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德國被動房超低能耗綠色建筑技術體系

2017-09-14 17:25來源:洲聯(lián)集團-五合國際作者:盧求
中文摘要

本文系統(tǒng)介紹了被動房的起源,德國被動房的技術體系,包括被動房的核心技術指標,被動房計算模型邊界條件,被動房住宅的設計要點,既有建筑被動房技術改造。分析了被動房的優(yōu)點和發(fā)展趨勢,被動房的成本增量與政府資助措施以及三個項目案例。文章結尾對中國被動房的發(fā)展提出了思考與建議。

1.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,僅通過圍護結構保溫就能實現(xiàn)較舒適的室內環(huán)境。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(圖1)。這艘35m長、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、北極極度寒冷氣候條件下,該船不需要開啟采暖火爐,即可保持船體內較為舒適的溫度。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,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。

     

1挪威弗拉姆(Fram)號極地考察船,資料來源www. timbowden.com.au


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驗。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。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,但還是沒能找到最佳技術組合。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)保證室內空氣質量,而根據(jù)當時的技術,僅維持室內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。



2.德國低能耗建筑的分類標準和近零能耗建筑發(fā)展目標


德國經過幾十年的努力與實踐,建筑節(jié)能技術和標準大幅提高。德國低能耗建筑根據(jù)建筑能耗水平劃分為3個等級。在達到相關規(guī)范所要求的建筑室內舒適度和健康標準的前提下,建筑物對一次性能源的需求量如表1所示。


類型

采暖能耗

低能耗建筑(low energy house

3060  KWh/m2·a

三升油建筑(three liter house

1530KWh/m2·a

被動房超低能耗建筑( passive house

15KWh/m2·a

1 不同建筑一次能源需求量


除此之外,還有兩個重要的概念,零能耗建筑(zero energy building)和產能建筑(plus energy building)。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,建筑不依靠外部能源;產能建筑采用可再生能源(太陽能、生物質能等),覆蓋所需能源之外,建筑向外部輸出能源。


需要注意的是,這里的能耗是指一次性能耗(primaryenergy),房屋采暖使用的能耗為終端能耗(end energy),一次性能源(石油、煤、天然氣等)經過燃燒和輸送才能把熱能送到房間里,這一過程中有相當?shù)膿p耗,因而,如果房間里采暖使用1kWh的能源,則需要大于1kWh的一次性能源供應。如果使用電加熱,使用1kWh的電則大約需要消耗3kWh的煤炭,是一次性能源消耗量的3倍。


德國2014版節(jié)能條例于2014年5月1日生效。新版節(jié)能條例在2009版節(jié)能條例的基礎上,提高了建筑節(jié)能要求,分兩步共降低建筑一次性能源消耗量25%。執(zhí)行新版節(jié)能條例后,建筑采暖能耗約為50kWh/m2.a,即德國新建建筑都必須達到低能耗建筑的標準。


德國要求自2021年起新建建筑達到“近零能耗建筑”(nearly zero-energy building)標準?!敖隳芎慕ㄖ笔侵附ㄖ锞哂蟹浅8叩墓?jié)能性能,建筑物在運行過程中按照歐盟指令2010/31/EU附件1方法計算出的運行所需的一次性能源消耗幾乎為零或非常低,而這部分能源消耗的大部分由建筑自身或附近生產的可再生能源提供。


德國《節(jié)能法》(EnEG2013)要求自2019年起新建政府公共建筑達到近零能耗建筑標準、2021年起所有新建建筑達到近零能耗建筑標準、2050年所有存量建筑改造成近零能耗建筑。采用被動房超低能耗建筑技術體系和提升可再生能源使用比例是德國實現(xiàn)上述宏偉目標的主要技術路線。



3.德國被動房和被動房研究院的誕生


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(圖2)。阿達姆森教授和菲斯特博士都是建筑物理學家和工程師。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(圖3~5)。這是一座4戶連排私人投資建設的住宅,每戶156m2,建筑師是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。


