寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑關(guān)鍵技術(shù)研究

陳強(qiáng)，王崇杰，李潔，劉興民

(1. 山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2. 山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)南 250101)

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寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑關(guān)鍵技術(shù)研究

陳強(qiáng)1，王崇杰2*，李潔1，劉興民2

(1. 山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2. 山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)南 250101)

隨著綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展理念的不斷普及，被動式超低能耗建筑因其能源效率高、對環(huán)境污染少且舒適性等的特點，成為目前應(yīng)對能源危機(jī)、氣候變化以及人們追求高品質(zhì)生活質(zhì)量而選擇的重要的建筑形式。而積極探索寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)方案，實現(xiàn)我國被動超低能耗建筑的本土化發(fā)展已迫在眉睫。文章闡述了國內(nèi)外被動式超低能耗建筑發(fā)展的概況，針對寒冷地區(qū)的被動式超低能耗建筑從無熱橋的高效建筑保溫系統(tǒng)、建筑氣密性設(shè)計、遮陽設(shè)計、高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)、輔助供暖供冷系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計研究，提出了適宜寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑發(fā)展策略。

被動式超低能耗建筑；建筑技術(shù)；寒冷地區(qū)；發(fā)展策略

0　引言

建筑業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，雖然促進(jìn)了城市經(jīng)濟(jì)的極速發(fā)展，但也給城市帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，造成了資源的極大浪費，阻礙了城市的可持續(xù)發(fā)展[1]。如何擺脫建筑業(yè)高耗能、高污染的發(fā)展模式的研究，已逐漸成為城市發(fā)展的重要研究課題[2]。被動式超低能耗建筑具有能源效率高、環(huán)境污染少、舒適性好的特點，這正是應(yīng)對能源危機(jī)、氣候變化以及人們追求高品質(zhì)的生活的建筑類型[3]。近年來被動式超低能耗在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。

被動式超低能耗建筑又被稱為“被動式低能耗建筑”或者“被動房”，傳入我國時也有譯為“無源房屋”[4]。與傳統(tǒng)建筑相比有以下明顯優(yōu)勢：帶熱回收裝置的新風(fēng)系統(tǒng)既提供了足夠的新鮮空氣，又回收大量的熱，降低供暖制冷的能耗需求，保證了室內(nèi)適宜的溫濕度，與現(xiàn)行國家節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相比，供暖能耗降低85%以上；良好的圍護(hù)保溫系統(tǒng)使建筑內(nèi)墻表面溫度穩(wěn)定均勻，與室內(nèi)溫度接近，并且良好的氣密性和隔聲效果；采用無熱橋、高氣密性設(shè)計，高品質(zhì)材料構(gòu)件，精細(xì)化施工及建筑裝修一體化，使建筑質(zhì)量更高、壽命更長[5]。但是應(yīng)當(dāng)看到當(dāng)前國內(nèi)被動式超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技術(shù)不成熟，發(fā)展尚處于探索階段，尤其是寒冷地區(qū)的被動式超低能耗建筑發(fā)展更缺乏相應(yīng)的研究和實踐，而積極探索寒冷地區(qū)的被動式超低能耗建筑建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)方案與策略，實現(xiàn)我國被動超低能耗建筑的本土化發(fā)展已迫在眉睫。文章闡述了國內(nèi)外被動式超低能耗建筑發(fā)展的概況，針對寒冷地區(qū)的被動式超低能耗建筑的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計研究，提出了適宜寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑發(fā)展策略。

1　被動式超低能耗建筑發(fā)展概況

1.1國內(nèi)外發(fā)展情況

1.1.1國內(nèi)的發(fā)展情況

降低建筑能耗，努力實現(xiàn)城市綠色低碳發(fā)展，是我國城市發(fā)展建設(shè)的重要目標(biāo)。為了更好實現(xiàn)這一目標(biāo)，自2009年起，在中國住建部建筑節(jié)能與科技司的指導(dǎo)下，住建部的科技與產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心與德國能源署在我國推進(jìn)了被動耗能建筑的建設(shè)，拉開了我國被動超低能耗建筑發(fā)展的序幕。2010年上海世博會的"漢堡之家”成為我國首個獲得認(rèn)證的被動式超低能耗建筑。中國的技術(shù)人員與德國密切合作，積極探索適合中國的被動式超低能耗建筑建設(shè)方案[6]。

在我國嚴(yán)寒地區(qū)以黑龍江省為代表的部分企業(yè)走在了國內(nèi)被動式超低能耗建筑建設(shè)領(lǐng)域的前沿，黑龍江辰能房地產(chǎn)開發(fā)公司于2011年開發(fā)了中德合作項目——辰能·溪樹庭院；華北地區(qū)以河北省為代表的秦皇島“在水一方”項目、河北省建筑科技研發(fā)中心科研樓均獲得德國PHI認(rèn)證；在氣候相對惡劣的西北地區(qū)，新疆烏魯木齊的“幸福堡”綜合樓于2014年正式建成，成為新疆乃至西北地區(qū)第一座以德國標(biāo)準(zhǔn)建造的被動式超低能耗建筑；在南方地區(qū)，被動式超低能耗建筑探索發(fā)展也取得了一定成果，浙江省湖州長興縣“布魯克”綠色精品酒店，通過建筑本身高效的保溫隔熱性能的構(gòu)造，利用太陽能和其他設(shè)備的散熱向房間提供熱源，無論在炎熱的夏季還是在寒冷的冬季，都能實現(xiàn)基本不使用“主動”能源的目標(biāo)[7]。目前，被動式超低能耗建筑示范項目在全國遍地開花，成為其大力推廣建設(shè)的前奏。

