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被动式建筑的最核心技术是建筑隔热设计

时间:2019-08-18 21:25:18   作者:实战被动房   来源:   阅读:115  
内容摘要:被动式建筑(PassiveHouse)是由瑞典隆德大学的Mr.BoAdamson教授和德国达姆斯塔特房屋与环境研究所的Mr.WolfgangFeist博士在1988年提出来的,目标是设计一种不需要“采暖空调主动供冷热”的房屋,因此命名为“被动式建筑”。1990年,世界首座被动式建筑在德国达姆斯塔特(Darmstadt)...

被动式建筑(Passive House)是由瑞典隆德大学的Mr.Bo Adamson教授和德国达姆斯塔特房屋与环境研究所的Mr.Wolfgang Feist博士在1988年提出来的,目标是设计一种不需要“采暖空调主动供冷热”的房屋,因此命名为“被动式建筑”。1990年,世界首座被动式建筑在德国达姆斯塔特(Darmstadt)建成。从此,以Mr.Wolfgang Feist为首的物理学家、数学家、气候环境学家、材料学家及专业工程人员组成的科研团队,对被动式建筑展开了近20年的系统研究与测试,形成了一整套技术和施工规范。


被动式建筑最初并没引起人们注意,随着2005年以来世界能源价格的大幅上涨,被动式建筑的独特魅力越来越引起世界各国建筑、能源、环境界人士注意,逐渐赢得各方面的广泛公认,进入2009年后,被动式建筑逐渐成为欧洲主流建筑节能技术,被部分欧洲国家确定为国家建筑标准或未来城市发展规划,欧洲议会也提议欧洲新建建筑要符合“被动式住宅”标准,美国、中国也有越来越多的建筑节能专家逐渐认识到,“被动式”建筑节能技术是最合理而且效果最明显的建筑节能技术。


被动式建筑主要包括四个方面特点:

(1)建筑外围护结构采用150-200mm以上厚度的外墙外保温材料,室内墙体要采用重质建筑材料;

(2)围护结构密闭性好;

(3)良好的通风设计;

(4)做好建筑朝向设计,采用三层玻璃窗户与遮阳,以利于采用太阳能供热。


其中,最重要的是第(1)条,它所反映的是建筑物理学的建筑隔热计算原理,这是决定能否发挥“被动式建筑”另几项技术成效的最核心技术。看过国内一些“被动式建筑节能技术”资料介绍,许多材料只注意到厚厚的外保温材料,却忽略其中更重要的是:建筑围护结构室内表面墙体要采用高蓄热重质建筑材料,如果脱离了这一条,就不可能实现“不需要采暖空调主动供冷热”目标。


被动式建筑的主要技术思想是,一方面凭借高保温隔热与高密闭性的建筑围护结构,来抵御冬天室外低温与夏天太阳辐射、室外高温给室内热环境造成的影响;一方面是利用建筑围护结构墙体靠室内一侧的高蓄热重质材料,来实现冬天利用太阳能采暖,夏天利用通风蓄冷降温的高效节能目标。


(1)150-200mm以上厚度的外保温材料与高密闭性围护结构,主要是用来抵御冬天室外低温与夏天太阳辐射、室外高温对室内热环境的影响。


(2)室内墙体采用高蓄热重质建筑材料,这也是建筑隔热设计的最关键技术,凭借超厚外保温材料隔绝室内通过围护墙体传热与外界环境的热交换作用,内部的高蓄热重质墙体,一方面可以在冬季白天吸收、储存透过窗户辐射进室内的太阳能,给室内供热。一方面在夏季夜晚低温时,通过通风散热,储存冷负荷,到了白天,就可以吸收室内人体散热和室外传热,使建筑室内夜暖昼凉、冬暖夏凉。如果建筑室内墙体缺少高蓄热重质建筑材料设计,即使采光很好,冬季也只能使白天室内温暖,并不能维持夜晚的室内温度稳定。同理,如果室内墙体不采用高蓄热重质材料,夏天的夜晚通风只能使建筑室内夜晚更舒适,并不能使建筑室内白天也凉爽怡人。