2 Bo Adamson(左)和Wolfgang Feist 1998/杜塞爾多夫在第二屆被動房年會上,資料來源 PHI


3 世界上第一棟被動房建筑德國Darmstadt-Kranichstein連排住宅,資料來源 PHI


4 德國Darmstadt-Kranichstein連排住宅室內環(huán)境,資料來源 PHI


5 德國Darmstadt-Kranichstein連排住宅剖面,資料來源 PHI


1996年,菲斯特博士在德國達姆施塔特創(chuàng)建了“被動房”研究院(PassiveHouse Institute簡稱PHI),該研究院作為獨立的科研學術機構,是被動式建筑研究領域的權威機構,為世界上第一棟被動式住宅、第一棟被動式辦公建筑、第一棟被動式學校建筑、第一棟被動式體育館、第一棟被動式游泳館、第一棟被動式工業(yè)建筑、第一棟既有建筑被動式改造等提供設計咨詢、技術支持及后續(xù)跟蹤研究。同時,被動房研究院編制出版了被動房設計手冊(PHPP,Passive House Planning Package)、被動房計算軟件、被動房評價認證標準、被動房部品認證標準,并不斷進行設計方法和認證標準的維護和更新,并對達到被動房標準的建筑、建筑部品(門窗、保溫系統(tǒng)、空調、新風設備等)進行認證。


圖6德國被動房認證標識



4.德國被動房的技術體系


4.1被動房的定義

在德國,被動房是指僅利用高效保溫隔熱、太陽能、建筑內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)建筑全年達到ISO7730規(guī)范要求的室內舒適溫度范圍的建筑。


被動房舒適度核心指標包括:室內溫度20~26℃;圍合房間各面的表面溫度不低于室內溫度3℃;空氣相對濕度:40%~60%;室內空氣流速小于0.2m/s。室內表面不能出現(xiàn)凝結水和長霉。德國被動房標準不僅能耗超低,而且室內舒適度明顯高于我國現(xiàn)行規(guī)范要求。

被動房核心能耗指標包括:被動房的采暖能耗量≤15kWh/m2.a,一次能源總消耗量≤120kWh/m2.a。


4.2被動房住宅建筑的設計(針對中歐地區(qū)氣候條件)

被動房需要細致精心的設計與施工。設計建造被動房,需從以下幾方面入手:緊湊的建筑體型系數(shù),控制窗墻比,極好的外圍護結構保溫隔熱性能(屋面、墻體、地面、門窗),適當?shù)恼陉栐O施,嚴格的建筑氣密性要求,帶有高效熱回收的通風換氣系統(tǒng)(圖7)。在設計過程中通常須滿足以下要求:


(1)高效外保溫:不透明的外維護結構的U值必須小于0.15W/m2k。即當室內外溫差為10℃時,外墻散熱量不超過1.5W/m2。


(2)高效外窗:透明的圍護結構(窗戶、幕墻等,含窗框)的U值必須小于0.8W/m2k,總能量穿透率G值小于50%。


(3)東西向窗(±50°)和水平窗(坡度小于75°)的窗地比小于15%,南向窗的窗地比小于25%,超過限值須設置遮陽系數(shù)大于75%的可移動式遮陽設施。


(4)舒適新風系統(tǒng),保持室內有足夠的新鮮空氣,余熱回收率75%以上。在室內出風口的送風溫度不得低于17℃。必須保證均勻流過的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。


(5)每個居室、臥室等主要房間至少有一扇可開啟窗戶,盡量保證建筑對流通風降溫。


(6)杜絕冷橋,所有建筑外圍護結構,特別是陽臺、挑檐、女兒墻、飄窗等出挑部件必須嚴格保溫處理。


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


7 被動房構成要素示意圖,資料來源 PHI


4.3被動房核心技術指標

被動房的采暖一次能耗量≤15kWh/m2.a,或采暖負荷≤10W/m2;制冷(含除濕)一次性能耗小于15kWh/m2.a+0.3W/(m2.aK)·TGHTrockengradstunden)。或制冷負荷≤10W/m2,同時制冷需求≤4kWh/( m2·a K).?e+2x0.3W/(m2aK).TGH–75kWh/(m2·a)。但最高不超過45kWh(m2a)+0.3W/(m2aK)·TGH。按照被動房設計手冊(Passive House PlanningPackage ,PHPP計算方法計算。


其中?e:年平均室外溫度℃,TGH:干度時數(shù),指全年之中,露點溫度和參考溫度(13℃)的差值為正數(shù)時,所有時間的積分數(shù)值。


一次能源總消耗量不超過120kWh/m2.a(含采暖、制冷、生活熱水、家用電器,輔助電源、公攤用電等,按照被動房設計手冊PHPP方法計算);建筑氣密性n50小于0.6/h(在室內外空氣壓差為50Pa的情況,換氣量小于每小時0.6倍)。


