被动式房设计的技术措施.docx

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被动式房设计的技术措施

被动式低能耗建筑的研究与实践

一、一般建筑设计应包含的内容：

居住建筑：

（1）相关规范及设计标准

《民用建筑设计通则》、《住宅设计规范》、《住宅建筑规范》、《高层民用建筑设计防火规范》、《建筑工程建筑面积设计规范》、居住建筑节能设计标准、《外墙外保温应用技术规程》、《民用建筑热工设计规范》、《外墙外保温工程技术规程》、《地下工程防水技术规程》、《屋面工程技术规范》、《建筑内部装修设计防火规范》、《建筑玻璃应用技术规程》、《建筑工程设计文件编制深度规定》、《无障碍设计规范》、《民用建筑工程室内环境污染控制规范》

（2）经批准的本工程方案文件，及建设单位对本工程的设计要求。

（3）政府批文

（4）设计标高

（5）防火设计

①建筑分类和耐火等级

②防火间距和消防车道

③防火分区

④安全疏散

⑤防火建筑构造

（6）墙体工程

（7）地下室防水工程

（8）屋面工程——防水等级、屋面做法、设备基础和透气管的防水构造

（9）门窗工程

（10）内装修工程

（11）太阳能热水一体化设计

（12）外装修工程

（13）油漆涂料工程

（14）玻璃幕墙

（15）建筑设备、设施工程——电梯、厨房烟道、卫生器具、空调

（16）无障碍建筑设计

公共建筑：

（1）设计依据

①甲方提供的相关设计要求；

②当地规划局批准的设计方案；

③当地规划局提供的电子规划图以及用地红线；

④通过审查的本工程设计文件；

⑤现行的国家及地方相关规范、规程、标准。

（2）工程概况

（3）图纸标高及标注

（4）引用图集

（5）墙体工程

（6）防水工程

（7）门窗工程

（8）幕墙工程

（9）节能设计

（10）防火设计

（11）外装修工程

（12）内装修工程

（13）油漆涂料工程

（14）室外工程

（15）建筑设备设施

（16）无障碍建筑设计

（17）太阳能设计

（18）其他注意事项

二、被动式房屋（PASSIVEHOUSE）设计应考虑的因素

（1）概念：

采用各种节能技术构造最佳的建筑围护结构，极大限度地提高建筑保温隔热性能和气密性，使建筑对采暖和制冷需求降到最低。

在此基础上，通过各种被动式建筑手段，如自然通风、自然采光、太阳能辐射得热等来尽可能实现室内舒适的热湿环境和采光环境，最大限度降低对主动式的机械采暖和制冷系统的依赖或完全取消这类设施。

（2）基本设计原则

遵守被动式房屋的基本设计原则时实现被动式房屋的基础。

被动式房屋要符合紧凑型设计、自然通风要求、自然采光要求、充分利用太阳能、气密层设置和房屋使用节能产品的基本要求。

热工性能和能耗指标——外围护结构的限值；新风量；隔热设计；防潮设计。

特点：

外围护结构传热系数≤0.15W/（m2.k），增加外墙外保温；

超级节能窗，其传热系数≤0.8W/（m2.k）；

建筑结构无热桥；

良好的密封；

换气系统；

（3）计算项目

忽视建筑热工计算，往往会造成设计方案本身发生结露、室内温度不均衡和夏季自然通风状态下室内温度过高和能耗超标等问题。

计算类别：

a）热工计算——冷凝防潮计算和隔热计算；

b）采暖与制冷负荷和能耗计算——采暖需求及其一次能源计算、采暖负荷计算、制冷需求及其一次能源计算、制冷负荷计算；

c）总一次能源估算——采暖、制冷、通风、生活热水、照明和家用电器的一次能源需求估算。

（4）计算方法

a）热工计算方法按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176）规定的计算方法验算。

包括：

内部结露计算；热桥表面温度和结露计算；在房间自然通风的条件下，房屋屋顶和东、西外墙的内表面的最高温度计算。

b）采暖与制冷负荷和能耗计算按照现行国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736）的规定进行。

