被動式建筑的最核心技術(shù)是建筑隔熱設(shè)計？

　　【學(xué)員問題】被動式建筑的最核心技術(shù)是建筑隔熱設(shè)計？

　　【解答】被動式建筑（PassiveHouse）是由瑞典隆德大學(xué)的Mr.BoAdamson教授和德國達姆斯塔特房屋與環(huán)境研究所的Mr.WolfgangFeist博士在1988年提出來的，目標是設(shè)計一種不需要“采暖空調(diào)主動供冷熱”的房屋，因此命名為“被動式建筑”。1990年，世界首座被動式建筑在德國達姆斯塔特（Darmstadt）建成。從此，以Mr.WolfgangFeist為首的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、氣候環(huán)境學(xué)家、材料學(xué)家及專業(yè)工程人員組成的科研團隊，對被動式建筑進行了20年的系統(tǒng)研究與測試，形成了一整套技術(shù)和施工規(guī)范。

　　被動式建筑最初并沒引起人們注意，但隨著2005年世界能源價格大幅上漲，被動式建筑的獨特魅力越來越引起各國建筑、能源、環(huán)境界人士的注意，逐漸獲得了社會各方面的公認，進入2009年后，被動式建筑逐漸成為歐洲主流建筑節(jié)能技術(shù)，并被部分歐洲國家確定為國家建筑標準或未來城市發(fā)展規(guī)劃，歐洲議會也提議歐洲新建建筑要符合“被動式住宅”標準，包括美國、中國等各國在內(nèi)，越來越多的建筑專家逐漸認識到：“被動式建筑”節(jié)能技術(shù)是最合理且效果最明顯的建筑節(jié)能技術(shù)。被動式建筑主要包括四個方面特點：

　　（1）建筑外圍護結(jié)構(gòu)采用150-200mm以上厚度的外墻外保溫材料，靠室內(nèi)一側(cè)采用重質(zhì)建筑材料；

　?。?）圍護結(jié)構(gòu)密閉性好；

　?。?）良好的通風(fēng)設(shè)計；

　?。?）做好建筑朝向設(shè)計，采用三層玻璃窗戶與遮陽，以利于采用太陽能供熱。

　　其中，最重要的是第（1）條，它所反映的就是建筑物理學(xué)的建筑隔熱計算原理，這也是決定能否發(fā)揮“被動式建筑”另幾項技術(shù)成效的最核心技術(shù)?？催^國內(nèi)一些“被動式建筑節(jié)能技術(shù)”資料介紹，許多研究材料只注意到厚厚的外保溫材料，卻忽略了其中更重要的：建筑圍護結(jié)構(gòu)室內(nèi)表面墻體要采用高蓄熱重質(zhì)建筑材料，如果脫離了這一條，就不可能實現(xiàn)“不需要采暖空調(diào)主動供冷熱”的目標。

　　被動式建筑的主要技術(shù)思想是，一方面憑借高保溫隔熱與高密閉性的建筑圍護結(jié)構(gòu)，來抵御冬天室外低溫與夏天太陽輻射、室外高溫給室內(nèi)熱環(huán)境造成的影響；一方面是冬天充分利用太陽能采暖，夏天充分利用通風(fēng)給蓄熱墻體降溫。

　　（1）150-200mm以上厚度的外保溫材料與高密閉性圍護結(jié)構(gòu)，主要是用來抵御冬天室外低溫與夏天太陽輻射、室外高溫對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

