被动房设计理论及成都地区应用要点

李鑫，宋伟，邱林，雷学峰，刘有田

（成都市建筑设计研究院）

1 引言

1.1 研究被动房的意义

当今世界石油、煤炭等资源日渐匮乏，能源价格持续上涨。环保、低碳减排等气候问题日渐明显。建筑的能耗在全球能耗占有非常大的比重，因此建筑的节能发展对于节能减排有非常重要的意义。

在欧盟国家，建筑能耗占总能耗的40%，建筑节能减排势在必行，2010年6月18日，欧盟出台《建筑能效2010指令》（EPBC2010），规定欧盟成员国从2020年12月31日起，所有新建建筑为近零能耗建筑。从2018年12月31日起政府使用或者拥有的新建建筑均为零能耗建筑。从低能耗建筑→被动房→零能耗建筑→产能房，欧洲国家逐步构建了节能建筑的发展体系，明确了节能建筑的发展路径及方向。

我国也在不断致力于低碳减排，推进建筑节能发展。2019年1月24日，住房和城乡建设部发布国家标准《近零能耗建筑技术标准》，标准对我国不同气候区特点近零能耗建筑，提出不同能耗控制指标。严寒和寒冷地区，近零能耗居住建筑能耗降低70-75%以上，不再需要传统的供热方式。夏热冬暖和夏热冬冷地区近零能耗居住建筑能耗降低60%以上，不同气候区近零能耗公共建筑能耗平均降低60%以上。

1.2 典型被动式房屋的认证情况

大部分的被动房出现在西欧国家，其他正在实践的区域主要包括美国，日本，澳大利亚，新西兰等几个少数经济发达国家。中国作为一个发展中国家，重视建筑节能减排，充分发挥大国领先示范作用（见图1）。

图1 被动房分布图

在4600余座被动房中对德国，美国，日本，中国四个典型国家数据进行了简要分析。

德国通过德国被动房研究所认证的被动房有2300余座，其中除去建筑体量200㎡～300㎡的住宅外，还有医院，学校，大型公建，疗养院，办公，厂房等多种类型，实践经验丰富。美国104座，日本22座，大多为小型建筑。中国26座，其中大于1 000㎡建筑17座。其余为小型办公，住宅，配套建筑。在所有认真项目中包括厂房，办公，展览，酒店，高层住宅，多层住宅，别墅等项目。

从以上数据中初步总结，我国正在积极重视建筑节能减排，并且已经初见成效，被动房认证建筑数量不多，但面积已超美日等发达国家，并且此时国内还未真正推广，被动房发展方兴未艾。

就在2019年8月，PHI官网网站更新，中国被动房认证新增加10个ID, 中国通过认证的被动房达到36座。 其中5座住宅来自成都的“中国电建洺悦御府”，5座来自台州的“碧桂园保利·玖樟台”项目，包括一座博物馆，一栋别墅，3栋高层住宅。开发商对被动房的重视说明被动房的发展趋势别行业内广泛看好。

2 被动房的基本原理

2.1 被动房评价标准

德国被动房研究所（PHI）于2015年推出新的被动房评价标准（如表1所示），但仍可按照旧的评价标准认证被动。新旧被动房评价标准（如表1所示）。新旧标准最大的区别在于：

（1）旧标准对采暖制冷按照每㎡每年的能量消耗分别进行限制（15KW·h/(㎡·a)），而新标准按照每㎡冷热负荷进行限制（10W/㎡）。

表1 新旧被动房评价标准表

（2）旧标准对建筑总能量需求做出规定，不可再生一次资源（PE）≤120 KW·h/(㎡·a)。新标准鼓励建筑利用可再生能源，对普通级的再生能源要求≤60 KW·h/(㎡·a)，优级、特级在此基础上逐级提升。

2.2 五大原理

被动房通过实践总结，分析得出控制建筑能耗的5大原则（又称五指原则）:高效保温的维护结构，高舒适节能门窗，高效热回收系统，良好的气密性，无热桥设计（见图2）。

2.3 各气候区的被动房参考指标

被动房最开始的实践在北欧低区，随着整个世界对于建筑能耗的持续关注，被动房研究也拓展到全球。被动房将全球气候划分为极冷、寒冷、凉爽、温和、温暖、炎热、酷热等7个气候区，并且对每个气候区进行研究，并对每个建筑组件给出参考值。

