同济大学 李峥嵘 张东凯 蒿玉辉
摘 要：被动式超低能耗建筑已经成为了建筑节能研究的重点方向。本文从舒适性指标、关键技术指标以及节能技术的应用三个方面对既有超低能耗建筑进行资料收集和分析，并与德国被动房性能进行了对比分析，分析结果表面：夏热冬冷地区超低能耗建筑采用的主动式技术以高效照明、通风热回收和空气源热泵为主，被动式技术应用主要有自然采光、自然通风、建筑遮阳和绿色植被，可再生能源以太阳能或太阳能与土壤源热泵联合的应用形式为主；现阶段宜仅针对建筑空调、通风与供暖能耗进行研究和规定。为未来夏热冬冷地区超低能耗建筑体系的建立提供了参考。
关键词：夏热冬冷地区；被动式超低能耗建筑；技术指标；节能技术
基金项目：“十三五”国家重点研发计划项目（项目编号：2017YFC0702600）。
1 引言
近年来，随着工业和科技的不断发展进步，社会总能耗也在不断增加，在欧洲，建筑的能源消耗占整个一次能源消耗的40%左右[1]，其中，85%的能源消耗用于供暖、照明以及生活热水，而大部分能源的消耗的减少实际上可以通过提高建筑的保温隔热以及采用更节能的供热制冷系统实现，因此低能耗高舒适度的高性能建筑成为研究的热点。目前许多发达国家及一些发展中国家在积极制定适应于本国气候特点的超低能耗建筑的技术措施和发展目标。
中国幅员辽阔，各地区间的气候差异很大，经济文化发展水平不平衡，人们生活习惯、舒适性需求也不同，不同地域被动式超低能耗建筑关键技术的侧重也有差异，因此不同气候区超低能耗建筑的技术特点也不同[2]，本文针对夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑技术特点，总结其相应技术路线，为未来夏热冬冷地区更多超低能耗建筑的设计提供参考。
2 国外节能建筑体系的发展
被动式超低能耗建筑理念核心是降低建筑对于能源的依赖，尽可能减少外界向建筑提供能量，通过建筑自身设计特点，充分利用可再生能源或建筑本身产出的能满足建筑的能源消耗需求。以德国、瑞典、芬兰及美国为代表的发达国家走在世界的前列，四国分别制定了建筑年终端能耗的限值[3]，其包括供暖、热水及照明的能耗，德国年终端能耗限值为不超过120kW·h/(m2·a)，且一次供暖能耗限值为不超过15 kW·h/(m2·a) [4]，瑞典终端能耗限值为不超过为42kW·h/(m2·a)、芬兰终端能耗限值为不超过为50kW·h/(m2·a)[5]、美国终端能耗限值为不超过为35kW·h/(m2·a) [6] 。
德国被动房必须满足的控制性指标见表1。
表1 德国被动房控制性能指标
丹麦企业提出的主动房概念[7]，强调可再生能源与建筑的结合应用，在保证室内舒适的前提下，实现与周围环境之间的协调，利用建筑周围环境使得建筑能够自主生产能源，实现建筑能源自给自足的目标。瑞典参照德国被动房技术体系提出了迷你能源标准[8]，并对不同类型建筑的供暖能量需求做了详细的规定。芬兰工程师协会会议制定并通过了《低能耗建筑标准和被动房标准》。并根据本国气候环境特点，对德国被动式超低能耗建筑体系进行了改进，根据单位面积年耗能量，将被动式超低能耗建筑划分为三个等级，对应不同的终端能耗限值。英国建筑科学研究院制定的《可持续家庭评价标准》，提出了零碳居住建筑的概念，要求在考虑围护结构、房间气密性和建筑设计等综合因素条件下，热损失系数不超过0.8W/(m2K)。被动式超低能耗建筑作为一种新型节能型建筑，是节能建筑发展的趋势，欧美发达国家针对本国国情，相应制定并开始实施被动式超低能耗建筑技术体系。
3 夏热冬冷地区超低能耗建筑发展概况
国内开展被动式超低能耗建筑的研究相比较欧美发达国家较晚，在新型城镇化建设过程中呈现出的高能耗、能源资源问题以及环境等问题，促使建筑向更加低耗能化的方向发展，我国2009年开始引入并推动被动式超低能耗建筑项目，探讨研究适合中国的被动式超低能耗建筑技术体系[9]。