　?。?）室內(nèi)墻體采用高蓄熱重質(zhì)建筑材料，這也是建筑隔熱設(shè)計的最關(guān)鍵技術(shù)，憑借超厚外保溫材料隔絕室內(nèi)通過圍護墻體傳熱與外界環(huán)境的熱交換作用，內(nèi)部的高蓄熱重質(zhì)墻體，一方面可以在冬天吸收、儲存透過窗戶輻射進室內(nèi)的太陽能，給室內(nèi)供熱。一方面在夏天夜晚低溫時，通過通風(fēng)散熱，儲存冷負荷，到了白天，可吸收室內(nèi)人體散熱和室外傳熱，使建筑室內(nèi)夜暖晝涼、冬暖夏涼。如果建筑室內(nèi)墻體缺少高蓄熱重質(zhì)建筑材料設(shè)計，即使采光很好，冬季也只能使白天室內(nèi)溫暖，并不能維持夜晚的室內(nèi)溫度。同理，如果室內(nèi)墻體不采用高蓄熱重質(zhì)材料，夏天的夜晚通風(fēng)只能使建筑室內(nèi)夜晚更舒適，并不能使建筑室內(nèi)白天也涼爽怡人。

　　被動式建筑的這四項技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)，互相影響的，但關(guān)鍵要通過厚厚的外保溫材料內(nèi)的高蓄熱重質(zhì)材料而起作用。

　?。?）良好的通風(fēng)與高密閉性設(shè)計

　　被動式建筑的通風(fēng)設(shè)計，一方面能將冬季白天太陽輻射入室內(nèi)的熱量，分散傳遞到其他室內(nèi)（北房），盡可能儲存更多熱量，另一方面在夏季夜晚，盡可能充分調(diào)動室外涼爽空氣，給室內(nèi)高蓄熱墻體散熱，儲存冷負荷。被動式建筑的高密閉性，既可以減少空氣滲透所導(dǎo)致的冷熱負荷損失，也是發(fā)揮其通風(fēng)設(shè)計的重要保證。

　?。?）良好的建筑朝向設(shè)計與三層玻璃窗戶及遮陽設(shè)計

　　冬天，可充分利用透過窗戶的太陽輻射給室內(nèi)供熱，同時，三層玻璃的良好保溫性能，又減少了窗戶的傳熱散熱。夏天，通過良好的遮陽設(shè)計，遮擋、反射室外太陽與高溫輻射。三層玻璃窗戶及遮陽設(shè)計，既利用了冬季太陽能，又防止夏季太陽輻射，還自然采光，這樣，建筑的朝陽面圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計，不但不必拘泥窗墻比，還應(yīng)該采用比較大的窗戶。

　　部分同行將被動式建筑的太陽能采暖理解為光伏電池取暖，有的通過光伏電池和地熱來實現(xiàn)“零能耗”建筑，這種“零能耗”建筑如果沒采用150mm以上厚度的外保溫與高蓄熱內(nèi)墻體，即使供電量為零，但實際建筑能耗并不小，只是用光伏電池和地熱代替了電能，實際運行成本也很高。

　　“被動式建筑”的建造成本只增加5-10%，運行能耗只相當于普通建筑10-25%.若在“被動式建筑”技術(shù)基礎(chǔ)上，再采用光伏電池和地熱“節(jié)能”的“零能耗建筑”，才是真正的節(jié)能建筑。采用光伏電池，一般適合輸電成本較高的邊遠地區(qū)分散建筑，不適合城市建筑。

　　總之，被動式建筑的最關(guān)鍵技術(shù)是通過室內(nèi)高蓄熱墻體，將高保溫隔熱性能、高密閉性的建筑圍護結(jié)構(gòu)，與良好的通風(fēng)設(shè)計、三層玻璃窗與遮陽、建筑朝向設(shè)計等節(jié)能技術(shù)有機地集合在一起的綜合建筑節(jié)能技術(shù)。

　　如果單從每項節(jié)能技術(shù)來看，德國被動式建筑的這些建筑節(jié)能技術(shù)，也是國內(nèi)建筑節(jié)能技術(shù)所強調(diào)的，但如果外保溫圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面墻體缺少高蓄熱性能材料，這時，單強調(diào)保溫、或提高建筑密閉性，不但不能發(fā)揮這些節(jié)能技術(shù)的綜合節(jié)能效果，有時甚至適得其反，如果建筑圍護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)隔熱設(shè)計錯誤，反而可能出現(xiàn)所謂“建筑保溫性能越好，越耗能”“越密閉，越耗能”現(xiàn)象。按照某些建筑節(jié)能專家的說法，“外保溫材料相當于夏天給建筑穿上了棉襖”，導(dǎo)致建筑室內(nèi)熱源熱量散發(fā)不出去，而增加建筑能耗。