1.1.2國外的發(fā)展情況

歐美許多國家為了進(jìn)一步降低建筑能耗，提高建筑能效，降低溫室氣體的排放，提出了中長期的建筑能源戰(zhàn)略規(guī)劃和政策目標(biāo)，研究和建設(shè)超低能耗建筑幾乎成為各國進(jìn)一步挖掘建筑節(jié)能潛力，擺脫對化石能源依賴的有力措施之一。

1988年瑞典隆德大學(xué)的阿達(dá)姆森教授和德國的菲斯特博士首先提出“被動式房屋”這一概念，他們認(rèn)為被動房建筑無需主動的采暖和空調(diào)系統(tǒng)就可以維持舒適室內(nèi)熱環(huán)境的建筑[8]。1991年德國的達(dá)姆施特建成了第一座被動房建筑并取得了成功，隨后建立了研究機(jī)構(gòu)，并在世界范圍內(nèi)推廣被動式建筑建造技術(shù)。

目前，歐洲被動房的概念不再局限于住宅建筑，一些公共建筑也逐漸開始按照被動房的標(biāo)準(zhǔn)來建設(shè)。

1.2被動式超低能耗建筑在寒冷地區(qū)的發(fā)展

圖1　山東建筑大學(xué)裝配式被動實驗房圖

被動式超低能耗建筑在我國發(fā)展之初，以河北省、山東省為代表的寒冷地區(qū)就積極開展實踐，努力探索寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑的建設(shè)之路。河北省秦皇島“在水一方”項目在建設(shè)中積極探索，最終獲得德國PHI認(rèn)證[9]。山東省致力于探索裝配式建筑在被動式超低能耗建筑中的應(yīng)用，山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動式實驗樓就是典型的示范項目。在正式開工之前，首先完成了裝配式被動實驗房設(shè)計與施工(如圖1所示)，從中發(fā)現(xiàn)問題，找出問題，為實驗樓的建設(shè)做好充分的準(zhǔn)備工作。山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動式實驗樓建筑主體依山就勢，建筑形態(tài)和布局充分考慮地形局部風(fēng)環(huán)境和光照，功能布局合理，流線清晰，出入口明確。建筑共六層，一、二層層高為4.5m，三至六層層高為3.6m，總建筑高度為23.85m,總建筑面積為9680.1m2,底層建筑面積為2735.9m2，標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積為1611.9m2，是山東省最大的裝配式被動房(如圖2所示)。在設(shè)計中，山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動式實驗樓著力解決了被動式設(shè)計的一系列技術(shù)難題，其中包括完整的氣密層、絕佳的保溫層、高效的太陽能新風(fēng)熱回收系統(tǒng)等等。

目前，在寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑在建設(shè)中，呈現(xiàn)出了幾大特點：(1) 示范項目體量規(guī)模比較大、類型豐富、涵蓋范圍廣；(2) 被動式超低能耗建筑與綠色建筑相結(jié)合，不單單達(dá)到被動式超低能耗建筑的要求，還力爭二星級以上的綠色建筑認(rèn)證，這是此前別的地區(qū)項目中沒有過的；(3) 不斷創(chuàng)新，積極將裝配式引入被動式超低能耗建筑[10]。

經(jīng)過設(shè)計與工程實踐，山東、河北等省在探索實施地方性被動式超低能耗建筑建設(shè)模式上，取得了很多有價值的經(jīng)驗，已掌握了被動式超低能耗建筑在寒冷地區(qū)發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問題。

圖2　山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動式實驗樓圖

2　寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑關(guān)鍵技術(shù)研究

寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)在于，如何通過無熱橋的保溫系統(tǒng)設(shè)計、氣密層設(shè)計、遮陽設(shè)計、新風(fēng)系統(tǒng)以及輔助熱源設(shè)計來實現(xiàn)建筑在運行中，實現(xiàn)超低能耗，甚至是零能耗。結(jié)合山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動式實驗樓項目，研究寒冷被動式超低能耗建筑的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1無熱橋的高效建筑保溫系統(tǒng)

被動式超低能耗建筑要求建筑的非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)及門窗都具絕佳的保溫性能，并且能夠通過無熱橋設(shè)計，形成連續(xù)完整的保溫層。

2.1.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計

在寒冷地區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的重要性最為顯著。外墻、屋面及地面的平均傳熱系數(shù)(K)應(yīng)以滿足被動式超低建筑的能耗指標(biāo)為目標(biāo)，采用性能化設(shè)計方法，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后確定。寒冷地區(qū)外墻、屋面的平均傳熱系數(shù)應(yīng)在0.10～0.25W/(m2·K)之間，地面的平均傳熱系數(shù)應(yīng)在0.15～0.35W/(m2·K)之間。由于超低能耗建筑要求建筑外表面溫度波動對內(nèi)表面溫度影響小，故常常采用熱惰性指標(biāo)大的重質(zhì)復(fù)合墻體，如復(fù)合墻體的內(nèi)側(cè)宜采用厚度為100mm以上的磚或混凝土等重質(zhì)材料；為了實現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好的保溫性能，又不占用室內(nèi)更多的有效使用面積，在選擇保溫材料時，應(yīng)優(yōu)先選用高性能保溫材料，以減少保溫層厚度；為了避免水蒸汽在外墻、屋頂內(nèi)部結(jié)露，要求保溫層具有一定的防水透氣性能；還應(yīng)當(dāng)注意保溫層的耐侯性、抗風(fēng)荷載、耐冰融等各項性能要求[11]。