4.4被動房設計計算模型邊界條件

按照被動房設計手冊(PHPP)的要求,被動房設計計算模型邊界條件如下,采暖設計溫度20℃,空調設計溫度25℃,人員密度35m2/人,換氣量20~30m3/h人,最小換氣量0.3倍,室內CO2含量小于1 000ppm,生活熱水需求60℃,25L/人天,室內熱源2.1W/m2,夏天室溫超溫頻率(超過25℃時間)小于10%,等等。


此外,被動房的設計建造還需滿足德國其他相關規(guī)范,如:

(1)舒適度標準:《適中的熱環(huán)境—PMV與PPD指標的確定及熱舒適條件的確定》(ISO7730);

(2)外墻U值:EN6946;

(3)冷橋:ISO10211;

(4)外窗:ISO10077;

(5)玻璃Ug值:EN673、g-Wert EN 410;等等。


4.5德國被動房標準對既有建筑改造的評價和認證

對既有建筑改造的認證(EnerPHit)可以通過兩種方法獲得:


4.5.1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QH25kWh/m2.a年。同時須滿足外維護結構基本傳熱系數(shù)限值要求。

4.5.2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。


主要技術要求如下:

(1)不透明外墻外保溫,傳熱系數(shù)≤0.15W/m2K;

(2)不透明外墻內保溫,傳熱系數(shù)≤0.35W/m2K。內保溫系統(tǒng)只適用建筑外保溫法規(guī)上被禁止使用,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濟的情況下;

(3)外窗傳熱系數(shù)≤0.85W/m2K(安裝到建筑上的綜合U值);

(4)戶門傳熱系數(shù)≤0.85W/m2K(安裝到建筑上的綜合U值);

(5)所有采暖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≥75%;

(6)氣密性最低要求n50≤1.0/h,目標值n50≤0.6/h;

(7)采取適當?shù)臉嬙齑胧?,保證建筑內墻不出現(xiàn)任何潮濕結露現(xiàn)象。



5.被動房的優(yōu)點和發(fā)展趨勢


被動房是最初主要針對中歐地區(qū)住宅建筑而研發(fā)的技術體系(圖7),其最大優(yōu)點是相比其他低能耗技術體系建設投資少,運維成本低;有較高的熱工舒適度,使用舒適方便,經久耐用、不易出現(xiàn)建筑損傷。


8 德國弗來堡Weingarten-West 1960年代的高層住宅改造成被動式住宅項目,資料來源 PHI


目前被動房技術體系不斷發(fā)展完善,除居住建筑以外,已擴展到其他建筑類型,包括辦公、學校、酒店、體育館、博物館、工業(yè)建筑等,項目也拓展到其他氣候地區(qū):包括歐洲、亞洲、北美洲、南美洲、澳洲(圖9、10)。


9 2012年落成的世界上最大規(guī)模的被動式辦公建筑,維也納RHW2辦公樓,使用面積21 000m2資料來源PHI


10 維也納RHW2辦公樓門廳(上)及室內(下),資料來源 PHI



6.被動房的成本增量與資助措施


被動房的成本增量,主要體現(xiàn)在增加的外保溫、消除冷橋構造、高性能門窗、帶熱回收的新風裝置和提供氣密性的建筑措施。根據(jù)歐洲低成本被動房標準(CEPHEUSCost-Efficient Passive Houses asEuropean Standards)提供的數(shù)據(jù),被動房的成本增量為建筑造價的5%8%,但30年使用運行下來,考慮前期成本增量和資金成本,對照30年節(jié)約能源的效果,二者經濟效益基本持平。而被動房可以獲得更好的室內舒適度,更好的抵抗能源價格浮動的風險,更好的環(huán)境效益。


被動房如果設計得好,可以節(jié)省常規(guī)建筑的采暖設備投入,包括冷熱源設備和末端設備的投入。這部分成本基本可以抵消被動房的成本增量,這種情況下,在30年的使用運行中,被動房節(jié)約能源部分的成本就非??捎^了。


在德國,復興銀行(KreditanstaltFuerWiederaufbau)為被動房提供低息貸款。此外,還有很多聯(lián)邦州的區(qū)域財務資助計劃。


奧地利對被動房的資助力度更大。國家最高資助可達被動房建造成本的10%。在蒂羅爾州(Tirol)為被動房提供最高14個點額外的資助,滿足資助條件的住房每平米每個點可獲得8歐元的資助。例如一個4口之家,最高可補貼建筑面積為110m2,即880歐元每個點,14個點相當于12 320歐元的補貼(數(shù)據(jù)時間:2007年6月)。