c）对总一次能源需求的计算。

包括：

采暖；制冷；除湿与通风；生活热水；照明；家用电器。

（5）围护结构的设计以及关键节点部位的构造

a）围护结构的设计

被动式房屋的围护结构在设计时就要满足不同于传统节能建筑的规定。

非透明外围护结构传热系数；透明围护结构必须遵从传热系数、玻璃的太阳能总透射比和玻璃的选择性系数的规定等。

b）关键节点部位的构造

在屋面和外墙保温层靠近室内的一侧宜设置防水隔气膜，在靠近室外的一侧宜设置防水透气膜；外窗宜紧贴结构墙外侧安装，外窗与墙体之间的缝隙应采用耐久性良好的密封材料密封、没有窗墙比要求等等。

（6）照明和遮阳设计

不同于一般建筑，设计人员在进行被动式房屋设计时要进行采光设计，以充分利用自然光照明，达到降低照明用电的目的。

采光设计往往决定了窗户的面积。

同时遮阳的设计规定要求设计人员考虑到夏季和冬季的太阳能入射角度，以达到充分利用太阳能而又尽可能避免夏季太阳造成的冷负荷。

（7）通风系统的设计

与普通建筑不同的是被动式房屋必须要采用高效热回收通风装置。

应遵守被动房对通风系统的布局、管路、新风量、热回收率、过滤等级方面的规定。

以及对空调系统的功能、室内气流组织、风速、送风温度、能效比、环保工质等一系列规定。

（8）关键材料和性能

被动式房屋有良好的耐久性，其应用的材料和产品也必须满足较高水平的性能和耐久性要求。

应严格遵守标准对关键性材料的性能做出了的明确规定。

性能指标要比其它标准中的规定严格。

这些材料包括屋面和外墙用防水隔气层的防水隔气膜、外墙外保温系统的各种材料和产品、外围护门窗洞口的密封材料、屋顶金属扣板和窗台金属板的性能指标、地下室顶板天花板保温用岩棉板。