超低能耗建筑設(shè)計時，必須對建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行無熱橋設(shè)計，以保證保溫層的連續(xù)完整。(1) 外墻的保溫層應(yīng)采用斷熱橋錨栓固定，若采用單層保溫時，用鎖扣方式連接；若采用雙層保溫時，應(yīng)采用錯縫粘接方式，避免保溫材料間出現(xiàn)通縫；墻角處宜采用成型保溫構(gòu)件；應(yīng)盡量避免在外墻上固定導(dǎo)軌、龍骨、支架等可能導(dǎo)致熱橋的部件，如果必須固定，應(yīng)在外墻上預(yù)埋斷熱橋的錨固件，并盡量采用減少接觸面積、增加隔熱間層及使用非金屬材料等措施降低傳熱損失；管道穿外墻部位應(yīng)預(yù)留套管并預(yù)留足夠的保溫間隙；戶內(nèi)開關(guān)、插座接線盒等不應(yīng)置于外墻上，以免影響外墻保溫性能[12]。(2) 屋面保溫層應(yīng)與外墻的保溫層連續(xù)，不得出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋；對女兒墻等突出屋面的結(jié)構(gòu)體，其保溫層應(yīng)與屋面、墻面保溫層連續(xù)，不得出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋。女兒墻、風(fēng)道出風(fēng)口等薄弱環(huán)節(jié)，宜設(shè)置金屬蓋板，以提高其耐久性，金屬蓋板與結(jié)構(gòu)連接部位，也應(yīng)避免熱橋產(chǎn)生；管道穿屋面部位應(yīng)符合下列要求：預(yù)留洞口應(yīng)大于管道外徑，并滿足保溫厚度要求；伸出屋面外的管道應(yīng)設(shè)置套管進(jìn)行保護(hù)，套管與管道間應(yīng)設(shè)置保溫層。(3) 寒冷地區(qū)地下室外墻外側(cè)保溫層應(yīng)與地上部分保溫層連續(xù)，從頂板向下設(shè)置，長度與地下室外墻外側(cè)保溫向下延伸長度一致，或完全覆蓋地下室外墻內(nèi)側(cè)，并應(yīng)采用防水性能好的保溫材料；地下室外墻外側(cè)保溫層應(yīng)延伸到地下凍土層以下，或完全包裹住地下結(jié)構(gòu)部分；地下室外墻外側(cè)保溫層內(nèi)部和外部宜分別設(shè)置一道防水層，防水層應(yīng)延伸至室外地面以上適當(dāng)距離；無地下室時，地面保溫應(yīng)與外墻保溫應(yīng)盡量連續(xù)、無熱橋。

在實際工程中，非透明的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往由鋼筋混凝土和高密度聚氨酯復(fù)合材料合成夾心保溫墻體，節(jié)點設(shè)計保證不出現(xiàn)由梁、板、柱等形成的結(jié)構(gòu)性熱橋，不出現(xiàn)結(jié)露發(fā)霉現(xiàn)象。對于不可避免由金屬連接件造成的熱橋采取斷熱橋設(shè)施，并進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)點詳細(xì)構(gòu)造設(shè)計，保證整個外圍護(hù)結(jié)構(gòu)起到冬季保溫、夏季隔熱的作用[13]。屋頂、外墻和地下室地板的構(gòu)造說明及熱工參數(shù)見表1。

表1　屋頂、外墻及地下室頂板構(gòu)造說明及熱工參數(shù)

2.1.2門窗保溫設(shè)計

建筑門窗是影響超低能耗建筑節(jié)能效果的關(guān)鍵部件，它主要影響建傳熱系數(shù)、太陽得熱系數(shù)以及氣密性能。外窗保溫和遮陽性能應(yīng)符合下列要求：寒冷地區(qū)外窗傳熱系數(shù)(K)和太陽得熱系數(shù)(SHGC)可參考表2選??；為防止結(jié)露，外窗內(nèi)表面(包括玻璃邊緣)溫度不應(yīng)低于13 ℃；在設(shè)計條件下，外窗內(nèi)表面平均溫度宜高于17 ℃，保證室內(nèi)靠近外窗區(qū)域的舒適度；應(yīng)根據(jù)不同的氣候條件優(yōu)化選擇SHGC值。寒冷地區(qū)應(yīng)以冬季獲得太陽輻射量為主，SHGC值應(yīng)盡量選上限，同時兼顧夏季隔熱。當(dāng)設(shè)有可調(diào)節(jié)外遮陽設(shè)施時，夏季可利用遮陽設(shè)施減少太陽輻射得熱，外窗的SHGC值宜主要按冬季需要選取，兼顧夏季外遮陽設(shè)施的實際調(diào)節(jié)效果，確定SHGC值；外門窗應(yīng)有良好的氣密、水密及抗風(fēng)壓性能。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)其氣密性等級不應(yīng)低于8級、水密性等級不應(yīng)低于6級、抗風(fēng)壓性能等級不應(yīng)低于9級。

