40、20所對應(yīng)的房間，這里輸入相應(yīng)的數(shù)量，那么進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)是要平衡的因此也是120。

右下角部分表格是需要考慮的影響系數(shù)（基本值、標(biāo)準(zhǔn)值和最大值）。輸入這些相應(yīng)的數(shù)值后，PHPP會計算出這個空氣交換率。

以上我們介紹了建筑的絕大部分的熱損失。接下來我們介紹建筑的得熱。

【P14】

建筑的得熱部分首先是太陽能的得熱，太陽能得熱是通過外窗玻璃進(jìn)入到室內(nèi)的，那么它的計算就和玻璃的性能相關(guān)。

他的計算可以按這個公式，r是玻璃的遮擋折減系數(shù)，因為經(jīng)常會有一些灰塵、窗上沿的遮擋，外窗的遮陽，南向樹木的遮擋等等因素會對外窗有影響，g是玻璃的太陽能得熱系數(shù)，也就是說我們使用了三層玻璃，在太陽輻射穿透窗玻璃的過程中是有削弱的，Aw是玻璃的面積，Sg是垂直面的太陽能輻射得熱量，它是根據(jù)建筑所處地理位置的一個平均值，可以認(rèn)為是一個常量。

外窗的太陽能得熱計算是非常繁瑣的，因為會有各種因素影響太陽輻射得熱，但是我們必須要精確的計算，主要復(fù)雜的部分就是這個折減系數(shù)，如果忽視了折減系數(shù)，計算出的得熱量會很大，這樣的能量平衡是不準(zhǔn)確的，因為計算大了太陽能得熱，而實際使用過程中卻沒有這么多得熱，就會造成采暖熱補(bǔ)充的能耗量增加，或者室內(nèi)溫度達(dá)不到設(shè)計要求。

【P15】

同樣這個太陽能得熱計算也可以在PHPP軟件中完成，這里第一列是東南西北和水平的方向，第二列就是折減系數(shù)，第三列是玻璃的太陽能得熱系數(shù)，第四列是玻璃面積，第五列是各個方向垂直面的太陽能輻射得熱量，最后一列就是各個方向的太陽能得熱值，下面是各個方向的太陽能得熱總和，最下面是單位面積的得熱指標(biāo)。

在這個表格中東向和西向是沒有外窗的，因此相應(yīng)的參數(shù)都是零。這張表格中我們可以看到?jīng)]有黃色的輸入部分，是因為在外窗的表格中已經(jīng)錄入了相關(guān)信息，這個表格調(diào)用外窗的尺寸、性能參數(shù)、遮陽等數(shù)據(jù)之后，可以自動計算得出。

【P16】

接下來我們要進(jìn)行計算的就是室內(nèi)得熱，包括室內(nèi)的人員、家用電器、生活熱水等所散發(fā)出來的熱量。在這個公式里，我們看到qi這個值就是室內(nèi)單位面積得熱值，也就是2.1W/㎡這個值，它是我們對所有被動房項目進(jìn)行實測計算后制定的一個數(shù)值，這個值定在2.1是比較保守的，這是因為很多情況下，室內(nèi)的很多潛在的熱源并不能提供有效的室內(nèi)得熱，例如自動加熱熱水的洗衣機(jī)會把熱廢水直接排掉而并未對室內(nèi)得熱產(chǎn)生有效的影響。

此外，室內(nèi)得熱的計算還要乘以室內(nèi)面積Aeb和采暖時間Δt。

【P17】

室內(nèi)的這部分得熱確實是有作用的，但是他的值一般并不會太大。那么當(dāng)然，還有一些室內(nèi)得熱是沒有考慮的，比如一些不太規(guī)律的熱量來源和熱量損失。

【P18】

比如在這張室內(nèi)衛(wèi)生間的紅外熱成像的照片中我們可以看到，整個房間里的溫度都是比較高的，但是我們可以看到那個藍(lán)色的部分，它是什么呢？它是一條濕毛巾，他的右側(cè)還有一條干毛巾，干毛巾的溫度和室內(nèi)溫度差不多，這條濕毛巾由于吸入了涼水它的溫度比較低，他就會抵消掉室內(nèi)的一部分熱量。

【P19】

這張圖片又是什么呢，它是馬桶的水箱的熱成像照片，我們可以看到馬桶沖完水后，重新注入了冷水，那么它的溫度就比較低，同樣他也會抵消掉室內(nèi)的熱量。

【P20】

那么我們對馬桶水箱進(jìn)行了監(jiān)測，這張圖表就是反映出來的數(shù)據(jù)情況，圖中藍(lán)色的線是室內(nèi)的溫度，在22攝氏度左右，這個綠色的線是水箱中的水溫，我們可以看到?jīng)_完水后重新注入的冷水只有9.5攝氏度，那么他開始逐漸升溫，大概兩小時40分鐘左右升高到了17.5攝氏度，然后又是一次使用沖水，之后大概又經(jīng)過了5個多小時，水溫達(dá)到了19.3攝氏度，之后再使用沖水，幾個小時之后達(dá)到了19.7攝氏度。