我国夏热冬冷地区夏季湿热、冬季寒冷的气候特点决定了该区域节能型建筑既要保证夏季的隔热，同时要考虑冬季的保温，以夏季制冷为主，兼顾冬季的供暖，有较大的除湿需求，过渡季节有开窗通风的习惯。部分省市已经针对本地区的经济发展情况和气候环境，制定相应的标准，如江苏省出台的《江苏省民用建筑热环境节能设计标准》中已经将住宅建筑分为主动式和被动式两大类，分别进行了建筑设计标准的规定。住建部科技发展促进中心基于我国现状初步提出以寒冷地区和夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑技术为参照标准。夏热冬冷地区超低能耗建筑目前大多数是示范类项目。从最早的“汉堡之家”被动房、布鲁克被动房等到目前在建的一批项目，被动式超低能耗建筑在夏热冬冷地区的从研究到示范项目，再到工程应用已经具备了一定的基础。提炼适合于本区域的被动式超低能耗建筑体系，对于被动式超低能耗建筑在夏热冬冷地区的推广应用具有重要的现实意义。
4 夏热冬冷地区超低能耗建筑技术特点
本文主要从舒适性、关键技术的应用以及所采用的节能技术等方面分析夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑的技术体系的特点。
4.1 舒适性指标
节能型建筑设计的前提是能够营造健康舒适的室内环境，健康舒适的室内环境主要由室内空气质量、温湿度水平、隔音及照明等构成。被动式超低能耗建筑很好地将室内环境控制与能源消耗控制结合在一起，相互协调，达到均衡稳定的水平。
由于夏热冬冷地区气候潮湿，为维持室内健康舒适的环境，常采用通风措施来实现，但是被动式超低能耗建筑的一项重要指标是房间换气次数不超过0.6次/h，这一限制决定了建筑很难通过渗透风来解决建筑的通风问题，因此在只能利用通风设备向建筑内送入新风或回风的方式满足建筑对于通风的需求。表2中列举了超低能耗建筑实例中采用的几种通风方案。表2中的案例所采用的新风方案，兼顾了新风量的保证和新风的预处理，尽可能将新风系统与热回收技术或可再生能源技术融合在一起，满足新风量需求，同时降低新风能耗。新风或室内回风经过热湿处理，以控制室内温湿度，冬季维持室内温度不低于20℃，夏季室内温度不超过26℃，相对湿度不超过60%。在不适宜开窗通风的季节或室外环境较差时，采用高效低耗能系统，既保证了室内新风量的卫生标准要求，提供健康新鲜空气，又控制了室内温湿度的相对稳定，维持室内良好的空气环境。在被动式超低能耗建筑中，室内通常会设有温湿度及污染物传感器，并与新风系统联动，当回风中污染物浓度过高时，系统自动提升新风量，以减低污染物浓度。在过渡季节或满足条件的地区，夏季夜间充分利用自然通风，对建筑进行降温或换气，改善室内空气质量，在自然通风不能满足要求的时段，利用新风系统进行有效补充。
表2 超低能耗建筑通风方案比较
隔声降噪也是被动式超低能耗建筑舒适性设计中的一项重要内容，在建筑的隔声方面，通常需要对建筑内隔墙、吊顶、内门、楼梯等构件进行隔声处理，内墙和内门通过采用隔声材料制作，建筑楼梯采用减震构件，减少人行产生的震动。
4.2 关键技术指标
被动式超低能耗建筑的重要特点是低能耗，围护结构的性能对建筑冷热负荷的影响尤为显著，同时气密性状况是建筑内外环境相互影响的关键。
4.2.1 围护结构指标
围护结构控制指标主要考虑屋面、外墙、外门窗的传热系数，以及建筑的气密性。下表是夏热冬冷地区几栋典型被动式超低能耗建筑的围护结构技术指标设计值与德国被动房围护结构技术指标的对比。
图1 围护结构技术指标对比
从上表可以看出，夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑的围护结构技术指标设计值并不完全满足德国被动房的要求，除了气密性要求均达标以外，屋面、外墙和外门窗均有不同程度高于被动房标准值现象，德国以寒冷气候为主，冬季供暖需求大，必须要保证建筑围护结构的保温性能，以降低建筑热负荷，同时兼顾夏季的隔热，而我国夏热冬冷地区夏季空调需求大，必须保证围护结构隔热性能，以降低建筑的冷负荷，同时兼顾冬季的保温。因此，虽然夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑围护结构传热系数大于德国被动房标准，但是也足够满足需求。
4.2.2 能耗指标