在福拉貝格州(Vorarlberg),如果滿足要求(包括收入、建筑平面、家庭人數(shù)等),對被動房子的資助最高可達1 100歐元/m2,最大面積150m2,最大支持力度為165000歐元。資助形式為長期低息貸款,貸款時間可達30年,利率極低,因而這種貸款對于年輕家庭和建筑業(yè)具有強烈的刺激作用。


歐洲被動房技術發(fā)展到今天,經歷了漫長的路徑,有眾多的機構、科研工程技術人員的參與其中。隨著技術的進步與突破,特別是能源價格的增長和建筑環(huán)保壓力的增大,以及政府相關經濟資助政策的扶植,才有歐洲今天被動房建設項目的大規(guī)模實施。



7.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暖能耗,改善了室內熱舒適度。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:

(1)相關被動房的節(jié)能量計算,常常以二戰(zhàn)以前沒有節(jié)能措施的老房子為比較對象,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)能量并沒有那么大。


(2)經濟比較計算時,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已越來越多地用在節(jié)能住宅項目上,并不是被動房的專用產品。


被動房室內舒適度標準,相當于德國“全空調”(vollklimatisiert)室內環(huán)境標準,由此帶來的問題是:舒適的室內環(huán)境需要精心設計、安裝的通風系統(tǒng)。內部功能需要調整時就不那么簡單。常規(guī)住宅如果將儲藏間改成衛(wèi)生間,只需要改變使用方式,增加開窗通風習慣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,結合太陽能利用,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(Oekobilanz)。



8.被動房建設及應用情況


根據(jù)被動房權威網站(www.passivhausprojekte.de)2015年1月底的數(shù)據(jù)顯示,已有3 145棟建筑獲得被動房認證,包括居住、辦公、學校、博物館、工業(yè)建筑等類型,總建筑面積超過100萬m2。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城(Bahnstadt Heidelberg),項目用地116hm2,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)和雷德貝格新區(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,但沒有申請被動房認證。估計已建成的被動房建筑總面積已超過數(shù)百萬平米。

被動房研究院每年舉辦一次世界范圍的被動房年會。近年來被動房年會每年都有超過1 000多位代表參會,行業(yè)內影響可謂巨大,亦有不少部品廠家積極參與其中。



9.被動房案例分析


9.1法蘭克福CAMPO被動房項目(CAMPO amBornheimer Depot)

11 法蘭克福CAMPO被動房項目,街區(qū)廣場及商業(yè),資料來源 PHI


12 法蘭克福CAMPO被動房項目,住宅內庭園,資料來源 PHI


13 法蘭克福CAMPO被動房項目總平面,資料來源 PHI


14 法蘭克福CAMPO被動房項目住宅平面,資料來源 PHI


隨著地鐵的發(fā)展,原有的有軌電車系統(tǒng)逐步被淘汰,在法蘭克福波恩海姆區(qū)(Bornheim),原先的有軌電車車庫和修理廠的荒廢土地被整理出來成為建設用地。這里距法蘭克福市中心不到5km,政府部門就此建設項目舉行設計競賽,最終由多家建筑設計公司分別完成設計。規(guī)劃方案形成了傳統(tǒng)地中海城市空間街道尺度,完善了這一區(qū)域的街道空間,保留了原有修理車間的等歷史保護建筑,將其改造成超市、零售商店和小酒館,購物和美食相結合,形成高質量的新城區(qū)(圖11~14,表2)。項目包含當時德國內城規(guī)模最大的146套被動式住宅公寓。


落成時間

2009

項目類型

多層住宅

建筑類型

砌體建筑

住宅數(shù)量

146

建筑面積

12 735m2

供暖熱需求

15kWh/m2

一次性能源總需求

120kWh/m2年(包括DHW,供暖、制冷、輔助和家庭的電力)

采暖負荷

9W/m2

氣密性

0.5 1h

建筑圍護結構

外墻U值:0.117W/(m2K),屋頂U值:0.08W/(m2K),地下室底板U值:0.139W/(m2K)

窗框

被動房塑鋼窗框

玻璃

PHI認證玻璃:Ug-值:0.6W/(m2K)