被动式建筑的这四项技术是相互关联,互相影响的,但最核心是通过厚厚外保温材料内的重质建筑材料,来实现蓄能节能作用。


(3)良好的通风与高密闭性设计

被动式建筑的通风设计,一方面要将冬季白天太阳辐射入室内的热量,分散传递到其他室内(北房),尽可能储存更多热量,另一方面在夏季夜晚,要充分调动室外凉爽空气,给室内高蓄热墙体散热,储存冷负荷。被动式建筑的高密闭性,既可以减少空气渗透所导致的冷热负荷损失,也是发挥其通风设计的重要保证。


(4)良好的建筑朝向设计与三层玻璃窗户及遮阳设计

冬季,可充分利用透过窗户的太阳辐射给室内供热,同时通过三层玻璃的良好保温性能,来减少窗户的传热散热。夏天,通过良好的遮阳设计,遮挡、反射室外太阳与高温辐射。三层玻璃窗户及遮阳设计,既利用了冬季太阳能,又防止夏季太阳辐射,还自然采光,这样,建筑的朝阳面围护结构设计,不但不必拘泥窗墙比,还可以采用比较大的窗户。


部分建筑节能同行将被动式建筑的太阳能采暖理解为光伏电池取暖,或者通过光伏电池和地热来实现“零能耗”建筑,这种“零能耗”建筑如果没采用150mm以上厚度的外保温与高蓄热内墙体,即使供电量为零,但实际建筑能耗并不小,因为他们只是用光伏电池和地热代替了电能,实际成本非常高。


“被动式建筑”的建造成本只增加5-10%,运行能耗只相当于普通建筑的8-20%。只有在“被动式建筑”技术基础上,再采用光伏电池和地热“节能”的“零能耗建筑”,才是真正的节能建筑。采用光伏电池的“节能”技术,只适用输电成本比较高的边远地区分散建筑,不适合城市建筑。


总之,被动式建筑的最关键技术是通过室内高蓄热墙体,将高保温隔热性能、高密闭的建筑围护结构,与良好的通风设计、三层玻璃窗与遮阳、建筑朝向设计等节能技术有机地集合在一起的综合建筑节能技术。


如果单从每项节能技术来看,德国被动式建筑的这些建筑节能技术,也是国内建筑节能技术所强调的。但如果外保温围护结构内表面墙体不采用高蓄热性能材料,却只强调保温、或提高建筑密闭性,不但不能发挥这些节能技术的综合节能效果,有时甚至适得其反,如果建筑围护结构出现隔热设计错误,甚至有可能出现“建筑保温性能越好,越耗能”“越密闭,越耗能”现象。即某些暖通空调建筑节能专家说的“外保温材料相当于夏天给建筑穿上了棉袄”,导致建筑室内热源热量散发不出去,而增加建筑能耗。


国内目前一般都采用能耗模拟软件来评估建筑围护结构节能设计,但能耗模拟软件主要是针对24小时连续空调模式建筑开发的,计算的是室内设定温度条件下的建筑传热能耗,只考虑了墙体蓄热性能对墙体传热的影响,未考虑空调间断运行模式下,空调关闭,自然通风条件下,室内温度低于空调设定温度,建筑墙体传热模式变化与建筑墙体蓄热变化对建筑能耗所形成的影响。例如,150mm厚外保温材料内的重质墙体材料,在通风作用下,能储存大量冷负荷,对建筑能耗影响极大。但用能耗模拟软件模拟计算,保温材料有50mm厚就节能了,再厚就没有明显节能效果了,有的建筑能耗模拟软件,甚至会出现“南方建筑保温越好,越耗能”的计算结论。


这是因为24小时连续空调模式下的建筑能耗模拟计算软件,无法体现空调关闭状态下,室温低于空调设定温度条件下通风所导致的墙体蓄热变化对建筑能耗的真实影响,所以,若用建筑能耗模拟计算软件,模拟指导空调间断运行模式下的重质建筑围护结构节能设计,建筑能耗偏差非常大。所以,建筑能耗模拟计算只适用于24小时连续空调模式下建筑节能设计,不适用空调每天只开启十几个小时的空调建筑节能设计。


依照许多能耗模拟软件,建筑内部墙体还要采用低蓄热墙体才节能,其实,这一条只适用每天只使用几小时的会议室,或者外保温性能很差的围护结构,不适用那些外保温性能较好或者每天使用时间超过十几个小时的建筑。


