被动式建筑的独特性

沃尔夫冈·弗莱 王甲坤 牟 裕 斯文·林/ Wolfgang Frey, WANG Jiakun, MOU Yu, Sven Ring译_聂浩言 / Translated by NIE Haoyan

PASSIVHAUS IST NICHT GLEICH PASSIVHAUS

THE UNIQUENESS OF PASSIVE HOUSES

1 被动房设计原则

可持续建筑不像普通建筑那样追求设计的视觉效果，而是具有一套完整的设计方法。即便一栋可持续建筑呈现出很好的视觉效果，也仅仅是为了实现其功能。比如，建筑玻璃立面设置遮阳设施，是为了避免夏天的太阳照射使建筑过热；又如，对屋面进行绿化，是为了实现建筑的可持续水管理。

许多建筑师会感到纠结，因为他们将设计视觉效果的塑造视为首要任务，却忽视了必要技术的运用。以保时捷卓越的外观设计为例（图1），设计师并非刻意将汽车设计成如此美观的外形，而是源于根据空气动力学原理所进行的风洞试验，“酷炫”的外观能够降低汽车行驶过程的风阻。保时捷前设计总监阿明·穆勒（Armin Müller）曾跟我说，“要是让你们建筑师设计汽车，估计汽车会有4个方形的轮胎，因为看上去更好看”。

1.1 遮阳对建筑能耗的影响

限定建筑表皮设计的气候条件因地域的不同而有所差异（图2）。例如，在亚热带气候条件下，需要使用与温带气候区或寒冷气候区不同的设计手法。因此，寒冷地区建筑与热带地区建筑的外观几乎是完全不同的。

在过热的情况下，建筑表面温度往往能达到70～90℃，与建筑内部产生超过50℃的温度差，这时设计师需要更多地考虑如何遮阳而不是如何隔热的问题。

当阳光透过玻璃照进室内，单位平米玻璃表面将透入1000W的热量。通常情况下，建筑师及专业设计师会使用隔热玻璃过滤掉20%～40%的太阳辐射热。然而，减半后的太阳辐射热仍然很多，所以建筑还需要通过空调设备将太阳辐射产生的热量等量地转移出去。在这种传统理念的指导下，人们使用通过原油获取的电能，来克服大自然赠予我们的太阳能。

在昼暖夜凉的环境下，最好设计较大体量的建筑，使室内外温度尽量达到平衡。如果总体温度较低，则设计合理的保温层就比较重要，以便将建筑正常使用所产生的热量尽可能多地保留在建筑中。如果太阳辐射可能会造成急剧升温，那么合理的遮阳就显得尤为重要（图3）。

在冬冷夏热的气候条件下，阳台不但需要阻挡夏天的直射阳光，同时需要将冬天的斜射阳光引入室内。在有着上千年历史的传统建造方式中，对于如何满足特殊区域气候条件对建筑的不同要求，其实有很多解决方案。过去在没有便捷能源的条件下，建筑匠人们必须很慎重地运用建筑材料，使建筑达到舒适宜居。现在，能源变得廉价易得，人们反而不去思考如何智慧地使用这些资源。国际化并不意味着可以将任意一种设计形式不假思索地应用到世界的任何地方，而应在知晓区域环境对建筑的要求，以及满足现今技术可能性的前提下，寻找建筑与环境的共生。