窗戶安裝后U值(所有窗口)

0.75W/(m2K)

2法蘭克福CAMPO被動房項目技術指標


9.2海德堡鐵路城(Bahnstadt Heidelberg)

海德堡鐵路城位于海德堡市中心,用地范圍116hm2,是目前世界上最大的被動房建設項目。這里曾經是德國鐵路系統(tǒng)編組、倉儲用地,隨著鐵路運輸式微,用地被騰出成為城市開發(fā)用地。2007年進行城市規(guī)劃深化設計,2010年開始建設,整個項目將提供居住、研發(fā)、商業(yè)和文化的充滿活力的綜合城區(qū)。


整個城區(qū)規(guī)劃并承諾按照被動房標準建造(表3),包括辦公、實驗室、商業(yè)、電影院、學校、幼兒園、大學生宿舍、住宅等建筑類型(圖15~19)。海德堡城建部門與海德堡氣候保護和能源咨詢機構(Klimaschutz and Energieberatungsagentur Heidelberg)及社區(qū)聯(lián)盟(Nachbargemeinden)合作,共同負責被動房的實施質量保障。


外墻

混凝土或灰砂磚,200325mm聚苯板,WLG032

地下室外墻及底板

混凝土墻、板,150300mm聚苯板,WLG035

屋頂

混凝土板400保溫層,WLG035,種植物面

外窗

大部分采用經過認證的被動窗

3海德堡鐵路城主要技術指標

15 海德堡鐵路城規(guī)劃總圖,資料來源


第一期開發(fā)用地:60hm2,其中包括:居住9hm2,產業(yè)研發(fā)16.5hm2,校園4.5hm2,開放空間16hm2,社會基礎設施3hm2,道路用地11hm2,公共設施包括:2個幼兒園、1個小學,1個文娛中心,3兒童游戲場。城區(qū)遠期通過可再生能源提供市政供暖。園區(qū)還將實行智能電網系統(tǒng)。


16 海德堡鐵路城被動房住宅,資料來源盧求攝


17 海德堡鐵路城被動房辦公研發(fā)建筑,資料來源盧求攝


18 海德堡鐵路城被動房住宅內庭園,資料來源盧求攝


19 海德堡鐵路城被動房住宅,資料來源盧求攝


9.3德國斯圖加特Leonberg產能別墅

這座別墅位于斯圖加特附近的萊翁貝格(LeonbergWarmbronn)小鎮(zhèn),不僅達到了被動房水平,而且還是一棟成功的產能建筑。該建筑坐落在山坡上,可以遠眺平緩的山谷和對面山坡上的景觀(圖20~25)。業(yè)主是費仕(Fisch)教授,德國節(jié)能建筑領域的著名專家。這棟建筑突破了人們關于被動式超低能耗建筑的傳統(tǒng)觀念。早期的被動式建筑相對比較封閉,建筑形象大多比較平庸,室內常有過于封閉的感覺。而這棟建筑優(yōu)雅、現(xiàn)代的形象,瀟灑地嵌入山坡樹木景色之中,南向巨大連通的玻璃面使周圍美景融入室內,造就了這棟夢幻般的德式別墅。


20 斯圖加特Leonberg產能別墅,資料來源Fisch教授


21 斯圖加特Leonberg產能別墅,資料來源Fisch教授


22 斯圖加特Leonberg產能別墅餐廳,資料來源盧求攝


23 斯圖加特Leonberg產能別墅廚房,資料來源盧求攝


24 斯圖加特Leonberg產能別墅室外露臺,資料來源盧求攝


25 斯圖加特Leonberg產能別墅起居室,資料來源盧求攝


我們聽過許多類似的故事,早期建筑大師堅持自己的理念,為客戶設計了全玻璃別墅,但蓋好之后無法正常使用,夏天太熱、冬天太冷,以至于業(yè)主與建筑師吵翻臉將建筑師告上法庭??梢姶竺娣e玻璃如果處理不當,建筑師要吃官司。但這棟建筑的業(yè)主本人就是一位出色的建筑機電設備工程師,經過精心設計、模擬計算,依靠先進的建筑材料和技術系統(tǒng),使太陽輻射得到有效控制,建筑的采暖、制冷能耗需求很低。四口之家居住在這棟別墅里,一年四季的采暖、制冷、新風、照明、家用電器、生活熱水、炊事等所有使用能源,全部來自于屋頂?shù)墓夥l(fā)電,業(yè)主不需要從城市購買任何能源,并且發(fā)電量還可為兩輛私家電動汽車充電,滿足日常交通能源需求。