特别指出的是，考虑到我国目前节能建筑和建筑节能材料的市场现状，本标准规定了门窗用防水隔气膜和防水透气膜及外墙外保温系统必须由系统的供应商供应。

（9）防火设计

被动式房屋通常有较厚的保温层。

一旦保温材料性能达不到要求，在火灾发生时会产生灾难性后果。

应严格遵守标准对防火设计构造材料性能、工法做出了详细的规定，其标准要严于国家标准《建筑设计防火规范》（GB50016）的规定。

基本的出发点是，在施工电焊时不会引燃保温材料，房屋在使用过程中一旦发生火灾，不会产生致命毒烟，使火灾可控制在一定范围内。

（10）被动式房屋的测试与认定条件

采用的方法是对被动式房屋必须进行气密性测试。

房屋的气密性必须满足≤0.6/h，即在室内外压差为50Pa条件下，房屋每小时的换气次数。

两个示范项目的结果表明，一旦这个测试通过，则室内环境一定能满足设汁要求；如果测试通不过，则一定是材料或是施工中出了问题。

这种检测还帮助人们找到建造中的薄弱环节进行整改，提高房屋的整体质量。

（11）各种建筑用燃料的CO2排放量的计算方法

为了引导人们了解和掌握房屋的CO2排放量的计算方法，引导人们使用清洁能源。

标准给出各种建筑用燃料转换成一次能源和CO2排放量的计算方法。

包括标准煤、原煤、天然气、液化石油气、人工煤气、汽油、煤油、柴油、木材、固体生物燃料。

三、被动房可利用节能技术介绍

（1）太阳能发电

图3-1太阳能发电系统示意图1

图3-2太阳能发电系统示意图2

图3-3太阳能发电系统示意图3

图3-4太阳能发电系统示意图4

太阳能发电，分光热发电和光伏发电两种形式。

通常情况下，人们所指的太阳能发电，往往指是太阳能光伏发电。

光伏发电，是根据光生伏打效应原理，将太阳光能，直接转化为电能。

太阳能光伏发电，最基本元件，是太阳电池（片），有单晶硅，多晶硅，非晶硅和薄膜电池等多种形式。

目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池主要是用于一些小系统和计算器辅助电源等。

（2）太阳能热水

图3-5平板型太阳能集热器示意图

平板型太阳能热水系统：

内部的热传导介质，一般不是水体，而是具有防冻效果的乙二醇/丙二醇等液体。

通过热交换箱罐，并配合电热水器、燃气热水器等，供应生活热水。

图3-6太阳能热水系统示意图1

图3-7平板型集热器平面图

图3-8太阳能热水系统示意图2

图3-9太阳能热水系统示意图3

图3-10真空管型集热器示意图

普通全玻璃真空管太阳能热水器：

真空玻璃管吸收太阳热，直接传给未经处理的普通水体-硬水，随着长期使用，真空玻璃管内壁上，会结一层水垢，将会降低太阳能系统的热效率。

（3）浅层地表土壤中热量的利用

浅层地表，相当于是一个巨大的太阳能集热器，收集了接近一半的太阳能所发出的能量。

一般情况下，地下土壤，一定深度范围内，会有一个相对恒定的温度。

图3-11浅层地热能

图3-12浅层地表温度分布示意图

a）地源热泵技术的应用

地源热泵，是利用地下水与土壤地能，进行冷热交换，作为热泵的冷热源。

冬季，把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季，把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。

图3-13地埋管换热系统——水平布置示意图

图3-14地埋管换热系统——垂直布置示意图

图3-15地下水换热系统示意图

图3-16地源热泵工作原理示意图

b）室外空气经过地埋管吸入室内

被动房的建造，已经采取了比较高效的保温隔热构造措施，其密封性能被大大提高。

为了既能保证室内有一个健康清新的环境，又要考虑到减少室内通风换气，造成不必要的大量能源的消耗，人们在如何实施住宅内部的进气和排气的通风问题上，已经做了大量的试验性研究。

室外空气，进入室内，不是传统的形式，而是首先通过埋置在住宅外面，地坪下方的土壤中的总的进气管道，在管道内，与管道外面的地下土壤，进行第一次热量交换。

炎热的夏季，室外空气温度较高，在经过地下土壤中的降温处理以后，再送入室内的“能量回收通风系统ERV”（Energyrecoveryventilation），进行二次热量交换处理。

当然，夏季空气，遇冷之后会产生冷凝水的问题，应安装凝结水收集装置。

寒冷的冬天，室外空气温度较低，在经过地下土壤中的升温处理以后，再送入室内的“能量回收通风系统ERV”（Energyrecoveryventilation），进行二次热量交换处理。

图3-17地埋管送风三维立体剖切示意图

d）围护结构设计

①外墙的构造应满足传热系数尽可能低，且外墙有良好的热惰性；

②外围护结构传热系数≤0.15W/（m2.k），增加外墙外保温；超级节能窗，其传热系数≤0.8W/（m2.k）；【节能65%建筑墙体的传热系数为0.45~0.6W/（m2.k），国家标准的住宅门窗传热系数普遍在2.0~2.8W/（m2.k）】

③外窗在传热系数很低的情况下，可以满足自然采光和在冬季有一定的太阳得热；

④有高效热回收通风装置，以满足人体每小时30m3新鲜空气的需求；

⑤门窗采用密封材料，除新风换气系统外，几乎没有与外界连通的缝隙，开关和插座与外联处用密封胶封住。

在室内外大气压差50Pa的情况下，每小时屋内的换气次数不超过0.6次；

⑥房间楼板上加5mm厚的隔音垫，其上还有60mm挤塑保温板，达到室内不超过25分贝，客厅小于30分贝；分户墙装有30mm改性酚醛板保温材料，下水道用双层外包隔音保温毯做隔音处理。