图2 被动房设计要点

3 成都地区被动房的设计及应用要点

3.1 成都地区的气候特点

成都属于内陆，夏热冬冷低区，对应PHPP温和气候区。根据附图2、3可知，成都地区对于维护结构，外门窗的节能导热系数U值要求都低于寒冷地区，以下两个数值可供设计参考应用：维护结构U值=0.3 W/（㎡·k），外门窗U值=1.0W/（㎡·k）。

3.2 相似地区被动房的实践经验

成都与上海属于夏热冬冷低区，对应PHI气候区的温和区。被动房研究所对以上海为气候区代表城市做了相关被动房的设计及实践数据，我们可以以此作为参考，对成都被动房实施各维度的数据进行参考使用，有利于从最开始掌握成都被动房设计的关键数据。

上海2018年完成一座116㎡的办公类型被动房认证。该建筑为单层木结构，具体节能参数如下：外墙U值=0.105W/（㎡·k），地下室楼板U值=0.169W/（㎡·k），屋面U值=0.112W/（㎡·k）。该建筑一次能源需求95KWh/(㎡a)＜120KW ·h/(㎡ ·a)

成都地区刚刚新申报一处被动房，该建筑为一住宅项目，参数如下：

外墙U值：0 204 W/（㎡·k），地下室楼板U值=4.015 W/（㎡·k），屋顶U值=0.415 W/（㎡·k），外窗窗框Uw=1.19 W/（㎡·k），玻璃Uw=0.65 W/（㎡·k）

根据以上两个案例大致有以下几点结论。

1）层数增加对被动房的实施难度无增加，或者更易实现。

2）根据目前的实践经验，夏热冬冷低区外墙保温在150mm～200mm。

3）外窗虽然指导值为Uw=1.0W/（㎡·k），但普遍选择国内产品Uw=0.8W/（㎡ ·k）。

4）被动房并不只是应用于住宅，所有类型建筑均进行技术推广。

3.3 成都地区节能建筑与被动房对比

从被动房维护结构、热桥、气密性、高效热回收新风系统四个维度与成都目前已建及在建现状建筑进行对比。能够清晰地了解被动房设计的解决路径，以建筑舒适性为核心，以节约能源为目的。

3.3.1 外围护结构

我们对国内通用节能设计标准与被动房设计指导指标进行对比（见表2）

通过对比得出部分结论：

①外墙、屋顶可以通过增加保温材料的厚度来实现建筑节能性能的提高。

②外门窗我们需要采用新型高效且经过认证的三层中空节能玻璃。安装方式采用外挂且嵌入保温层。

③架空层，地面需要将立面、屋顶的保温的形式应用。

3.3.2 热桥

维护结构除了“穿上”厚的“保暖衣”，还需要检查所有的部位具有相同的保温性能，是否都被保温材料全部包裹。这个就涉及到建筑的热桥。现状的建筑大多没有对建筑进行精细设计，建筑节能多停留于模型计算，实际建筑中热桥随处可见。例如：空调板，装饰线条，阳台，屋顶各类出屋面管井，女儿墙，首层地面，还有外立面采用幕墙系统时的龙骨等。被动房设计要求对这些冷热桥进行详细设计，杜绝热桥。

3.3.3 气密性

确认完建筑被良好的保温材料全覆盖，还需要检查是否有“走风漏气”的情况，否则依然不能保证保温隔热的良好性能。现状建筑中接触气密性往往单就门、窗、幕墙等单独组件进行气密性要求，而在被动式设计中以整个建筑作为整体进行气密性测试，以测试数据作为认定标准。无论新旧标准，被动房均对气密性有明确要求n50＜0.6.而根据从事被动房验证工作人员的经验，国内普遍的房子的气密性n50＞10，甚至于达到20，“走风漏气”情况严重。没有良好的气密性造成室内气体大量与外部气体频繁换热，造成大量能量的损失，不利于建筑节能。

表2 国内节能标准与被动房对比

3.3.4 高效的热回收新风系统

建筑有了良好气密性，还需要解决室内新鲜空气的补给。传统建筑直接开启窗户进行空气交换，甚至开启空调制冷或制热中开启外窗，造成能源的极大浪费。同时由于室内外空气流通的压力，无组织空气交换效率也极低。因此我们需要解决新鲜空气有组织流动，且对排出空气能量回收的问题。我形象的将它比作“戴口罩”，既能呼吸交换空气，进出又能交换热量，还能过滤空气。