建筑設計有完善的能源策略,通過先進監(jiān)視系統(tǒng),與建筑結合一體的光伏發(fā)電設施提供的太陽能(光伏發(fā)電和太陽能熱)大于建筑總能源需求(采暖、生活熱水、照明、通風、用電等)。大部分電能供建筑自己使用,多余的發(fā)電量通過智能管理并網(表4)。


建設時間

2010

基地面積

595m2

采暖建筑面積

260m2

采暖建筑體積

1 747m3

體型系數(shù)

0.63

外墻U

0.15W/m2k

屋頂U

0.12W/m2k

建筑底板

0.3W/m2k

外窗

0.6-0.8W/m2k

建筑氣密性(鼓風門檢測值)

N50=0.50/h

發(fā)電余量

11 054kWh/a

4 德國斯圖加特Leonberg產能別墅主要技術指標

(注:發(fā)電余量相當于可以供一部中等電動小汽車行使65 000km的電量(17kW和/100km))

26 斯圖加特Leonberg產能別墅電動汽車,資料來源Fisch教授


10.中國被動房發(fā)展的思考


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3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、高效新風機組等產品的研發(fā)與量產。其次是經濟動力,上述技術的進步、產品成本不斷降低,節(jié)能標準的提高,導致增量成本相對更低,被動房的建設經濟上有吸引力。第三方面是政府的推動和社會意識進步,社會范圍環(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)展起到重要推動作用。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品、市場經濟吸引力和政府政策支持這三方面的動力。


德國被動房標準相當高,特別適用于當?shù)氐臍夂驐l件。中國幅員遼闊,有嚴寒到夏熱冬暖等5個不同氣候帶,中國正在編制被動房標準。我認為中國必須建立與采暖度日數(shù)/空調度日數(shù)相關的中國被動房能耗標準,確立中國被動房室內舒適度標準和模擬計算邊界條件,而不是一刀切地要求達到德國標準,采暖能耗≤15kWh/m2.a。從科學角度來看,要求中國被動式建筑強制達到德國標準也不盡合理,例如哈爾濱的建筑采暖度日數(shù)大于德國,同樣的被動式建筑維持室內同樣舒適度,在德國法蘭克福和中國哈爾濱的能耗肯定不一樣;而廣州的建筑制冷除濕負荷遠大于德國,建造被動房建筑所面臨的將是全新的挑戰(zhàn),在這里冬季保溫不是主要問題,夏季遮陽、通風、散熱成為主要矛盾,德國被動房標準沒有在這樣氣候條件下大規(guī)模實踐經驗和成熟的解決方案,需要我們探索實踐,建立相應的標準。


考慮到中國目前的建筑部品和技術水平,建議被動房標準分步實施。如初期3~5年時間,可定義為“中國被動房實驗項目”,達到該級別的項目可授予“中國被動房實驗項目認證”證書。這樣可以降低成本,調動開發(fā)商和部品制造企業(yè)的積極性,大面積開展工作,積累數(shù)據(jù),摸索經驗。只要按照被動房理念設計建設的建筑,其節(jié)能性效果就會顯著提高,對節(jié)能減排有積極作用。研究世界范圍建筑節(jié)能發(fā)展的歷程,對照今天中國面臨的環(huán)境及能源問題的巨大壓力和挑戰(zhàn),可以預見被動式超低能耗建筑是中國建筑發(fā)展的必然方向。


參考文獻

德國被動房研究院(PHI)官網:www.passiv.de

德國被動房研究院認證項目數(shù)據(jù)庫:www.passivhausprojekte.de

《The world’s first Passive House,Darmstadt-Kranichstein, Germany》 PHI

《 Passivhaus-Projektierungspaket (PHPP)》PHI

《Kriterien zur Zertifizierung vonPassivhaus》PHI

www.heidelberg-bahnstadt.de

www.heidelberg.de

《Baugebiet Bahnstadt inHeidelberg-St?dtebauliches Energieund W?rmeversorgungskonzept》Ing.Buero EBOEK

《Energy Plus Buildings and Districts as Renewable Energy Sources》N. Fisch


作者為洲聯(lián)集團-五合國際副總,德國可持續(xù)建筑委員會(DGNB)國際部董事


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