e）精细施工

严格施工步骤、一丝不苟地执行各类标准。

四、被动房的建设

主要技术手段：

a）通过优化建筑体型和朝向利用自然通风、自然采光；

b）极大地提高围护结构保温隔热性能，实现无热桥的构造；

c）采用高性能的被动房门窗；

d）提高建筑气密性；

e）采用高效热回收的新风系统；

f）利用可再生能源满足辅助供热，生活热水和辅助照明。

主要质量保证措施：

a）开展被动式低能耗建筑专题技术培训和设计指导，杜绝边设计边施工。

b）开展被动式低能耗建筑的施工培训，严格施工监理和过程质量控制。

c）加强产品监控，选择高质量的与建筑同寿命的节能产品与配件。

d）进行建筑整体的气密性测试，查找施工和产品质量漏洞。

e）被动式低能耗建筑必须进行精装修，加强运营阶段的能耗监控及优化运营。

五、被动式供冷系统【来自论文《被动式供冷和辐射供冷技术》】

（1）减少建筑得热的技术（Gainpreventiontechniques）

节能型的建筑是减少空调能耗的重要保证，在进行建筑规划时，适当的建筑选址和建筑形式，减少日光辐射，利用自然风，可以帮助创造适宜的微气候。

比如，建筑物的选址最好在绿化好、面临湖泊等湿地的地区或山谷边；在建筑周围和室内种植和布置植物，也可美化环境、净化空气和减少阳光辐射。

据报道，一棵树每年提供的冷量相当于消耗1~2.4MJ电力的人工空调发挥的作用。

从节能角度看，建筑物的外形以立方体最好，建筑物的方位应取南北为主立面。

建筑物外墙颜色与其吸收太阳热辐射的能力密切相关，因此也应充分注意。

窗的构造及窗墙面积比直接关系到建筑物的保温性能，遮阳板、屋檐、挑檐、挑阳台、百叶窗等建筑附件的正确安装也有利于建筑物少受阳光照射的影响。

对于建筑物的外围护结构，也应充分考虑其热湿等特性。

（2）利用自然条件局部供冷（Sitecooling）。

比如在过渡季节，空调系统最大限度地利用新风，既可以节约能量又有利于提高室内空气品质；采用低而宽的窗户、设置“风墙”等可以增大风速、加强通风效果；冬季可以利用冷却塔获得冷水来供建筑物内区冷却；夏季可利用地道风、井水和河水等降温。

（3）地热供冷（Earthcooling）。

根据温度的高低进行分类，地热资源可分三类：

温度高于150℃的属于高温地热资源，温度处于90℃~150℃之间的是中温地热资源，而温度低于90℃的是低温地热资源；高温地热可用于发电，而低温地热用于住宅、商业和工业等方面的采暖和制冷较经济合理。

地源热泵（GSHP）就是以地热作为热泵装置的热源或热汇来对建筑进行采暖或制冷的技术，其应用在国外已非常广泛。

因为地热资源温度稳定、供热质量高，其中地热采暖所占的比例最大，地源热泵在空调制冷界日益受到广泛关注。

（4）大气层供冷（Skycooling）

包括晚问辐射供冷以及其他一些利用大气层辐射进行供冷的技术，后面将详细论述。

（5）蒸发冷却（Vaporcooling）

这是一种利用水与空气之问的热湿交换实现制冷的方式：

使水与空气直接接触，水在蒸发过程中吸收热量，并在焓值不变的情况下和空气进行热湿交换，其结果是水与空气的温度都降低，空气的含湿量增加。

直接利用这种含湿冷空气的方式称为直接蒸发冷却（DEC）；这种利用湿冷空气冷却水媒，再用水媒冷却空气的方式称为间接蒸发冷却（IEC）。

在干燥和比较干燥的地区，应用蒸发冷却技术完全可以满足室内舒适性要求；非干燥地区也能在一定范围内采用。

（6）通风冷却（Ventilationcooling）

这是一种利用空气对流带走热量的技术。

比如晚间通风技术利用天然的日较差现象，在夜间组织全面通风，对建筑物围护结构及室内设备进行充分冷却，利用建筑物的热容量使建筑物内部在全天维持较低气温。

晚间通风技术不仅具有被动式供冷的全部优点，而且因大量换气，有效地解决了室内环境问题，对于室内得热量较小（15~20W/m2）的建筑，可以基本满足人们的舒适性要求。

晚间通风与其他方法相结合构成复合式系统，则可以更广泛地用于商业及民用建筑中；将晚间通风与蒸发冷却技术例如屋顶蒸发冷却系统相结合，在晚间采用风机驱动，先使室外风经过间接蒸发冷却器进行预冷，还可降低送风温度，增加建筑物的蓄冷量，用于民宅有时完全可替代常规制冷；晚间通风与相变蓄冷技术相结合，利用相变潜热蓄积晚间通风所得冷量可承担建筑物日间的全部或部分冷负荷。