能耗指标直接反映了建筑的耗能水平，可以定量判断建筑的节能特点，同时也是被动式超低能耗建筑进行认证标识的重要参考。下表是夏热冬冷地区几栋典型被动式超低能耗建筑的能耗指标与德国被动房能耗指标限值的对比。
图2 能耗指标对比
从图2可以看出，夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑的能耗指标限值除了供冷指标外，基本都满足德国被动房能耗指标的限值标准，其中供热指标远低于德国被动房标准，而供冷指标相反超过德国被动房指标的限值，这是由于我国夏热冬冷地区夏季与德国相比潮湿炎热，且空调期长，有较大的供冷需求，导致建筑的供冷负荷较大，而冬季气候相对于德国较为暖和，冬季极端寒冷天气比较少，供暖需求较小，供暖期也较短，故建筑的供暖负荷较小，但是一次能源消耗总量（指建筑内供暖、制冷、通风、照明和生活热水用能乘以一次能源转换系数）相比于德国被动房的限值要低得多，目前我国居住建筑年单位面积一次能源消耗量约为118kW·h/(m2a)，实际上已经低于德国被动房120kW·h/(m2a)标准，虽然这与当地气候特点、居民生活习惯、以及电器性能指标的差异性有关，但是可以反映两国建筑的一次能源消耗水平，而超低能耗建筑相比普通建筑的一次能源消耗更低，因此一次能源消耗总量要远低于德国被动房的标准，这与我国的国情和能源特征有关。
4.3 节能技术应用
被动式超低能耗建筑实现超低能耗的途径的关键在于节能技术的应用。本文主要从主动式技术、被动式技术以及可再生能源利用三个方面分析夏热冬冷地区被动式超低能耗节能技术的使用特点。
4.3.1 主动式技术
不同地区超低能耗建筑中主动式技术的应用存在很大差异。表3列举了夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑中主动式节能技术的应用情况。
表3 主动式技术应用情况
从表3中可以看出，夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑主要采用的主动式节能技术包括高效照明、机械通风热回收和空气源热泵，而置换通风、辐射供热、供冷等主动式技术的使用较少。主动式技术的应用特点可以反映夏热冬冷地区的气候特点及居民的生活习惯特征，夏热冬冷地区的梅雨季、冬季阴雨天较多，白天自然光难以满足室内采光要求，需要照明设备的辅助，夏季遮阳的使用同样会影响室内采光，照明使用需求较大，因此高效照明设备的使用减少电能的消耗。夏热冬冷地区通风需求大，采用高效带热回收的新风系统可以为室内提供新鲜空气，防止发霉及污染物的积累，调节室内温湿度稳定，同时可以有效降低通风系统能耗。由于围护结构良好的保温隔热性能及密封性能，冬夏季建筑的供暖供冷负荷都较小，调研测试结果表明，冬季室内温度甚至能达到17℃以上，基本满足热舒适要求，或者只需要少量的供暖量便能满足室内舒适性要求，而供冷需求较大，高效的末端形式可以利用高温冷源维持室内舒适性。空气源热泵作为冷热源的补充，在夏热冬冷地区能效能达到2.5以上，且在夏季制冷时，可同时将产生的热用于制备生活热水，是冷热源较为理想的补充。
4.3.2 被动式技术
被动式技术利用建筑空间布局设计、建筑结构的构造特点，充分有效利用自然界能量，达到节能的目的[10]。表4列举了夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑中被动式节能技术的应用情况。
表4 被动式技术应用情况
从表4可以看出，被动式技术的应用具有较为一致的表现，对于自然采光、自然通风、遮阳、被动式得热以及绿色植被的应用较为普遍，光导技术、地道风及蓄热等技术也多有涉及。夏热冬冷地区气候潮湿，尤其是在梅雨季节，自然通风可以防止室内霉菌滋生，改善室内空气质量，此外在过渡季节以及部分地区夏季夜间，自然通风又能对建筑进行室内温度的天然调节，减少人工设备的使用频率，降低建筑能耗，也符合这一地区居民通风的生活习惯。