国内住宅建筑多采用分体空调，公共建筑采用中央空调或者小型多联机空调。对于能源回收使用没有要求。而被动房中要求对建筑室内空气能量进行回收，通过带有热回收系统（≥75%的回收效率）的空调在室内外空气有组织流通中进行能量交换，从而达到能量的回收利用。

3.4 成都地区重要节点的设计考虑

通过前面现状建筑与传统建筑的形象的比喻，我大致可以形象的将被动房理解为“穿保暖隔热衣服”（保温隔热）—“扣子扣好”（无热桥）—“包裹严实”（气密性好）—“带上口罩”（高效热回收新风系统）。接下来详细讲解下如何落实这些要点，设计师如何考虑在设计中解决上述问题，并且每个环节都有哪些注意要点。

图3 墙身节点

3.4.1 外墙、屋面、地面

前面讲到根据目前相同气候区经验，保温厚度大致为150mm～200mm厚。外墙构造要点：

1）专用外墙保温固定钉，该钉尾部采用空腔，保温泡沫材料填充，保证外墙固定构件无热桥。

2）外墙各类管道固定均需采用专用固定钉，带有保温构造，切断金属热桥。

3）外墙装饰材料采用薄抹灰加透气外墙漆。被动房都保温材料的固定钉都有明确的节能要求，在较厚的保温材料外侧只能使用荷载轻，请与主体没有热桥连接件的材料进行实施。因此外立面材料选择有限。

4）外墙各类穿墙洞口需要用保温材料进行洞口封堵，并且采用气密胶条对管道与保温填充部位进行内外密封。之后再进行保温材料施工。

5）外墙保温需要延伸至地面下1m以上，形成保护，避免热桥（见图3）。

屋面构造要点：保温材料需要围绕女儿墙做一圈，使墙面保温与屋面保温形成闭合保护层（见图4）。

楼地面构造要点：原理同屋顶，需要将保温材料与外墙保温材料形成闭环。分为几种情况。

1）采暖地下室将建筑外墙保温延伸至底部，室内地面进行保温层设置，并在墙角处上翻1m，对热桥部位进行加强，避免此处形成冷凝结露现象。

2）非采暖地下室将建筑外墙保温延伸至地面下1m以上，通过对室内地面及底面及相邻热桥墙体进行保温设置。

3）在成都地区各类型建筑中普遍存在架空层的设计，用于丰富建筑形态空间。因此，架空层部位的包围也尤为重要。该部位设计类似于非采暖地下室部位的保温设计，只需要在梁底将墙面内外侧保温连接即可形成保温层闭环。

4）采暖房间直接接触地面保温构造原理也类似于第2、3种情况。不同之处在于保温需要设置于刚性层，刚性层部位需要与外墙断开，保证保温材料向下连续延伸1m以上。

3.4.2 外门窗

根据PHI研究的经验结果，夏热冬冷低区的外门窗的传热系数约Uw=1.0W/(㎡·K)，这个窗户仍然需要三层双腔。另外门窗的选用均需要达到PHI的官方认证，进一步控制的产品的质量。

在被动房门窗设计中需要注意以下几点。

①外挂式安装。通过外挂式安装，将窗框嵌入保温材料，有效避免热桥（见图 5）。

②相同面积的外窗情况下具有以下特征：玻璃面积越大越节能，玻璃面积越大越经济。原因是玻璃的加工成本低于窗框，玻璃的节能效果优于窗框。

③节能外门尤其注意气密性。被动式建筑的外门类似于一个很大的窗户开启扇，一圈都有气密性胶条进行密封。因此门槛下部铺设隔热垫块与门框形成闭合，这个要求与我们平常所见建筑不同，门口会有一个坎。无障碍设计需要单独对门口部位进行设计，保证门槛高度不超过15mm。