表2　各氣候分區(qū)外窗得熱系數(shù)K和太陽得熱系數(shù)SHGC參考值

建筑外窗要能滿足寒冷地區(qū)的能耗指標(biāo)要求，必須對窗框型材和玻璃配置嚴(yán)格把關(guān)。玻璃配置應(yīng)考慮玻璃層數(shù)、Low-E膜層、真空層、惰性氣體、邊部密封構(gòu)造等加強(qiáng)玻璃保溫隔熱性能的措施。寒冷地區(qū)應(yīng)采用三層玻璃；采用Low-E玻璃時，應(yīng)綜合考慮膜層對K值和SHGC值的影響。膜層數(shù)越多，K值越小，同時SHGC值也越?。划?dāng)需要SHGC值較小時，膜層宜位于最外片玻璃的內(nèi)側(cè)；當(dāng)需要K值較小時，可選擇Low-E中空真空玻璃。Low-E膜應(yīng)朝向真空層；與普通中空玻璃相比，Low-E中空真空玻璃傳熱系數(shù)可降低約2.0W/(m2·K)；惰性氣體填充時，宜采用氬氣填充，填充比例應(yīng)超過85%。比例越高，隔熱性能越好；中空玻璃應(yīng)采用暖邊間隔條，通過改善玻璃邊緣的傳熱狀況提高整窗的保溫性能。窗框型材應(yīng)采用未增塑聚氯乙烯塑料、木材等保溫性能較好的材料。在寒冷地區(qū)，隔熱鋁合金型材難以達(dá)到超低能耗建筑的傳熱系數(shù)要求。

此外，外門和戶門均應(yīng)采用保溫密閉門，保溫性能不應(yīng)低于外窗的相關(guān)要求。寒冷地區(qū)面向冬季主導(dǎo)風(fēng)向的外門應(yīng)設(shè)置門斗或雙層外門；其它地區(qū)外門宜設(shè)門斗或應(yīng)采取其它減少冷風(fēng)滲透的措施?？紤]入住率影響及分戶熱計量的要求，寒冷地區(qū)樓梯間隔墻、分戶墻及樓板宜采取保溫措施。

外窗分隔應(yīng)在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下盡量減少，并按照模數(shù)進(jìn)行設(shè)計；外窗節(jié)點設(shè)計時，宜利用建筑門窗玻璃幕墻熱工計算軟件，模擬分析不同安裝條件下外窗的傳熱系數(shù)和各表面溫度，進(jìn)行輔助設(shè)計和驗證；外窗宜采用窗框內(nèi)表面與結(jié)構(gòu)外表面齊平的外掛安裝方式，外窗與結(jié)構(gòu)墻之間的縫隙應(yīng)采用耐久性良好的密封材料密封嚴(yán)密；外窗臺應(yīng)設(shè)置窗臺板，以免雨水侵蝕造成保溫層的破壞；窗臺板應(yīng)設(shè)置滴水線；窗臺宜采用耐久性好的金屬制作，窗臺板與窗框之間應(yīng)有結(jié)構(gòu)性鏈接，并采用密封材料密封；懸挑陽臺可采用陽臺板與主體結(jié)構(gòu)斷開的設(shè)計；陽臺板靠挑梁支撐時，保溫材料應(yīng)將挑梁和陽臺結(jié)構(gòu)體整體包裹，避免熱橋。設(shè)計可調(diào)節(jié)外遮陽裝置安裝節(jié)點時，應(yīng)在其內(nèi)部或外部留有足夠的空間，用來填充保溫材料，避免熱橋。

在實際工程中，外窗往往采用高性能保溫隔熱的雙層Low-e玻璃，具有良好的采光隔熱和保溫性能，其傳熱系數(shù)K≤0.8W/(m2·k)、玻璃的太陽能總透射比g≥0.35、玻璃選擇性系數(shù)S≥1.25。高性能窗可以對不同波長的光線進(jìn)行選擇性透過，從而實現(xiàn)自然光滿足室內(nèi)照度要求的同時，將造成夏季室內(nèi)冷負(fù)荷增加的長波輻射隔絕在室外，在冬季將輻射到玻璃的近紅外線反射到室內(nèi)。