建筑外遮阳设施对于降低夏季空调能耗具有重要的贡献，冬季利用太阳得热则有利于降低室内采暖负荷，冬季希望尽可能减少建筑的遮阳，采用新型遮阳设施和技术，满足夏季建筑的遮阳的同时，保证冬季建筑的太阳辐射得热是夏热冬冷地区遮阳技术发展的方向，目前超低能耗建筑上已经大量应用遮阳新技术新措施，如活动遮阳构件、精确遮阳构件的设计以及建筑外墙的遮阳等。
建筑周围及表面种植绿色植被具有美化建筑整体的外观效果，净化建筑周围的微气候环境，同时对建筑的保温隔热作用也有显著的效果，此外，考虑建筑的布局，挑选合适品种规格的绿色植被可以兼顾遮阳的作用。因此，建筑内外的绿色植被的布置，与夏热冬冷地区夏季隔热兼顾冬季保温的围护结构要求契合相融，起到有效地的辅助作用。
被动式超低能耗建筑中被动式技术应用的关键在于技术与建筑的合理匹配，选择合理的建筑体形系数、建筑朝向、遮阳技术、自然通风、自然采光、高性能围护结构、绿色植被等，不同地区的建筑根据气候、地形以及当地及居民生活习惯选择适宜的技术路线可以充分发挥低能耗建筑的优势。
4.3.3 可再生能源利用
可再生能源已经成为能源多样化重要途径，超低能耗建筑节能的主要包括两个方面，一是减少一次能源消耗，二是拓展能源的来源，可再生能源正是建筑能源来源的有效途径，将太阳能、风能、地热、生物质能等可再生能源高效应用于建筑，作为建筑的主要能源或一次能源的重要补充是被动式超低能耗建筑实现节能环保运行的有益保证。
在被动式超低能耗建筑中，可再生能源的利用是优化建筑能源供应方案的有效替代选择[11]。 夏热冬冷地区太阳能资源属于Ⅳ类地区[12]，太阳能的利用主要有太阳能热水系统、太阳能光伏发电和太阳光导照明。超低能耗建筑冬季室内供暖热负荷较小，高效供暖末端装置可以利用40~60℃的低温热水进行供暖[13]，保证了建筑在冬季可以利用有限的太阳能资源满足建筑的供暖需求。此外，将太阳能与土壤源热泵联合、太阳能与空气源热泵联合等方式可以解决太阳能保证率低的问题。太阳能光伏发电与建筑相融合的光伏建筑一体化，为建筑进行电力补充，减少对一次能源的依赖，但是光伏发电的突出问题是其成本与效率收益的平衡，体量越大效率越高，成本收益越快，目前超低能耗建筑体量较小，对于单体式超低能耗建筑，采用太阳能光伏发电技术并不适宜。
可再生能源的能够大大降低了建筑的耗能水平，同时也要考虑其应用效果与效益，地域条件的限制以及技术的合理应用是可再生能源发挥节能优势的关键所在，使得可再生能源与建筑用能在时间和空间上实现平衡，夏热冬冷地区的地域与气候特点更适合采用多种技术的联合应用，如太阳能与土壤源热泵技术的联合使用。
5 总结
本文针对夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑的技术特点进行了分析，分别从舒适性指标、关键技术指标、节能技术的应用等三个方面，结合该地区现有被动式超低能耗建筑案例，总结了夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑的技术特点，得出如下结论：
（1）被动式超低能耗建筑在欧美发达国家已经较为成熟，基于我国国情和地域气候特点，建立适合我国发展需要的技术体系是节能工作的重点。
（2）夏热冬冷地区围护结构要求夏季隔热为主，兼顾冬季保温，目前该类建筑主要使用的主动式技术主要有采用高效照明、通风热回收技术、以及空气源热泵；采用的被动式技术主要有自然采光、自然通风、建筑遮阳和绿色植被；可再生能源的应用适宜采用太阳能或者太阳能与土壤源热泵联合的方式。
（3）由于国情现状，我国夏热冬冷地区超低能耗居住建筑的一次能源消耗量已经低于德国被动房标准限值，因此，对于超低能耗的能耗限制，因根据不同发展阶段进行调整。现阶段，宜仅针对建筑空调、通风与供暖能耗进行研究和规定。
参考文献
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[13] 太阳能供热采暖工程技术规范:GB 50495–2009[S]. 中国建筑工业出版社. 2009.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年4月刊总第20期。
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