　　這是因為國內(nèi)多采用能耗模擬軟件來評估建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計，但能耗模擬軟件是針對24小時連續(xù)空調(diào)模式建筑開發(fā)的，計算的是室內(nèi)設(shè)定溫度條件下的建筑傳熱能耗，只考慮了墻體蓄熱性能對墻體傳熱的影響，未考慮間斷空調(diào)模式下，空調(diào)關(guān)閉通風(fēng)時，室內(nèi)溫度低于空調(diào)設(shè)定溫度時，所引起的建筑墻體傳熱模式變化與建筑墻體蓄熱變化對建筑能耗所形成的影響。例如，150mm厚外保溫材料內(nèi)的重質(zhì)墻體材料，在通風(fēng)作用下，能儲存大量冷負荷，對節(jié)約建筑能耗能產(chǎn)生極大影響。但用能耗模擬軟件模擬計算，保溫材料有50mm厚就節(jié)能了，再厚就沒有明顯節(jié)能效果了，而有的建筑能耗模擬軟件，甚至?xí)贸觥澳戏浇ㄖ卦胶?，越耗能”的計算結(jié)論。

　　這是因為24小時連續(xù)空調(diào)模式下的建筑能耗模擬計算軟件，無法體現(xiàn)空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)下，室溫低于空調(diào)設(shè)定溫度條件下的通風(fēng)，所形成的墻體蓄熱變化對建筑能耗的真實影響，所以，若用建筑能耗模擬計算軟件指導(dǎo)間斷空調(diào)模式下的建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計，能耗偏差非常大。所以，建筑能耗模擬計算只適用于24小時連續(xù)空調(diào)模式下建筑節(jié)能設(shè)計，不適用于每天空調(diào)只開十幾個小時的間斷空調(diào)模式建筑節(jié)能設(shè)計。

　　依照有的能耗模擬軟件，建筑內(nèi)部墻體要采用低蓄熱墻體才節(jié)能，其實這一條只適用每天只使用幾小時的會議室，或者外保溫性能很差的圍護結(jié)構(gòu)，對外保溫性能較好的建筑或使用時間超過十幾個小時的建筑是不適用的。

　　德國被動式建筑節(jié)能技術(shù)本質(zhì)是依據(jù)建筑物理（建筑熱工）原理開發(fā)的，依據(jù)的是冬季建筑保溫計算與夏季建筑隔熱計算理論。根據(jù)冬季建筑保溫計算，保溫材料越厚，墻體傳熱能耗越小。

　　建筑隔熱設(shè)計理論主要是針對自然通風(fēng)條件下的建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工節(jié)能設(shè)計，BEED建筑熱工節(jié)能設(shè)計計算軟件圍護結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計計算所體現(xiàn)的建筑節(jié)能原理是：在夏季白天室外溫度較高時，外墻外保溫越厚，越密不透風(fēng)，越有利于阻止陽光把圍護墻體曬熱，同時圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)重質(zhì)建筑墻體導(dǎo)熱性能要越大越好，這樣，在夜晚室外溫度較低時，通過建筑室內(nèi)良好的通風(fēng)散熱，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)重質(zhì)墻體導(dǎo)熱率越高，越有利于發(fā)揮建筑內(nèi)墻蓄熱性能，儲存盡可能多的冷負荷，在白天室外溫度升高時，關(guān)閉窗戶，利用室內(nèi)墻體蓄存的冷負荷，來吸收室內(nèi)外熱源散發(fā)的熱能，來維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定。

