杨军
中卓国际建筑设计有限公司 071051
摘要：所谓被动房即被动式超低能耗建筑的简称，是建筑工程与节能降耗等各类技术产品的集大成者，该类建筑物在大幅提高气密性、隔热性和舒适度的同时，还能有效缩减自身对外部的主动性能源诉求与获取，是一种高度节能且居住体验感极佳的新型建筑。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对基于能量平衡计算的被动房优化设计方法提出了一些建议，仅供参考。
关键词：能量平衡计算;被动房;优化设计;方法
引言
清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展研究报告2020》指出：2018年，我国建筑面积总量约达601亿平方米，建筑运行的总商品能耗为10亿tce，约占全国能源消费总量的22%。由此可见，提高能源使用效率、进行建筑节能对实现经济社会的可持续健康发展，保障我国的能源独立性，具有重要意义。被动式建筑能够有效降低建筑能耗，营造一个人与自然、房屋三者和谐共处的建筑环境。而随着被动式建筑设计理念与技术的不断成熟，其为实现建筑的节能降耗提供了切实有效的解决方案，为建筑行业的健康发展带来了积极的促进作用。
1被动式建筑的发展情况
德国在20世纪80年代提出了“被动房”的概念，1991年在德国的达姆施塔特，建成了第一座“被动房”。按照德国的“被动房”标准，建筑每年的采暖能耗不超过15kW?h/m2，建筑每年总能耗（采暖、空调、生活热水、照明、家电等）不超过120kW?h/m2。我国在21世纪初与德国能源署合作，采用德国“被动房”技术建设了多个节能示范工程。河北省与德国的气候特点相似，近年来在德国“被动房”技术的基础上，结合该地的气候和建筑特点，探索实施了河北省的“被动式超低能耗建筑”设计标准，建设被动式超低能耗建筑超过300万m2。随着经济的快速发展，人们对住宅的要求已经从对数量和规模的追求转向对居住质量和美好生活的追求，打造低碳社会，实现绿色崛起，不断提升广大民众的住房品质已经成为发展目标。
2能量平衡计算原则
德国被动房能耗计算软件PHPP的计算方法是基于ENISO13790的月度计算法。以月为计算单位，建立建筑的热平衡方程。然后利用该方程求取建筑的全年冷热需求。其求解过程将建筑内部视作为一个统一的整体，并认为建筑内部各房间温度分布均匀。根据能量平衡的原则，要保持建筑物内部温度恒定，建筑物损失的热量应与其获得的热量相等。一般来讲，造成建筑物热量损失的原因主要有两个方面，一方面是由于室内外温差，热流通过建筑围护结构而造成的传递热损失;另一方面是由于建筑室内外的空气交换而造成的通风热损失。室内热量的获得则主要有三个途径，第一通过外围护结构(主要是外窗)获得太阳能热;第二通过居民活动和室内电器设备的使用获得的热量，即内部得热;第三主动供暖提供的热量。太阳能得热和内部得热之和称为自由热。
3基于能量平衡计算的被动房优化设计
3.1建筑规划布局
（1）建筑平面布局，建筑平面布局是指从宏观的角度出发，综合考虑风向、日照辐射、障碍物遮挡等外部因素对建筑物的影响，通过合理的平面布局，让建筑物产生节能经济的效果。建筑平面布局形式包括并列式、错列式、斜列式、周边式、自由式几种。（2）建筑朝向，建筑朝向对建筑物的影响主要来源于日照与风向的不同。不同建筑迎风面的压力最大值出现在风向的垂直面上,且我国绝大多数地区夏季的主导风向为南向或东偏南方向。故建筑主立面（长边）尽量选择垂直于夏季主导风向，此时，自然通风效果较好，也避免了东西向日晒。冬季时，建筑南向太阳辐射量最大，选择建筑朝向为南向，还可降低冬季采暖能耗。
（3）建筑间距，需合理的设置建筑间距。当建筑群之间的间距过小时，在建筑的背风面和建筑物的下迎风面会出现局部区域风压过小的情况，极端情况下可产生涡旋，不利于自然通风。且建筑物之间密集的相互遮挡，会使日照得热量减少，不利于室内光环境和热环境；建筑间距过小时，还会对火灾防控产生不利影响。
3.2被动式外门窗
河北省工程建设标准《居住建筑节能设计标准》（节能75%）中对窗墙比明确规定，且以南向窗墙比为例，窗墙比高达0.5，因此窗户的气密性好坏将对整栋被动房建筑存在重大影响，因此被动房位于外围护内的外门、外窗除要满足被动房要求U值≤0.8w/(㎡.k)外，还需满足气密性要求。住房和城乡建设部2015年10月颁布的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》规定：“外门窗应有良好的气密、水密及抗风压性能，其气密性等级不应低于8级”相比传统建筑，被动房门窗均采用外挂式安装。与此同时，门窗框与墙体连接部位要采用防水隔汽膜（内侧）和防水透气膜（外侧）的措施，避免框体与墙体之间缝隙出现漏气或漏水的风险。
3.3保温构造
被动式超低能耗建筑外围护结构的保温性能相比普通建筑提高了3倍以上，外墙传热系数不大于0.15W/（m2?K），若采用石墨聚苯板，保温层厚度将达到250mm，为了减少保温材料拼缝处热桥的影响，应采用双层错缝铺贴法。为了保证保温层的安全和耐久性，保温材料需要增加水平托架，将保温材料的重量传递到结构体系上。被动式超低能耗建筑方案设计应充分考虑保温厚度和外饰面材料对建筑平面和立面的影响。在空间较小的楼梯间和户间隔墙多采用真空绝热板保温层，但因梯段的影响和真空绝热板的尺寸限制，覆盖率往往不足90%，形成大量热桥，对平均传热系数影响较大。同时考虑到长期使用的影响，真空绝热板容易被破坏，造成保温效果衰减，建议室内尽量采用浆料类的保温材料。
3.4自然通风
良好的自然通风系统可以显著提高室内空气品质，降低建筑通风系统能耗。在被动式建筑中，常采用的通风方式包括：穿堂风、单侧通风和中庭通风。从原理上来说可分为：风压通风和热压通风。风压通风，即建筑迎风面对气流的阻挡导致迎风面静压升高，而背风面静压下降，当人打开窗户，由于建筑两侧存在风压差，导致气流从正压区流入建筑物，从负压区流出建筑物，形成穿堂风或单侧通风。利用自然通风原理，在进行建筑规划时可将建筑主要功能间设在正压区，而设备间、卫生间等空气质量要求不太高的房间设在负压区，让室外新鲜空气从正压区流入建筑，从负压区流出，最大限度地改善室内空气品质。热压通风又称烟囱效应，当室外空气进入室内被加热后，其密度减小，向建筑物上方流动，经过顶部出风口排到室外，空气密度较低的底部区域卷袭室外新鲜空气进入室内，如此往复循环。热压通风通常应用在建筑进深较大或气流组织流动较差的场合。中庭通风，即是典型的热压通风实例，通过在建筑物内部设置竖井空间或烟囱空间，可有效促进室内空气快速流动，改善室内空气品质。
结束语
被动式超低能耗住宅更多强调的是一种设计理念，以更少的能源消耗提供舒适的室内居住环境，而不仅仅是技术的堆砌。在实践中应结合当地的气候特征和生活方式，设计更加适合人们使用的被动式超低能耗住宅。
参考文献
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