2.2建筑氣密性設(shè)計

建筑氣密性能對于實現(xiàn)超低能耗目標(biāo)非常重要。良好的氣密性可以減少冬季冷風(fēng)滲透，降低夏季非受控通風(fēng)導(dǎo)致的供冷需求增加，避免濕氣侵入造成的建筑發(fā)霉、結(jié)露和損壞，減少室外噪聲和空氣污染等不良因素對室內(nèi)環(huán)境的影響，提高居住者的生活品質(zhì)。氣密層應(yīng)連續(xù)并包圍整個外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，建筑設(shè)計施工圖中應(yīng)明確標(biāo)注氣密層的位置，應(yīng)采用簡潔的造型和節(jié)點設(shè)計，減少或避免出現(xiàn)氣密性難以處理的節(jié)點。 應(yīng)選用氣密性等級高的外門窗，外窗框與窗扇間宜采用3道耐久性良好的密封材料密封，每個開啟扇至少設(shè)2個鎖點。應(yīng)選擇適用的氣密性材料構(gòu)成氣密層，常見的可構(gòu)成氣密層的材料包括一定厚度的抹灰層、硬質(zhì)的材料板(如密度板、石材)、氣密性薄膜等?？籽郾∧?、保溫材料、軟木纖維板、刨花板、砌塊墻體等不適于用做氣密層。應(yīng)選擇適用的氣密性材料做節(jié)點氣密性處理，如緊實完整的混凝土、氣密性薄膜、專用膨脹密封條、專用氣密性處理涂料等材料；包裝膠帶、聚氨酯發(fā)泡、防水硅膠等材料不適合做節(jié)點氣密性處理材料。對門洞、窗洞、電氣接線盒、管線貫穿處等易發(fā)生氣密性問題的部位，應(yīng)進(jìn)行節(jié)點設(shè)計并對氣密性措施進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.3遮陽設(shè)計

寒冷地區(qū)供暖能耗在全年建筑總能耗中占主導(dǎo)地位，太陽輻射可降低冬季供暖能耗，但也會增加夏季空調(diào)能耗，因此，寒冷地區(qū)的東、西、南向的外窗均應(yīng)考慮遮陽措施。

遮陽設(shè)計應(yīng)根據(jù)寒冷地區(qū)的氣候特點，房間的使用要求以及窗口所在朝向綜合考慮?？刹捎每烧{(diào)或固定等遮陽措施，也可采用各種熱反射玻璃、鍍膜玻璃、陽光控制膜、低發(fā)射率膜等進(jìn)行遮陽；超低能耗建筑宜采用可調(diào)節(jié)的遮陽設(shè)施?？烧{(diào)節(jié)外遮陽表面吸收的太陽得熱，傳入室內(nèi)的比例比內(nèi)遮陽或中置遮陽小，并且可根據(jù)太陽高度角和室外天氣情況自動或手動調(diào)整，是最適合超低能耗建筑的遮陽形式。固定遮陽是將建筑的天然采光、遮陽與建筑物融為一體的外遮陽系統(tǒng)。設(shè)計固定遮陽時應(yīng)綜合考慮建筑物所處地理緯度、朝向，太陽高度角和太陽方向角及遮陽時間，通過對建筑物進(jìn)行日照分析來確定遮陽的分布和特征。除固定遮陽外，也可結(jié)合建筑立面設(shè)計，采用自然遮陽措施。非高層建筑宜結(jié)合景觀設(shè)計，利用樹木形成自然遮陽，降低夏季輻射熱負(fù)荷。南向外窗宜采用可調(diào)節(jié)外遮陽或水平固定外遮陽的方式。水平固定外遮陽挑出長度應(yīng)滿足夏季太陽不直接照射到室內(nèi)，且不影響冬季日照的要求；東向和西向外窗宜采用可調(diào)節(jié)外遮陽或可調(diào)中置遮陽設(shè)施。當(dāng)東向和西向采用固定遮陽時，因東西向在需要避免太陽直曬時，太陽高度角較低，此時采用水平固定遮陽效果較差，因此宜采用垂直遮陽；可調(diào)節(jié)外遮陽和外窗的間距宜大于100mm，以免外窗玻璃被加熱。當(dāng)設(shè)置中置遮陽時，應(yīng)盡量增加遮陽百葉及其相關(guān)附件與外窗玻璃之間的距離；在設(shè)置固定遮陽板時，可考慮利用遮陽板反射天然光到大進(jìn)深的室內(nèi)，改善室內(nèi)采光效果；遮陽設(shè)施在遮擋陽光直接進(jìn)入室內(nèi)的同時，也會阻礙窗口的通風(fēng)，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。

隨著可調(diào)節(jié)外遮陽技術(shù)在遮陽設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，建筑西向及南向常常采用可調(diào)卷簾，除滿足夏天阻擋熱量、冬天利用窗戶得熱的需求外，還可以利用可調(diào)節(jié)外遮陽卷簾創(chuàng)造宜人的室內(nèi)照明環(huán)境，個別公共房間可依據(jù)太陽光照強(qiáng)度，自動控制外遮陽下落高度。在權(quán)衡西向自然采光和遮陽的問題上，通過對自然采光的模擬，選擇最適宜的開窗面積和遮陽措施。

2.4高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)

被動式超低能耗建筑應(yīng)采用高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，通過回收利用排風(fēng)中的能量降低供暖制冷需求，不用或少用輔助供暖供冷系統(tǒng)，實現(xiàn)超低能耗目標(biāo)。高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)通過熱回收裝置使新風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)行熱交換，回收排風(fēng)中的能量。