（7）蓄能制冷（Flywheelcooling）

许多天然物质白身具有一定的蓄冷、蓄热能力，若能合理利用，就可降低空调负荷，这方面的蓄冷技术包括建筑蓄冷、地下含水层蓄冷等。

建筑蓄冷以建筑物围护结构本身作为蓄冷体，利用建筑材料或室内物品的热容量蓄存或释放冷量，或者用储存在建筑物中某些物质发生相变时的潜热变化来蓄存或释放冷量。

最简单实用的方法是利用水作相变材料，例如美国有人利用水作相变材料，建造了水深约l0cm的屋顶水池，据称对峰值下的热环境有显著改善，巴基斯坦也修筑了体积4.25m×4.25m×3.lm的试验房，屋顶水池水深20cm，当室外环境温度为35℃~45℃时，室内可保持在21℃~31℃。

还有一种方法是用吸湿剂作建筑材料（最好是屋顶），利用吸湿放湿过程中吸湿剂浓度的变化达到制冷的目的。

此外，也可以利用特殊相变材料（PCM）进行蓄能。

地下含水层也是一种很好的蓄能介质，但如果使用含水层的层次和时间高度集中，地下水的天然水量来不及弥补，则有可能造成地面沉降，因此，近年来普遍采用深井回灌技术。

有数据表明：

上海地区的一些单位使用“冬灌夏用”回灌技术后，夏季空调用水的平均温度为13℃~14℃，降温约7℃~9℃。

这样不仅可提高夏季用水在空气处理时的降温效果，有时还可以起到使处理空气减湿的作用。

（8）太阳能供冷（Suncooling）

我国有2/3的国土每年太阳辐照总量接近或超过6000MJ/m2，丰富的太阳能资源在暖通空调领域的应用有广阔天地，将太阳能热利用产品和建筑节能设备合理组合，必将对节能和环保做出巨大贡献。