3.4.3 热桥

维护结构、外门窗的热桥在前面2部分有所介绍，另外还有些部位需要我们设计的时候尤其注意。

1）阳台、雨棚、空调板。在成都地区，通过阳台热成像我们可以清晰可见，混凝土板与主体结构梁连接，成为建筑热桥最为明显的部位。开放式阳台最为住宅设计中的重要元素，失去阳台恐怕的大家不能接受的。那么我们需要对该处的热桥进行处理。通过与主体断开，保持外墙保温连续性，并且将阳台门窗嵌入保温层。对阳台结构梁与主体连接梁需要进行保温处理，减少热桥效应（见图 6）。

对于内凹，半凸半凹的阳台，空调板也可采用非断开式阳台做法，保温层需要对整个结构进行包裹闭合。但节能效果不如断开式。

2）屋顶部分的各类管井，风道，风井等构筑物。需要进行保温设置并且保温材料延伸至管井内部，形成热桥保护。

3.4.4 气密性

建筑走风漏气的地方很多，我们需要对每个节点进行仔细检查。最终的结果是通过跟鼓风门测试。因此我们对建筑的气密性的使用尤其注意，否则后期的施工补救难度。

1）外门窗洞口四周开启扇需要考虑双层气密胶条，安装节点一周需要采用气密性与结构主体进行密封，避免施工密封不到位。

2）各类建材之间可能存在贯通空隙，需加强密封。

3）各类管道穿墙洞口均需密闭。

3.4.5 高效热回收系统

现状建筑大多通过空气流通进行换气，未考虑能源的回收，造成能源的极大浪费。针对这种情况，在被动房中考虑将排出气体能量与进入气体进行换热，使空气流通，让能量留下，减少建筑制冷（热）的能量消耗。在被动房设计中，高效的换热新风系统也特别重要，需要关注以下几点问题：

图4 女儿墙节点

图5 外挂式窗框节点

图6 阳台节能保温构造

住宅设计中要充分考虑设备机组的安装位置及管线综合。远离对噪音有较高要求的卧室、书房、等区域。

1）如采用卧式新风换热机组吊顶内安装，则对房间净高有影响，建议在厨房吊顶内安装，厨房不降板，进排风口在生活阳台组织；

2）如采用立式新风换热机组，则在平面图中要充分考虑机组位置；

3）建议空调与新风换热机组组合使用，管道均需进行保温。客厅、卧室等为送风区，卫生间厨房为回风区，注意吊顶内的管线布置；

4）热回收效率要达到75%以上，且经过PHI认证；

5）注意立面中进出风的位置及密封，风口多采用喇叭口，减少出入风口位置风速；

6）除了考虑新风换热机组，仍然需要考虑建筑的制冷制暖需求。公共建筑中带有中央空调的建筑可直接将冷热源接入进风管道上。住宅项目则需要根据实际情况考虑采用集中还是分体空调。精装修高档住宅可将集中空调与新风换热机组同步考虑实施完成。

3.5 可再生能源的利用

被动房旧的评价标准的主要实现途径是对建筑所有影响热传导的部位加强防护，被动式保温隔热。

建筑是人进行各类活动的场所，那必然的就会有能源消耗。要实现建筑能耗降低，建筑零能耗、甚至建筑产能，则需要提高建筑可再生能源的产生及利用。因此新的被动房评价标准在此基础上考虑建筑产能的设计，并给出指导指标。

成都地区可再生能源在建筑的方面相对受限。作为盆地平原地区，太阳能光伏发电相较于其他相对更容易实现，并且在国内外建筑中均有很好的使用。随着光伏发电效率的不断提升，日照资源相对缺乏的地区也可以尝试进行光伏发电应用。日前在参观成都中建材光电材料有限公司的碲化镉薄膜发电板中，根据相关人员介绍，单块（1.6m×1.6m）在成都地区年发电量达到260KW·h，在日照充足西昌地区发电量达到400KW·h。长远看来，建筑往产能建筑发展必将用到光伏发电技术。建筑通过清洁发电、安全储电、可靠变电、高效用电，实现建筑自给自足的低碳生活。

4 结语

建筑作为人生活场所中的重要场景，对建筑的需求也承载的人对美好生活益增长的需求。中国经济的发展从过去的高速发展到现在的注重质量发展，建筑行业从粗放发展到如今的高质量的发展，趋势始终向前。

今年住建部先后发布《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019, 《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350-2019，推行建筑向更加节能、绿色的方向发展。国家政策在持续关注建筑低碳减排，节约能源，我相信被动房的技术会在不久的将来向更加宽广的范围内发展。