熱回收效率是評價熱回收裝置換熱性能的主要指標(biāo)，設(shè)計時應(yīng)選用高效的熱回收裝置，并應(yīng)滿足以下要求：顯熱回收裝置的溫度交換效率1不應(yīng)低于75%；全熱熱回收裝置的焓交換效率2不應(yīng)低于70%；熱回收裝置單位風(fēng)量風(fēng)機(jī)耗功率應(yīng)小于0.45W/(m3/h)。熱回收裝置的類型應(yīng)根據(jù)寒冷地區(qū)氣候特點，全熱回收裝置同顯熱回收裝置節(jié)能效果相當(dāng)，顯熱回收具有更好的經(jīng)濟(jì)性，但全熱回收裝置利于降低結(jié)霜的風(fēng)險，應(yīng)根據(jù)具體項目情況綜合考慮。 熱回收裝置新風(fēng)側(cè)應(yīng)處于正壓區(qū)，排風(fēng)側(cè)應(yīng)處于負(fù)壓區(qū)。高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)宜在新風(fēng)入口處設(shè)置低阻高效率的空氣凈化裝置，為室內(nèi)提供更加潔凈的新鮮空氣，并有效減小霧霾天氣對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。同時也可避免熱回收裝置積塵、換熱效率下降。為了獲得高品質(zhì)的空氣，還應(yīng)該加設(shè)空氣凈化裝置，大于等于0.5μm的細(xì)顆粒物的一次通過計數(shù)效率宜高于80%，且不應(yīng)低于60%。

新風(fēng)量宜按總?cè)藬?shù)確定，每人所需的最小新風(fēng)量應(yīng)按30m3/h計算，使新風(fēng)量與排風(fēng)量平衡。新風(fēng)系統(tǒng)宜分戶獨立設(shè)置且可調(diào)控，宜與外窗開啟感應(yīng)裝置聯(lián)動。新風(fēng)氣流應(yīng)從起居室和臥室等主要活動區(qū)(送風(fēng)區(qū))流向衛(wèi)生間和廚房等功能區(qū)(排風(fēng)區(qū))。樓梯間、過道和敞開式廚房的餐廳可作為過流區(qū)，通過空氣流動間接得到送風(fēng)和排風(fēng)，保證所有房間得到充分通風(fēng)。每個房間或主要活動區(qū)均應(yīng)設(shè)置送風(fēng)口和回風(fēng)口，當(dāng)安裝確有困難時，可在主活動區(qū)域設(shè)置集中回風(fēng)口與回風(fēng)管道連接，其他房間設(shè)置過流口與主活動區(qū)間聯(lián)通。對不能設(shè)置回風(fēng)口或過流口的房間，其內(nèi)門與地面間凈空應(yīng)留20～25mm的縫隙，用于回風(fēng)。新風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道和風(fēng)口設(shè)計應(yīng)符合以下要求：盡可能降低管道和風(fēng)口風(fēng)速，主風(fēng)道風(fēng)速宜小于3m/s，送風(fēng)口風(fēng)速不宜大于1.5m/s；過流口應(yīng)有隔聲降噪設(shè)計。與室外連通的新風(fēng)和排風(fēng)管路上均應(yīng)安裝保溫密閉型電動風(fēng)閥，并與系統(tǒng)聯(lián)動，保證建筑的氣密性。還應(yīng)設(shè)置新風(fēng)旁通管，當(dāng)室外溫濕度適宜時，新風(fēng)可經(jīng)旁通管直接進(jìn)入室內(nèi)，不經(jīng)過熱回收裝置，以降低能耗。新風(fēng)機(jī)組應(yīng)進(jìn)行消聲隔震處理；新風(fēng)出口處和排風(fēng)入口處宜設(shè)消聲裝置；風(fēng)機(jī)與風(fēng)管連接處應(yīng)采用軟連接。在寒冷地區(qū)，高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置防凍措施。

其中，太陽能新風(fēng)系統(tǒng)以其高效節(jié)能的特點備受推崇。它由集熱裝置、氣流輸送和自控裝置三部分組成，集熱裝置為太陽能空氣集熱器；氣流輸送裝置為風(fēng)機(jī)和管道。太陽能空氣集熱器利用太陽能輻射熱能加熱空氣，然后通過氣流輸送裝置將熱空氣送入新風(fēng)機(jī)組進(jìn)一步處理。并且設(shè)計選用回收效率高于75%的置換式通風(fēng)設(shè)備，新風(fēng)經(jīng)過過濾等級不低于G45進(jìn)入室內(nèi)?？諝赓|(zhì)量要滿足CO2濃度≤1.962mg/mL的要求，并且全年自動運行。新風(fēng)處理機(jī)組加裝除濕段，集熱系統(tǒng)夏季為轉(zhuǎn)輪除濕提供再生熱風(fēng)，實現(xiàn)夏季熱量除濕。

2.5輔助供暖供冷系統(tǒng)

超低能耗建筑輔助供暖供冷應(yīng)優(yōu)先利用太陽能、地源熱泵、空氣源熱泵及生物質(zhì)燃料等可再生能源，減少一次能源的使用。寒冷地區(qū)宜設(shè)置輔助熱源和冷源，其中輔助熱源不宜采用集中供暖方式，宜采用地源熱泵或空氣源熱泵。輔助熱源選擇時，除滿足供暖、新風(fēng)處理要求外，宜兼顧生活熱水的用熱需求，并盡可能利用太陽能供應(yīng)熱水。實際工程中，太陽能新風(fēng)系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)等得到推廣使用。其中，太陽能熱水系統(tǒng)的工作原理是溫差循環(huán)控制，通過檢測集熱器的供回水溫差來控制集熱循環(huán)泵的啟動和停止，并比較循環(huán)溫度與貯水箱中水溫溫差不斷加熱貯水箱中的熱水。