德国被动式建筑节能技术本质是依据建筑物理(建筑热工)原理开发的,依据的是冬季建筑保温计算与夏季建筑隔热计算理论。根据冬季建筑保温计算,保温材料越厚,墙体传热能耗越小。


建筑隔热设计理论主要是针对自然通风条件下的建筑围护结构热工节能设计,在夏季白天室外温度较高时,外墙外保温越厚,越密不透风,越有利于阻止阳光把围护墙体晒热,同时围护结构内侧重质建筑墙体导热性能要越大越好,这样,在夜晚室外温度较低时,通过建筑室内良好的通风散热,围护结构内侧重质墙体导热率越高,越有利于发挥建筑内墙蓄热性能,储存尽可能多的冷负荷,在白天室外温度升高时,关闭窗户,利用室内墙体蓄存的冷负荷,来吸收室内外热源散发的热能,来维持室内温度稳定。


建筑隔热计算既适用于非空调建筑的夏季隔热要求,也适用于每天空调只开十几个小时的间断式空调建筑隔热要求,即使在24小时连续空调模式下,仍然能发挥隔热设计的阻热蓄冷作用,如在室外温度低于空调设定温度,空调自动关闭时的通风散热,,这时的室内重质墙体仍能起到储存冷负荷的作用,但能耗模拟软件却不能体现空调关闭,室温低于空调设定温度条件下,通过通风降低墙体蓄热所储存的冷负荷。


建筑隔热设计计算则综合考虑了夏季建筑围护结构外表面太阳辐射吸收系数、建筑围护结构外保温设计、建筑墙体内部蓄热墙体设计、自然通风设计的综合节能技术。依据建筑隔热计算,建筑外保温材料厚度在150mm以内变化,对建筑内表面最高温度影响都比较大,外保温材料厚度超过150mm以上,再继续提高外保温材料厚度,对降低建筑内表面最高温度才越来越不明显。但依据建筑能耗模拟计算,建筑外保温材料厚度在50mm以内变化,对建筑能耗影响较大,超过50mm以上,对夏季空调建筑能耗影响就不明显了。


此外,保温材料厚度还与能源价格有关,如果按九十年代初的能源价格,保温材料超过50mm厚,可能就不划算了,但如果按照2008年以来的能源价格计算,即使150mm厚也是值得的,德国被动式建筑把保温材料做成150200mm以上厚,是考虑到未来能源上涨,这是很有远见的,因为保温材料从40mm增加到200mm,增加的建造成本连零头都不到,但所节约的建筑能耗远远大于增加的建造成本。


围护结构密闭性与良好的通风设计是建筑隔热设计的最基本要求,只有在密闭性建筑里,较厚的建筑保温与通风设计才有意义,使建筑能在真正需要通风的时候通风,如在夏季夜晚室外温度较低时通风蓄冷,在冬季中午利用围护结构重质内墙蓄热,良好的通风可使建筑蓄热内墙储存更多的冷负荷,或者热负荷。但在不该通风的时候,则要密不透风,如夏季白天酷热的时候、冬季夜晚寒冷的时候,密闭性好能明显减少室内冷热负荷损失。


结论与建议

总之,被动式建筑的最核心技术是建筑围护结构隔热设计,一方面要设计150-200mm厚的外墙外保温材料,另一方面,围护结构靠室内一侧墙体要采用钢筋混凝土等重质高蓄热墙体材料,通过外墙外保温材料与室内高蓄热墙体,才能将良好的通风设计、三层玻璃窗与遮阳、建筑朝向设计等建筑节能技术有机地集合在一起,形成高效、低成本的综合建筑节能技术。


建议:在实施建筑围护结构设计时,建筑内表面最高温度比当地夏季计算温度最高值应尽可能地低。然后采用三层玻璃窗户与遮阳设计,同时做好适当的配套通风设计,核心目的是使建筑围护结构设计,能适应建筑室内冬季采暖与夏季隔热的不同设计需要。

 (备注:对于被动房的设计,除了采用PHPP进行设计计算外,还需要实施建筑隔热设计计算。宏联众被动房科技公司为被动房设计提供房屋整体隔热设计计算服务。国内建筑行业常用建筑节能设计软件的隔热计算,都存在不同程度的计算错误,如果计算结果差1-2℃,对建筑能耗的实际影响高达20-40%


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