1.2 通风与遮阳的作用

在建筑中，通过外表皮流失的热量只占流失总热量的2/3左右，还有1/3的热量流失要归因于室内外的空气交换，即室内的热空气流向室外，并被涌入的冷空气取代。建筑空间的正常使用离不开新鲜空气，因此这一过程是无法避免的，但是必须将这种空气交换限制在一定范围内，同时应该尝试回收这些热空气中储存的能量。传统的中央通风设备通常无法达到这一目的，需要采用带有前置机械空气热交换器的分散式通风设备。这种设备能效非常高，只需要很少的能量，就可以将排风携带的热能传递到涌入的新鲜空气中，既可以在空气指标下降到特定数值时自动启动，也可以在需要通风时手动开启。另一方面，应避免设计不可开启的窗扇，用户在室外寒冷的情况下可使用带热回收功能的通风设备，但是在春秋季，可以采用更好的开窗通风的方式。当环境过热时，即便建筑并没有吸收太阳辐射的热量，涌入的新鲜空气也会带入很多热量，因此，建筑仍存在制冷需求。我们并不完全反对使用空调，如果实在炎热难耐，则不可避免地要使用空调降低温，以营造舒适的室内环境。在炎热天气中，令人感觉最舒适的肯定是站在枝叶繁茂的小树林中吹着徐徐的微风，而不是在被暴晒的街道上行走，那将会热得难以忍受。

环境空气温度是区别于人们所受的太阳辐射的另一个因素。物理学中有一条定律：升高同样的温度，空气对流加热所需的热量，是辐射热所需热量的4次方（起算点为-275℃）。很多人都见过这样的画面：在高山的冰川上，有人穿着比基尼在躺椅上晒太阳，而并不觉得冷，这是因为她们暴露在温暖的太阳下，且周边基本无风，以至于不会有任何的热量损失。所以说，当起居室外表皮的内侧温度适宜，那么室内空气温度是多少就不那么重要了。当起居室内表面在冬季逐渐冷却，冰冷的墙面会大量吸收人体的热量，人们就会觉得冷，同时也会感觉到气流，这时需要通过升高气温来达到平衡；相反，如果外墙的内表面由于太阳辐射变热，那么就需要对空气进行制冷。因此，细致而谨慎的外墙温度设计非常重要。

当建筑有遮阳设施时，就不会因吸收太阳辐射而升温（必须进行受热情况下的建筑热桥模拟考量），建筑的制冷需求随之降低，比如室内气温降低5℃或8℃。例如，在建筑玻璃立面设置鳞片状的遮阳屋檐，用以阻挡太阳辐射，虽然这些屋檐的温度比建筑立面高很多（图4、5），但它是脱离建筑的部件，建筑自身因为处在阴影中而得以保持凉爽。同时，若遮阳屋檐采用光伏板，则产生的电能还可满足建筑仍然所需的少量制冷需求。这种建造方式来源于中国古老的传统文化（图6），只是那时的匠人还无法使用电能来营造舒适的室内环境。

图1 保时捷外观

图2 中国建筑气候区划

图3 阳光直射地表热感应示意

图4 阳台安装太阳能板热感应示意

图5 商场太阳能板遮阳设计

1.3 多功能的建筑构件

一般人认为太阳能设备很贵，事实也确实如此，但是，如果让其融合其他建筑构件的多种功能，那么它会是一种很经济的解决方案。比如，用太阳能光伏板作为阳台的护栏，这样一来，去掉护栏节省的费用与使用光伏板增加的花费就相互抵消了。再比如，覆以绿植的屋顶和立面遮阳大大减弱了由于太阳辐射造成的建筑升温，也就减少了对空调设备的需求量。通过如图7所示的方式，弗莱建筑集团投资的弗莱堡智能绿塔项目在空调设备上节省了几十万欧元的成本。

在经典的建筑设计中，建筑构件一般只具有某种单一功能。例如，屋顶可以挡雨，阳台栏杆可以防止人们失足坠落。可持续建筑以资源利用效率为出发点，即缺少可持续理念会使被动房将失去意义或者经济性，因此，需尽可能对资源进行高效而经济的利用，也可以称为智慧。试想，如果屋顶不只是用来满足挡雨的功能，而是作为绿化屋顶的同时可以起到为建筑降温的作用，或者作为屋顶花园的同时提供更多的使用功能；又如，阳台栏杆不只起到防坠落的作用，同时可利用太阳能发电。这都使得建造更加经济，因为建筑构件同时满足了多种功能，而一般情况下，人们需要为这些互不相关的功能分别支付费用。

