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被動式建築的最核心技術是建築隔熱設計

文章出處:未知 發表時間:2018-06-07 09:08

  被動式建築(PassiveHouse)是由瑞典隆德大學的Mr.BoAdamson教授和德國達姆斯塔特房屋與環境研究所的Mr.WolfgangFeist博士在1988年提出來的,目標是設計一種不需要“采暖空調主動供冷熱”的房屋,因此命名為“被動式建築”。1990年,世界首座被動式建築在德國達姆斯塔特(Darmstadt)建成。從此,以Mr.WolfgangFeist為首的物理學家、數學家、氣候環境學家、材料學家及專業工程人員組成的科研團隊,對被動式建築進行了20年的係統研究與測試,形成了一整套技術和施工規範。

  被動式建築最初並沒引起人們注意,但隨著2005年世界能源價格大幅上漲,被動式建築的獨特魅力越來越引起各國建築、能源、環境界人士的注意,逐漸獲得了社會各方麵的公認,進入2009年後,被動式建築逐漸成為歐洲主流建築節能技術,並被部分歐洲國家確定為國家建築標準或未來城市發展規劃,歐洲議會也提議歐洲新建建築要符合“被動式住宅”標準,包括美國、中國等各國在內,越來越多的建築專家逐漸認識到:“被動式建築”節能技術是最合理且效果最明顯的建築節能技術。被動式建築主要包括四個方麵特點:

  (1)建築外圍護結構采用150-200mm以上厚度的外牆外保溫材料,靠室內一側采用重質建築材料;

  (2)圍護結構密閉性好;

  (3)良好的通風設計;

  (4)做好建築朝向設計,采用三層玻璃窗戶與遮陽,以利於采用太陽能供熱。

  其中,最重要的是第(1)條,它所反映的就是建築物理學的建築隔熱計算原理,這也是決定能否發揮“被動式建築”另幾項技術成效的最核心技術。看過國內一些“被動式建築節能技術”資料介紹,許多研究材料隻注意到厚厚的外保溫材料,卻忽略了其中更重要的:建築圍護結構室內表麵牆體要采用高蓄熱重質建築材料,如果脫離了這一條,就不可能實現“不需要采暖空調主動供冷熱”的目標。

  被動式建築的主要技術思想是,一方麵憑借高保溫隔熱與高密閉性的建築圍護結構,來抵禦冬天室外低溫與夏天太陽輻射、室外高溫給室內熱環境造成的影響;一方麵是冬天充分利用太陽能采暖,夏天充分利用通風給蓄熱牆體降溫。

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

  (2)室內牆體采用高蓄熱重質建築材料,這也是建築隔熱設計的最關鍵技術,憑借超厚外保溫材料隔絕室內通過圍護牆體傳熱與外界環境的熱交換作用,內部的高蓄熱重質牆體,一方麵可以在冬天吸收、儲存透過窗戶輻射進室內的太陽能,給室內供熱。一方麵在夏天夜晚低溫時,通過通風散熱,儲存冷負荷,到了白天,可吸收室內人體散熱和室外傳熱,使建築室內夜暖晝涼、冬暖夏涼。如果建築室內牆體缺少高蓄熱重質建築材料設計,即使采光很好,冬季也隻能使白天室內溫暖,並不能維持夜晚的室內溫度。同理,如果室內牆體不采用高蓄熱重質材料,夏天的夜晚通風隻能使建築室內夜晚更舒適,並不能使建築室內白天也涼爽怡人。

  被動式建築的這四項技術是相互關聯,互相影響的,但關鍵要通過厚厚的外保溫材料內的高蓄熱重質材料而起作用。

  (3)良好的通風與高密閉性設計

  被動式建築的通風設計,一方麵能將冬季白天太陽輻射入室內的熱量,分散傳遞到其他室內(北房),盡可能儲存更多熱量,另一方麵在夏季夜晚,盡可能充分調動室外涼爽空氣,給室內高蓄熱牆體散熱,儲存冷負荷。被動式建築的高密閉性,既可以減少空氣滲透所導致的冷熱負荷損失,也是發揮其通風設計的重要保證。

  (4)良好的建築朝向設計與三層玻璃窗戶及遮陽設計

  冬天,可充分利用透過窗戶的太陽輻射給室內供熱,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,通過良好的遮陽設計,遮擋、反射室外太陽與高溫輻射。三層玻璃窗戶及遮陽設計,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,建築的朝陽麵圍護結構設計,不但不必拘泥窗牆比,還應該采用比較大的窗戶。

  部分同行將被動式建築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“零能耗”建築,這種“零能耗”建築如果沒采用150mm以上厚度的外保溫與高蓄熱內牆體,即使供電量為零,但實際建築能耗並不小,隻是用光伏電池和地熱代替了電能,實際運行成本也很高。

  “被動式建築”的建造成本隻增加5-10%,運行能耗隻相當於普通建築10-25%.若在“被動式建築”技術基礎上,再采用光伏電池和地熱“節能”的“零能耗建築”,才是真正的節能建築。采用光伏電池,一般適合輸電成本較高的邊遠地區分散建築,不適合城市建築。

  總之,被動式建築的最關鍵技術是通過室內高蓄熱牆體,將高保溫隔熱性能、高密閉性的建築圍護結構,與良好的通風設計、三層玻璃窗與遮陽、建築朝向設計等節能技術有機地集合在一起的綜合建築節能技術。