3　適宜寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑發(fā)展策略

3.1政府積極引導(dǎo)做好專業(yè)的宣傳普及工作

做好被動式超低能耗建筑的普及推廣工作至關(guān)重要，這離不開國家的引導(dǎo)、政府的支持、企業(yè)的參與以及高校的引領(lǐng)。所以我們要完善國家法律法規(guī)體系，凸顯其發(fā)展的緊迫性；完善政府激勵政策，給予相應(yīng)財政支持；加強(qiáng)社會發(fā)展理念，提高公眾參與度；穩(wěn)步推進(jìn)示范項目的順利進(jìn)行。寒冷地區(qū)，被動式超低能耗示范項目遍布多個地市，涉及各類居住建筑、公共建筑，具有較強(qiáng)的典型性和代表性。讓大家來參觀使用這些示范項目，親身感受到它的優(yōu)勢，將起到十分重要的宣傳作用。被動房在取消了傳統(tǒng)的采暖系統(tǒng)后，大大減少了城市供熱熱網(wǎng)配套費，物業(yè)維護(hù)費；對用戶來說，按120m2推算，每年將減少2400～2880元供暖費用和約1000元的空調(diào)制冷費用。通過高校和示范項目這兩個平臺來充分展現(xiàn)、宣傳被動式超低能耗建筑，將是一個非常好的途徑和方式。

3.2制定適宜寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)體系及認(rèn)證體系

國內(nèi)被動式超低能耗建筑的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、評價標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證體系基本都采用德國的體系，但是這些不完全適用于我國各地。2015年5月1日,河北省頒布了本省的DBB(J)/T177—2015《被動式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》并予于實施，此標(biāo)準(zhǔn)是國內(nèi)首部被動式房屋標(biāo)準(zhǔn)，也為寒冷地區(qū)推廣研究被動式超低能耗建筑做出了積極努力。而其余各省目前的示范項目采用的還是德國標(biāo)準(zhǔn)，加快編制頒布和實施適合自己的標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。德國的被動房的認(rèn)證評價都是通過德國被動式房屋研究所(PHI)，目前全球約有30家機(jī)構(gòu)經(jīng)過了德國PHI的培訓(xùn)和認(rèn)證，從事被動房建筑的認(rèn)證工作。被動房認(rèn)證的唯一條件是利用PHPP軟件進(jìn)行計算；其唯一檢測則是由具有相應(yīng)資質(zhì)的第三方進(jìn)行氣密性檢測[14]。借鑒德國的先進(jìn)經(jīng)驗，探索自己的被動式超低能耗建筑的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，不但要推廣寒冷地區(qū)的被動式超低能耗建筑的發(fā)展，而且能完善整個被動房理論體系。

寒冷地區(qū)在發(fā)展被動式超低能耗建筑技術(shù)上的重心是盡快研究出一套適合寒冷地區(qū)的本土化的技術(shù)體系[14]。(1) 針對部分寒冷地區(qū)的除濕需求，適當(dāng)考慮在原有的帶熱回收裝置的新風(fēng)系統(tǒng)上加設(shè)除濕系統(tǒng)。新風(fēng)通過加設(shè)除濕系統(tǒng)的新風(fēng)管道，將相對干燥并達(dá)到目標(biāo)濕度的空氣送至室內(nèi)，使室內(nèi)濕度達(dá)到相對舒適的指標(biāo)。(2) 針對保溫材料防火問題，目前在市場占有率較高的XPS保溫材料，添加阻燃劑后仍不具有長期的阻燃效果，而石墨EPS板薄抹灰外墻外保溫技術(shù)、工藝和材料，防火效果好。(3) 現(xiàn)有建筑都敷設(shè)有采暖管網(wǎng)，而被動式改造還需要相當(dāng)長的一段時間，期間仍需要集中采暖，加快被動式改造的進(jìn)程十分重要；而對于新建建筑，要用發(fā)展的眼光看問題，鼓勵被動式設(shè)計，減少管道敷設(shè)，節(jié)約市政成本。(4) 寒冷地區(qū)特有的山水人文直接影響寒冷地區(qū)傳統(tǒng)建筑材料和建造方法。在建設(shè)被動式超低能耗建筑時結(jié)合具體的環(huán)境、場所加以利用，既延續(xù)了傳統(tǒng)的建筑文化，又為新時代的建筑節(jié)能所利用。(5) 關(guān)于廚房部分，應(yīng)該想方設(shè)法將抽油煙機(jī)帶走的大量熱回收利用，使抽油煙機(jī)與熱回收新風(fēng)系統(tǒng)連接，以加熱新風(fēng)，提高室內(nèi)溫度；也可以將廚房與其余使用空間完全隔開，增設(shè)輔助供暖設(shè)施來保證廚房的溫度舒適性。從而實現(xiàn)住宅的被動式設(shè)計。

這些簡單的改進(jìn)技術(shù)對寒冷地區(qū)的被動式超低能耗建筑建設(shè)將起到促進(jìn)作用。

3.3與建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化結(jié)合發(fā)展、積極改進(jìn)現(xiàn)有的建筑施工技術(shù)