图6 中国古代建筑遮阳设计

图7 德国弗莱集团生态绿色公寓太阳能板设计

图8 及时开会讨论各部门工作进展

图9 水管防尘处理

图10 不定期的工地巡视

1.4 防火

被动式住宅面临的一个新挑战是火灾带来的危害。尤其是被动房使用的保温材料是可燃的，如聚苯乙烯隔热材料在火情下就非常危险。因为这种保温材料只有2%是物质材料，其余98%都是空气（这也是其能隔热的原因），一旦被点燃将会十分危险。正常情况下，建筑构件不会燃烧，因为它们位于表层材料之下，与氧气隔绝，但是这些保温材料本身储存了很多氧气，以至于发生火情会造成火势快速向上蔓延多层。此类隐患已经导致两起严重的火灾事故，所以现在建筑中都设有水平防火横梁，或者在开窗处设置防火墙。在超过一定面积的多层建筑中则禁止使用这种可燃的保温材料。作为替代，可选用基本不可燃的纤维材料，如隔热棉。但使用这种材料面临着另一个问题，即在保温隔热层建好但尚未粉刷时，如果下雨，那么尚未粉刷的隔热棉材料就会吸足建筑立面的雨水，影响后期保温效果，因而建造时需要注意做好防雨措施。

2 被动房施工要点

相较于传统建造，在被动式建筑建造过程中，严谨细致的态度很重要，有时很小的细节也会有很重要的影响，因此施工人员必须掌握细节并仔细地施工。

对于施工阶段的把控，本文总结了10个方面的注意事项。

（1）在项目施工初期，邀请专业的培训团队对施工监理和施工人员进行培训，这个过程虽然费时费力，但可以大大减少施工中的低级错误，节省纠正这些错误所需的费用。

（2）重要的施工做法、节点做法等应以文字描述加示意图或实体模型的形式在工地上展示，以便工人在施工过程中遇到问题时能及时找到可参照的、正确的解决办法，避免“自由发挥”。

（3）施工时，对于PHPP（Das Passivhaus Projektierungs Paket，被动房设计包）软件能耗计算影响较大的地方（包括保温做法、门窗及遮阳卷帘的安装、气密性做法、热桥及特殊部位的处理等），需要召开专题座谈会，着重强调施工方法及注意事项，并有针对性地加强工地巡查和监督，以保证施工质量。

（4）施工时，对于涉及不同工种交叉的工作，各专业工作人员需及时交流、沟通，以便实现更完美的工作配合（图8）。

（5）工地上的建筑材料和设备存放应做好保护措施，在建筑材料及设备运往工地前需做好周全的计划，既要安排好存放空间，还要做好防尘、防水、防潮、防磕碰等措施（图9），并派专人负责。

（6）对工地的巡视检查一方面可以督促施工人员按照图纸施工，保证施工质量；另一方面可以在施工过程中发现更好的解决方案，必要时可对设计进行优化调整。例如在海德堡列车新城项目中，我们安排了每周1～2次不定期的工地巡视（图10），每次巡视都会形成详细的记录报告（图11）。工地巡视报告一般包含项目进度的描述和施工中的问题记录两部分，分别对施工进度和施工质量做出把控。

（7）安装好的设备要注意做好保护工作，如防磕碰、防灰尘、防雨水等。海德堡列车新城项目采用在楼板中预埋风管的方式进行施工。在楼板浇筑前铺设风管，风管端头采用专门的封堵措施，防止灰尘、杂物等进入（图12）。在安装新风机之前，楼板浇筑完成后的风管必须始终保持封堵状态（图13），否则灰尘、杂物很容易进入管内，不但难以清理，而且会在新风系统开始运行后损坏热交换芯，危害住户健康。另外，如果建筑立面的岩棉保温层已铺设完毕，但外墙还没有抹灰，此时应采用塑料薄膜进行保护，避免被雨水淋湿（图14）。

（8）在建筑中，门窗是大量存在的建筑构件，因此门窗的施工对于被动式建筑而言非常重要。窗户应设置于建筑结构墙体之外，并且用气密性胶带将其与主体严密粘合（图15），避免漏气造成热量损失。外墙保温应尽可能深地覆盖住窗框边缘，有效减少窗户安装热桥。窗台必须设置一个出挑支撑，且支撑与建筑主体之间必须用隔热层隔开。