  如果單從每項節能技術來看,德國被動式建築的這些建築節能技術,也是國內建築節能技術所強調的,但如果外保溫圍護結構內表麵牆體缺少高蓄熱性能材料,這時,單強調保溫、或提高建築密閉性,不但不能發揮這些節能技術的綜合節能效果,有時甚至適得其反,如果建築圍護結構出現隔熱設計錯誤,反而可能出現所謂“建築保溫性能越好,越耗能”“越密閉,越耗能”現象。按照某些建築節能專家的說法,“外保溫材料相當於夏天給建築穿上了棉襖”,導致建築室內熱源熱量散發不出去,而增加建築能耗。

  這是因為國內多采用能耗模擬軟件來評估建築圍護結構節能設計,但能耗模擬軟件是針對24小時連續空調模式建築開發的,計算的是室內設定溫度條件下的建築傳熱能耗,隻考慮了牆體蓄熱性能對牆體傳熱的影響,未考慮間斷空調模式下,空調關閉通風時,室內溫度低於空調設定溫度時,所引起的建築牆體傳熱模式變化與建築牆體蓄熱變化對建築能耗所形成的影響。例如,150mm厚外保溫材料內的重質牆體材料,在通風作用下,能儲存大量冷負荷,對節約建築能耗能產生極大影響。但用能耗模擬軟件模擬計算,保溫材料有50mm厚就節能了,再厚就沒有明顯節能效果了,而有的建築能耗模擬軟件,甚至會得出“南方建築保溫越好,越耗能”的計算結論。

  這是因為24小時連續空調模式下的建築能耗模擬計算軟件,無法體現空調關閉狀態下,室溫低於空調設定溫度條件下的通風,所形成的牆體蓄熱變化對建築能耗的真實影響,所以,若用建築能耗模擬計算軟件指導間斷空調模式下的建築圍護結構節能設計,能耗偏差非常大。所以,建築能耗模擬計算隻適用於24小時連續空調模式下建築節能設計,不適用於每天空調隻開十幾個小時的間斷空調模式建築節能設計。

  依照有的能耗模擬軟件,建築內部牆體要采用低蓄熱牆體才節能,其實這一條隻適用每天隻使用幾小時的會議室,或者外保溫性能很差的圍護結構,對外保溫性能較好的建築或使用時間超過十幾個小時的建築是不適用的。

  德國被動式建築節能技術本質是依據建築物理(建築熱工)原理開發的,依據的是冬季建築保溫計算與夏季建築隔熱計算理論。根據冬季建築保溫計算,保溫材料越厚,牆體傳熱能耗越小。

  建築隔熱設計理論主要是針對自然通風條件下的建築圍護結構熱工節能設計,BEED建築熱工節能設計計算軟件圍護結構隔熱設計計算所體現的建築節能原理是:在夏季白天室外溫度較高時,外牆外保溫越厚,越密不透風,越有利於阻止陽光把圍護牆體曬熱,同時圍護結構內側重質建築牆體導熱性能要越大越好,這樣,在夜晚室外溫度較低時,通過建築室內良好的通風散熱,圍護結構內側重質牆體導熱率越高,越有利於發揮建築內牆蓄熱性能,儲存盡可能多的冷負荷,在白天室外溫度升高時,關閉窗戶,利用室內牆體蓄存的冷負荷,來吸收室內外熱源散發的熱能,來維持室內溫度穩定。

  建築隔熱計算既適用於非空調建築的夏季隔熱要求,也適用於每天空調隻開十幾個小時的間斷式空調建築隔熱要求,即使在24小時連續空調模式下,仍然能發揮隔熱設計的阻熱蓄冷作用,如在室外溫度低於空調設定溫度,空調自動關閉時的通風散熱,,這時的室內重質牆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空調關閉,室溫低於空調設定溫度條件下,通過通風降低牆體蓄熱所儲存的冷負荷。

  建築隔熱設計計算則綜合考慮了夏季建築圍護結構外表麵太陽輻射吸收係數、建築圍護結構外保溫設計、建築牆體內部蓄熱牆體設計、自然通風設計的綜合節能技術。依據建築隔熱計算,建築外保溫材料厚度在150mm以內變化,對建築內表麵最高溫度影響都比較大,外保溫材料厚度超過150mm以上,再繼續提高外保溫材料厚度,對降低建築內表麵最高溫度才越來越不明顯。但依據建築能耗模擬計算,建築外保溫材料厚度在50mm以內變化,對建築能耗影響較大,超過50mm以上,對夏季空調建築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,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,德國被動式建築把保溫材料做成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,但所節約的建築能耗遠遠大於增加的建造成本。

  圍護結構密閉性與良好的通風設計是建築隔熱設計的最基本要求,隻有在密閉性建築裏,較厚的建築保溫與通風設計才有意義,使建築能在真正需要通風的時候通風,如在夏季夜晚室外溫度較低時通風蓄冷,在冬季中午利用圍護結構重質內牆蓄熱,良好的通風可使建築蓄熱內牆儲存更多的冷負荷,或者熱負荷。但在不該通風的時候,則要密不透風,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冷熱負荷損失。

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