　　建筑隔熱計算既適用于非空調(diào)建筑的夏季隔熱要求，也適用于每天空調(diào)只開十幾個小時的間斷式空調(diào)建筑隔熱要求，即使在24小時連續(xù)空調(diào)模式下，仍然能發(fā)揮隔熱設(shè)計的阻熱蓄冷作用，如在室外溫度低于空調(diào)設(shè)定溫度，空調(diào)自動關(guān)閉時的通風(fēng)散熱，，這時的室內(nèi)重質(zhì)墻體仍能起到儲存冷負荷的作用，但能耗模擬軟件卻不能體現(xiàn)空調(diào)關(guān)閉，室溫低于空調(diào)設(shè)定溫度條件下，通過通風(fēng)降低墻體蓄熱所儲存的冷負荷。

　　建筑隔熱設(shè)計計算則綜合考慮了夏季建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面太陽輻射吸收系數(shù)、建筑圍護結(jié)構(gòu)外保溫設(shè)計、建筑墻體內(nèi)部蓄熱墻體設(shè)計、自然通風(fēng)設(shè)計的綜合節(jié)能技術(shù)。依據(jù)建筑隔熱計算，建筑外保溫材料厚度在150mm以內(nèi)變化，對建筑內(nèi)表面最高溫度影響都比較大，外保溫材料厚度超過150mm以上，再繼續(xù)提高外保溫材料厚度，對降低建筑內(nèi)表面最高溫度才越來越不明顯。但依據(jù)建筑能耗模擬計算，建筑外保溫材料厚度在50mm以內(nèi)變化，對建筑能耗影響較大，超過50mm以上，對夏季空調(diào)建筑能耗影響就不明顯了。

　　此外，保溫材料厚度還與能源價格有關(guān)，如果按九十年代初的能源價格，保溫材料超過50mm厚，可能就不劃算了，但如果按照2008年以來的能源價格計算，即使150mm厚也是值得的，德國被動式建筑把保溫材料做成150-200mm以上厚，是考慮到未來能源上漲，這是很有遠見的，因為保溫材料從40mm增加到200mm，增加的建造成本連零頭都不到，但所節(jié)約的建筑能耗遠遠大于增加的建造成本。

　　圍護結(jié)構(gòu)密閉性與良好的通風(fēng)設(shè)計是建筑隔熱設(shè)計的最基本要求，只有在密閉性建筑里，較厚的建筑保溫與通風(fēng)設(shè)計才有意義，使建筑能在真正需要通風(fēng)的時候通風(fēng)，如在夏季夜晚室外溫度較低時通風(fēng)蓄冷，在冬季中午利用圍護結(jié)構(gòu)重質(zhì)內(nèi)墻蓄熱，良好的通風(fēng)可使建筑蓄熱內(nèi)墻儲存更多的冷負荷，或者熱負荷。但在不該通風(fēng)的時候，則要密不透風(fēng)，如夏季白天酷熱的時候、冬季夜晚寒冷的時候，密閉性好能明顯減少室內(nèi)冷熱負荷損失。

　　結(jié)論與建議

　　總之，被動式建筑的最核心技術(shù)是建筑圍護結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計，一方面要設(shè)計150-200mm厚的外墻外保溫材料，另一方面，圍護結(jié)構(gòu)靠室內(nèi)一側(cè)墻體要采用鋼筋混凝土等重質(zhì)高蓄熱墻體材料，通過外墻外保溫材料與室內(nèi)高蓄熱墻體，才能將良好的通風(fēng)設(shè)計、三層玻璃窗與遮陽、建筑朝向設(shè)計等建筑節(jié)能技術(shù)有機地集合在一起，形成高效、低成本的綜合建筑節(jié)能技術(shù)。

　　建議：在實施建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)將《民用建筑熱工規(guī)范》50176-1993規(guī)定的最低隔熱指標——建筑內(nèi)表面最高溫度再降低2℃。然后采用三層玻璃窗戶與遮陽設(shè)計，同時做好適當?shù)呐涮淄L(fēng)設(shè)計，核心目的是使建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計，能適應(yīng)建筑室內(nèi)冬季采暖與夏季隔熱的不同設(shè)計需要。