為什么每次沖完水溫度不太一樣呢，是因為我們現(xiàn)在的馬桶有節(jié)水功能，一般都有兩個按鈕，一個是水量少的，兩個一起按沖水量大，所以沖水量少的時候，補(bǔ)充的冷水與水箱里的存水相混合后，溫度會高一些。但是，可以得出的是每一次沖水都帶走了室內(nèi)的熱量。這也就是室內(nèi)的得熱與失熱的不確定性。

【P21】

那么接下來的部分是比較復(fù)雜的部分，前面的各部分計算我們都是有計算依據(jù)的，也就是有明確的物理依據(jù)，可以由公式計算。

那么接下來要講的部分是需要依賴于計算機(jī)模擬的計算部分，這是在上世紀(jì)七八十年代科研人員進(jìn)行的一些研究，有一些研究的結(jié)果已經(jīng)寫入了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，還有一些還沒有得到明確的物理依據(jù)，也沒有明確的和標(biāo)準(zhǔn)的計算公式。

他的核心問題就是太陽能得熱量和室內(nèi)得熱量并不是100%有效利用的，需要乘以一個利用系數(shù)η。在介紹η之前我們先看一下這個γ，它是建筑免費(fèi)的得熱量除以建筑總的熱損失，也就是太陽能得熱和室內(nèi)得熱之和除以圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失和通風(fēng)的熱損失之和。

那么利用系數(shù)η可以參考下面這個公式，它是和a值相關(guān)的，這個a值是關(guān)于時間的量，這個a值越高，太陽能的利用率就越高，大家不用太過于糾結(jié)這個公式是怎么來的，因為他還沒有特別精確的和標(biāo)準(zhǔn)的計算。

【P22】

那么下面我們通過一個圖表解釋一下，這張圖表的橫軸就是γ，縱軸就是利用系數(shù)η，我們可以看到橫軸γ值在100%的時候，正好是免費(fèi)的得熱和建筑熱損失相等的時候，這個紅顏色的曲線是理論上限，而實際上室內(nèi)得熱并不是完全有效利用的，那么實際情況就是下面這條綠線，它是達(dá)不到理論狀態(tài)的，不同性能的建筑，對應(yīng)的曲線也是不同的，被動房建筑由于他保存熱量的能力非常強(qiáng)，這個曲線的斜率相對比較平緩，那么如果建筑保存熱量的能力不足，這條曲線就會越陡，也就是快速的直線下降了，對于大部分的被動房建筑，曲線都是沿著綠線和紅線之間分布的。

那么以我們舉例的這棟建筑來講，他的免費(fèi)得熱和總熱損失的比例是59%，這樣對應(yīng)的利用系數(shù)η是97%，他表示的是太陽能得熱和室內(nèi)得熱真實所用的比例，還有3%是用不上的。

【P23】

介紹到這里呢，我們就可以寫出完整的能量平衡的公式，他也是國際通用的公式，也就是每年采暖的熱需求量，他等于總的熱損失減去總的得熱量乘以利用系數(shù)η的值，就是需要補(bǔ)充的能量。那么我們計算了一下我們這個案例，最后得出15.4kWh每年每平米這樣一個數(shù)值。

【P24】

那么我們再來重新看一下這張能量平衡的圖片，在熱損失部分里面最上面有一小部分，它是沒有被有效利用的得熱，實際上也就是失熱。這樣我們就從總體上認(rèn)識了建筑的能量平衡，這一節(jié)的能量平衡部分我們就介紹到這里。

好，這節(jié)課我們就介紹到這里，謝謝！

以上也就是本系列公開課的全部內(nèi)容，能夠堅持看到視頻最后一節(jié)的人不會很多，感謝大家的聆聽，希望對您的職業(yè)生涯有所幫助。

點(diǎn)擊回看：第一節(jié)   被動房概述

點(diǎn)擊回看：第二節(jié)   圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱

點(diǎn)擊回看：第三節(jié) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性

點(diǎn)擊回看：第四節(jié) 建筑外門窗

點(diǎn)擊回看：第五節(jié) 避免熱橋

點(diǎn)擊回看：第六節(jié) 建筑通風(fēng)

點(diǎn)擊回看：第七節(jié) 機(jī)械通風(fēng)