建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化以綠色發(fā)展為理念，運用先進(jìn)的建造技術(shù)和科學(xué)的管理方法，對建筑全產(chǎn)業(yè)鏈更新、改造和升級，從而提高建設(shè)項目的質(zhì)量和效益。而被動式超低能耗建筑的，門窗、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、密封材料和防水材料等相關(guān)產(chǎn)品依賴于相關(guān)建筑產(chǎn)業(yè)化的支持。2015年7月17日山東省建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展聯(lián)盟正式成立，聯(lián)盟的成立對于山東省建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展將有著非常大的積極作用，對于寒冷地區(qū)的被動式超低能耗建筑的發(fā)展也具有很強(qiáng)的助力作用。

與國外相比，目前國內(nèi)的施工技術(shù)還處于落后地位。為了能提高寒冷地區(qū)乃至全國被動式超低能耗建筑的施工水平，我們可以采取“走出去”和“引進(jìn)來”兩種方式學(xué)習(xí)提高自身施工水平。一方面組織專家和專業(yè)施工技術(shù)人員去國外學(xué)習(xí)交流，特別是去被動式超低能耗建筑發(fā)展較好的德國、瑞典、英國和芬蘭等歐洲國家；另一方面可以聘請國外專家和專業(yè)施工人員作為技術(shù)顧問，指導(dǎo)監(jiān)督在建項目的順利建設(shè)完工[16]。除此之外，還需要總結(jié)已完成的項目的施工經(jīng)驗，吸取教訓(xùn)，積極改進(jìn)。通過積極學(xué)習(xí)，結(jié)合實踐經(jīng)驗，我們的被動房施工技術(shù)水平才能不斷提高，趕超國際先進(jìn)水平。

4　結(jié)語

綠色建筑技術(shù)的指導(dǎo)原則是有地域性的，不能為了綠色而綠色，成為綠色技術(shù)的堆積品，而要根據(jù)“因地制宜”的原則，合理的建設(shè)被動式超低能耗建筑。作為國內(nèi)被動式超低能耗建筑發(fā)展的重要陣地，以河北省、山東省為代表的寒冷地區(qū)需要根據(jù)本地區(qū)的實際情況，開拓出一條具有寒冷地區(qū)特色的被動式超低能耗建設(shè)之路。今后，需要進(jìn)一步加強(qiáng)工作，在良好的試點示范項目基礎(chǔ)上，積極推進(jìn)被動式超低能耗建筑發(fā)展，力爭將寒冷地區(qū)建設(shè)成為被動式超低能耗建筑示范地區(qū)。

[1]周正楠.對歐洲“被動房”建筑的介紹與思考[J].建筑學(xué)報,2009(5):10-13.

[2]張小玲.被動式房屋：理想的高舒適度超低能耗建筑[J].建設(shè)科技,2012(10)：66-70.

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[4]李文姹，張杰.被動式節(jié)能HOUSE——低能耗建筑的新紀(jì)元[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2013(9):8-12.

[5]黃秋平,馬偉駿,范一飛等.德國“被動房”中國本土化設(shè)計實現(xiàn)探討[J].綠色建筑,2012(3):19-23.

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[9]程才實.試論“在水一方”中德合作被動式低能耗建筑示范的重要意義[J].建設(shè)科技,2014(21):158-160.

[10]張春雷.山東省:被動式超低能耗綠色建筑試點示范省[J].建設(shè)科技,2014(19):46-47.

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[13]彭夢月.被動房示范項目圍護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計與構(gòu)造[J].建設(shè)科技,2013(9):19-22.

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[15]徐偉.中國被動式超低能耗建筑技術(shù)體系研究[J].建設(shè)科技,2015(23):15-16.

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(學(xué)科責(zé)編：李雪蕾)

Research on key technologies of passive house in cold region

Chen Qiang1，Wang Chongjie2*，Li Jie1，et al.

(1. School of Architecture and Urban Planning, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China； 2. Shandong Co-Innovation Center of Green Building, Jinan 250101，China)

Withthegrowingpopularityofgreen,recycling,lowcarbondevelopmentconcept,thepassivehouseisabletodealwithenergycrisis,climatechangeandpeople'spursuitofhighqualitylifeduetoitshigherenergyefficiency,lesspollutiontoenvironment,morecomfort,andbecomesanimportantkindofconstruction.Exploringkeytechnicalschemeactivelyinthecoldregionpassivehouseconstructionandrealizingthesuperlocalizationofpassivehousedevelopmentisimminent.Thepapergivesadomesticandforeignpassiveultraoverviewofthedevelopmentoftheconstructionoflowenergyconsumption,anddoesresearchonkeytechnologiesofpassivehouseaboutthethermalbridge,buildinginsulationsystem,buildingairtightdesign,shadingdesign,freshairheatrecoverysystem,auxiliaryheatingforcoolingsystemincoldregion,andputsforwardthesuitablepassiveultralowenergyconsumptionconstructionanddevelopmentstrategyforcoldregion.

passivehouse;buildingtechnology;coldregion;developmentstrategy

2015-11-02

山東省重點研發(fā)項目(2015GSF122006)

陳強(qiáng)(1989-)，男，在讀碩士，主要從事綠色建筑、建筑節(jié)能和太陽能與建筑一體化等方面的研究.E-mail:chenqiang198905@163.com

*：王崇杰(1957-)，男，教授，學(xué)士，主要從事綠色建筑技術(shù)方面的研究.Email:wcj@sdjzu.edu.cn

1673-7644(2016)01-0019-08

TU201.5

A