另外需要特别注意的是，以我们在中国的被动房施工经验来看，在施工现场，有可能会出现因外墙平整度不够，而用过厚的外抹灰来找平墙面的做法。这会带来一系列弊端，被动窗的重量非常大，安装过程中抹灰过厚，会导致螺栓固定在结构层的深度不够，严重者会导致窗户脱落。同样的道理，聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene，EPS）保温板或者岩棉保温板也应避免出现类似的情况。

（9）在被动式建筑的施工过程中，气密性是另一关键。这点虽无法直接在PHPP计算中体现，但建筑建成后的气密性测试结果会直接影响建筑最终能否达到被动房标准。

因此，为保证气密性，在施工中需特别注意以下几点。

（i）所有外墙内表面都应做抹灰处理，以保证气密性。所有与外墙表面相关的安装与施工，如厕所马桶、水池、内墙、吊顶、地板等，都应待内部抹灰完成后再施工。

（ii）外墙的内表面抹灰必须延伸至上下楼板，与楼板的砼结构相连。在其与窗户交界处，需先安装窗户，贴上气密性胶带，再抹灰，气密性胶带最终将被抹灰层覆盖。需要特别提醒的是，对于吊顶上的墙面以及地板面层以下的地方（图16），也必须做抹灰处理，不能偷工减料。

（iii）建筑气密性的保证与施工现场监管关系密切。若在前期施工中没能保证气密性，后期则需返工重修，不但会造成很大困扰和损失，还可能延误工期。我们要求施工方经常拍摄工地照片发给我们，以便及时发现施工过程中存在的问题。

（iv）在施工图纸上，会存在抹灰层的标注不够清晰或在施工时容易被工人忽视的地方，因此施工监理方在施工过程中应特别关注这一点。

图11 详细的巡视记录报告

图12 楼板浇筑前风管铺设完毕

图13 风管保持封堵状态

图14 采用塑料薄膜保护岩棉保温层

图15 使用气密性胶粘合窗户与主体

图16 外墙施工节点

（v）理论上，当全部门窗安装完成且内抹灰施工完毕后，可立即进行一次气密性测试，而后根据测试结果有针对性地进行气密性修补，修补完成后再进行室内施工。若室内施工完毕后再进行气密性测试，此时发现的漏点有可能会很难修补。对于有一定重复性的设计，如住宅单元、学校教室等，建议做完一个样板间即进行气密性预测试并查找问题，从而在其他类似房间施工中避免同样问题的重复出现。

（vi）在进行气密性测试前要做好充分准备，所有未安装的管道、孔洞、存水弯等处要按正常使用的情况进行封堵。特别是窗户，必须要全部矫正完毕，以保证密封胶条正常发挥作用。

（vii）在进行气密性测试时，所有相关专业的施工人员（水、暖、电、窗户、建筑）都必须在现场，随时沟通并记录、解决问题。

（viii）在进行气密性测试时，要求测试公司负责查找漏洞并做好详细记录。

（10）防水层的施工：在被动房的建造中，防水层的密闭性非常关键，如有漏点会导致雨水渗入保温层，不仅会削弱保温性能造成能量损失，而且会使建筑构件发霉，甚者会损害建筑结构，造成无法挽回的损失。在防水层施工方面，我们有自己的一套特别措施来保证防水层的可靠性。比如在海德堡列车新城项目中，在防水层施工结束后，先将所有排水口临时封死，让屋顶积满雨水（图17），若干天后再观察顶层屋面的漏水情况（图18），做好记录，然后进行相应修补（图19）。

3 设计实践——青岛中德生态园被动房项目

在青岛中德生态园中，被动房项目群正在按照规划实施建造。其中，已建成的被动房技术中心项目是被动房设计这一概念很好的示范案例（图20）。该项目由建筑师宏根（Rongen）、特里布斯（Tribus）和瓦伦汀（Vallentin）共同设计完成，其独特的外形并不只是来源于建筑师的创作欲望，还展现了项目在可持续建筑规划中运用的智能、整体的设计策略。