（9）文丘里供冷技术（Venturicooling）

文丘里供冷技术利用小孔节流后形成房间局部负压诱导室外冷空气流入房间并带走热量。

图1中的守形建筑就是利用这样的原理实现了空气的“自调节”。

图5-1可实现“自调节”的穹形建筑

（10）复合式供冷（Hybridcooling）

指以上各种被动式供冷与常规供冷相结合所形成的各种复合式供冷技术。

六、辐射供冷技术的应用

（1）建筑物的被动式降温

在建筑物的屋顶上覆盖由选择性辐射体和透明盖层组成的辐射制冷装置。

选择性辐射体与屋顶间留有一定空间，屋顶设置一些通气孔，中间的孔内装有排风扇。

因辐射制冷效应而冷却了的空气被风扇送入房间，屋内的热空气则顺其他通气孔到达屋顶，通过辐射体放热实现降温。

夜间的降温效果比较显著；白天辐射制冷元件可以起隔热作用。

这种形式可用于仓库、运动场馆及一些低层民用建筑，起降温节能作用。

（2）蓄冷降温

通常晚间辐射制冷效果较好，这时可将晚间制得的冷量以某种介质蓄存起来用于白天。

这种形式可用于办公室、学校等，也可用于一些白天既需要阳光、同时又需要降温的农作物温室。

（3）辐射制冷与太阳能集热器结合的系统

如图2所示的系统中，反射板具有类似理想光谱选择的特性。

太阳光的辐射光谱主要集中在小于41μm的范围内，白天反射聚光镜可将大部分太阳辐射反射聚焦到吸热管上，加热管内冷水生产热水或蒸汽供利用。

夜间，由于反射板对8~13μm波长的辐射有很强的发射率，因此有很好的辐射制冷效应，贴在反射板上冷水管内的水被冷却，蓄积的冷量用于降温。

图5-2辐射制冷与太阳能集热器结合的系统

（4）降温型涂料

利用辐射制冷原理制成降温型涂料，用于建筑物外墙，可降低室内温度，减少空调能耗。

同样，可制成舰船船壳、甲板的涂料，以及坦克、装甲车、汽车、火车等的外壳油漆，在烈日下可降温以减轻其烘烤感觉。

七、新技术、新材料在中德被动式低耗建筑示范工程中的应用

——河北省建筑科技研发中心

此工程为我国首个被动式公共建筑，按照国家三星级绿色建筑和德国被动式低能耗建筑标准进行设计。

（1）保温技术

采用聚苯板加防火隔离带处理，使外墙传热系数小于0.15W/（m2.k）；士0.000以下室外外墙保温采用防水保温技术，避免热桥产生，选用泡沫玻璃保温层。

屋顶采用挤塑聚苯板，使屋顶传热系数小于0.15W/（m2.k）。

（2）节能门窗技术

外窗及外门采用传热系数小于1.0W/（m2.k）的被动门窗，窗户玻璃采用I,ow-E玻璃中空加真空3层（Low-E6mm+12A+5mm+0.15V+5mm），窗框采用多腔塑钢或铝木复合技术框料。

外遮阳采用可调卷帘，夏天把热量挡在室外，冬天利用窗户得热。

个别公共房间依据太阳光照强度，自动控制外遮阳下落高度。

（3）节电技术

空调主机采用变频技术，空调冷冻水系统，末端变流量智能控制技术，有效节约运行电能。

公共活动房间采用智能照明控制技术，采用遥控多情景模式调节方式。

电梯制动能量回馈技术，产生的能量直接回馈电网，节约电能。

红外感应照明控制技术，根据人流控制灯具启闭，减少了声光控开关启动时的噪声，增加了控制准确性。

地下室光导照明技术，白天利用自然光供地下室照明。

（4）节水技术

选用节水洁具，例如感应自闭龙头、小升数冲厕水箱等。

绿化采用微管滴灌技术，高效利用水源，节约用水。

建筑物内冲厕用水采用中水系统，场区内绿化灌溉用水采用雨水系统。

给水管道，采用涂塑钢管，有效避免管网漏水。

室外地面采用渗水蓄水地面，有效减少地表径流。

（5）光热转换和光伏发电技术

太阳能热水系统，光热光电一体化，太阳能热交换器置于屋顶。

另外，屋顶放置太阳能光伏板，房间装饰玻璃贴光伏发电膜，构成太阳能光伏发电系统。

（6）地源热泵

地源热泵机组利用地球地层作冷热源，夏季蓄热、冬季蓄冷，属可再生能源。

地层温度稳定，夏季地温比大气温度低，冬季地温比大气温度高，供冷供热成本低，供热时优势更明显；系统与地层之间只有能量交换，没有质量交换，对环境没有污染，系统寿命长。

（7）新风预冷（热）技术

新风系统采用地能预温，夏天可使空气温度降低，冬天能使空气温度升高。

新风系统高效热回收，热回收效率75%以上；新风系统末端变风量，分层分区控制，节约运行电能。

（8）吊顶辐射供冷技术

吊顶辐射供冷技术是指降低围护结构内表面中一个或多个表面的温度，形成冷辐射面，依靠辐射面与人体、家具及围护结构其余表面的辐射热交换进行降温的技术方法。

通常与新风系统匹配，能够提高人体的热舒适性，并且具有较明显的节能效果，与传统空调相比，可节能30%~60%。

（9）自动监测控制技术

能耗监测总机置于总监控室，设置能耗显示终端屏，各系统实时能耗及累计能耗情况一口了然；它和水量实时监测系统共用一个平台。

水量实时监测系统，利用水质测定仪来实现水量、水质实时在线监测，对控水、节水有较好的效果。

建筑物每个房间的逐时能耗模拟分析技术，保证能耗满足被动式低能耗建筑标准要求。

（10）通风技术

建筑物合理利用自然通风，过渡季节或休息日，自动打开采光井侧面天窗，热气流上行，建筑物内形成自然通风效应，降低能耗。

人员不固定的公用活动区域，利用空气品质检测反馈信息，控制新风风量。

风环境模拟分析技术，保证建筑物过渡季节的自然通风。

（11）减少热桥技术

进出建筑物的管道，采用无热桥处理技术，避免了在建筑物内的结露霉污现象。

利用室外现有的池水代替屋顶冷却塔，减少屋顶荷载和屋顶热桥。