带有飘逸护栏的环形阳台为玻璃外立面的办公空间提供了有效遮阳，同时办公空间与公寓布置于一个带有天窗、可以自然采光的中庭周围。该设计体现了两种节能策略：一方面，通过天窗为建筑引入大量自然光，大大减少了走廊等位于建筑深处的空间对人工采光的需求；另一方面，通过中庭，充分利用自然的热流及空气流对建筑温度进行调节，从而简化通风装置、缩短管线长度（图21）。

被动房技术中心项目阳台的建设还呈现出其他的特点。在欧洲，一般出挑的建筑部分会通过隔热的悬臂托架与建筑主体相连，比如Schßck Isokorb公司生产的产品。但中国建材市场上没有这种部件，也没有用于固定外挂立面板的无热桥组件，这就要求设计团队寻找一种可在现场实施的“低技术”解决方案。首先，将阳台板置于穿出建筑主体隔热层的构件上，通过找平基底隔热层来减少热桥的产生（根据被动房项目规划指南的标准，163个该类构件只占总传导损失的4%左右）。其次，将阳台板安装于立面隔热层之外，既可保证隔热层的连续性，又可将阳台板与建筑主体完全隔开，从热力角度来看也存在优势。第三，由于在外墙上安装立面挂板无法避免热桥的产生，所以设计团队与当地施工团队共同决定，不将立面挂板安装于支架体系上，而是将其固定于阳台板的上下两侧，由此避免了许多点状热桥的产生。

通过被动房体验中心项目发现，提高中方规划设计人员及相关企业对被动房特殊设计要求的敏感性是我们的核心任务。在青岛中德生态园被动房样板居住区二期施工阶段，我们会将德国和中国的施工经验加以整合统一。

从城市角度来说，被动房居住小区设计方案的一大特色是非常高的绿地率。除了为居民设计的庭院外，中央公园构成了联系城市东西侧片区的开敞空间，就此形成了供新鲜空气进入的绿色廊道，同时植被可以改善片区微气候，在夏季降低了片区气温。住宅建筑外形紧凑，立面借由阳台遮阳，同时立面绿化进一步降低了某些区域的制冷负荷。遵循建筑构件多功能性的原则，立面还设置了垂直太阳能光伏板，实现了“一板两用”，不仅产生电能，还为立面提供有效遮阳。

图17 排水口临时密封

图18 观察屋顶漏水情况

图19 相应位置修补

图20 中德生态园被动房技术中心

图21 被动房技术中心垂直剖面通风系统方案

青岛的太阳能资源比德国丰富得多，因此我们在建筑屋顶安装了大量的太阳能光伏发电设施。通过建筑获取可再生能源，不仅可以降低建筑的局部能耗，还建立了建筑间的智能网络。弗莱建筑集团在弗莱堡的智能绿塔项目中探索了多种发展策略，并将其应用于青岛中德生态园规划中。

与被动房技术中心项目不同，在被动房居住小区的住宅建筑规划中，将通风设备分散布置，一栋建筑配备一台设备。这一解决方案由于其较短的管线及低耗电量而非常经济高效，同时很好地照顾到了用户的居住习惯。一方面，施工现场的设备已通过德国被动房研究所（Passive House Institute，PHI）认证，使得安装和后期维护都有了保障；另一方面，铺设通风设备时必须考虑到居住者的生活习惯，在中国大部分地区，人们习惯在夏季长时间开窗，这会导致建筑得热及内部湿度的升高，对此只能对居民进行引导。此处，我们在制冷负荷高的敏感区设置缓冲空间（依气候区的不同为5～10W/m2），以度过由此造成的用电高峰。

以上是我们在德国和中国众多的被动房项目设计及施工过程中总结的一些经验，希望能对今后被动房的普及和推广起到推动作用。