开启未来的被动房

被动房越来越流行,特别是在北欧地区,同时在美国、加拿大、日本和意大利也很受欢迎。

The passive buildings are now widely diffused, especially in northern European nations, but also in Canada, United States, Japan and Italy.

文:吉里奥·戈拉博蒂

by Giulio Garaboldi

图1:昂德西尔屋是英国一栋使用被动能的建筑,新建的部分建立在原有的旧址之上

最初设计被动房的想法简单基本:任何一间房子都可以独立地从建筑的功能结构里获得能量。对于房子而言,所谓的被动是通过再加热或再制冷对交换过空气进行处理,从而获得舒适的温度(依据标准:EN ISO 7730),此外还可以获得较高质量的室内空气。

实际上,被动房的运行只需要很少的、由建筑物里面安装的优质高效的设备提供的能量。从第一次获得关于被动房的经验到今天,这种低能耗建筑技术一直遵循着严格的方法向前发展。在这个进程中,更注重的是发展技术和对能耗的控制。与越来越普及的可再生能源相比,这一技术走的是一条独立发展之路。在未来的十年内,该技术将通过它的“零能耗”建筑为节能事业作出贡献。

2:丹麦建筑师 Eth-Maa 奥拉弗·朗杰凯普的家,这也是丹麦第一个获得认证的被动房 

从理论到规范 

1988年瑞典隆德大学的波·阿达姆森教授(Bo Adamson)和德国达姆斯塔特房屋与环境研究所的沃尔夫冈·费斯特(Wolfgang Feist)提出了“被动房”的概念。此后,在德国阿西亚地区的资助下,又经过一系列的研究和设计,进一步发展了这一概念。1991年在德国达姆施塔特(Darmstadt-Kranichstein)建成了世界上第一个被动房:这座三层高的建筑共分四个单元,整个房子的平均能耗,如果以20年计算,每年可以不间断地生产出10kWh/m2的能量。这种建筑被称为“经济型被动房”,因为它对能量的需求很少,这种有限的需求使房屋的最低能耗要比采取进一步的节能措施的还省钱。

1996年 W.费斯特(W. Feist)建立了被动房研究所,时任所长。被动房研究所是一家独立的私立研究机构,该机构设在达姆斯塔特。他们主要在能源效率、向大气中的减排污染物和在房屋中使用新型能源等方面进行推广和提供指导。研究所的工作范围很广:从技术推广和组织培训方面的活动到为设计师提供咨询,从与建材和设备厂商的合作到工具和软件方面的开发,从对个性化设计的探讨到发放认证书,甚至还包括依据能源状况,在基础和应用等方面进行研究等。

3:“能量块”大楼是2002年在德国 UIM 建成的一座办公楼,目前它是世界最大的被动建筑 

90年代末,在实施“兆卡计划”的大背景下,被动房研究所参与到欧盟的 Cepheus 项目(欧标经济型被动房计划)中来,他们在五个国家(奥地利、法国、德国、瑞士和瑞典)建造了220个被动房。执行这个项目的目的是想对不同环境下被动房的参数进行评估,因为这些房子采用了不同的设计和建造技术,但都是想通过节约能源消耗,使超高费用的造价得以获得补偿。

2000年汉诺威的国际展反映出人们对被动房的兴趣在不断增长,展会还展示了 Cepheus 项目获得的成就。这些对于立法机构、地方还有国家各个机构的发展都产生了深远的影响。在支持可持续性发展的房屋建造领域做出最快反应是奥地利的福拉尔贝格州,自2007年起,当地政府强制要求一切在建房屋都必须是被动房。到2015年,这项要求将扩大到整个奥地利。在瑞士,按非强制性节能标准建造房屋的开发商和个人一直以来都得到了政府、法律、信贷以及经济政策等部门的大力支持。在意大利,自2002年起博尔扎诺(Bolzano)自治省开始执行“空调房/冷暖房”标准,这个标准由当地研究所制定。2006又成立了空调房公司,现在这家公司的公共财政收入业绩非常突出。

4:位于科尼茨(Gebartstrasse)的一栋住宅,Canton BernardoHalle 58设计)从西南方向看去,楼房墙面全部透明。该建筑获得了低能耗 P-Eco 认证

被动房:要求与特点

被动房对性能的基本要求是能长时间地保持室内较高的舒适度(Ashrae 协会,美国采暖、制冷与空调工程师协会的 A 级标准,就是说不合要求的部分不得超过6%),并且前提是不使用冷热交换设备。关于其它方面的更高的标准,首先要考虑满足以下要求:

  • 需要的热量(用于取暖和制冷)不要超过15kWh/m2a;
  • 热载(冬季和夏季)不超过10kW/m2
  • 墙表内的空气存量(通过符合 UNI EN 13829标准的非密封式连接头换气)最大量:n50 = 0.6vol/h;
  • 对初级能源的需求量(用于热量调节,给水加热和用电),最大量1205kWh/m2a,前提是这部分能量是由非可再生能源提供。

如果说经济上达标的话(或者说,被动房能省钱的话),以三十年计,包括一些可能会发生浮动的费用在内(方案设计、工程建造、设备的购置和安装,以及对全部建造过程的管理等等),是指这些费用不会超过那些不具备被动特性的,但基本情况类似的新建筑。

为了能达到上述要求,被动房在建筑技术方面应符合一些要求。在难以实现某些特性的情况下,允许使用那些以再生能源为动力的系统。通常,为了最大限度地获得被动的太阳能,建筑物的正面应该选择朝南,同时要注意周围的物体是否会产生遮挡建筑物的阴影(山、附近的建筑和树等等)。紧凑的结构有利于减少建筑物朝外铺张开来的暴露的部分。除了屋顶形状以外,表面积/体积的比例关系是一个单独的问题。一般而言,二者的比例应保持在0.33之内。

整个不透明外墙材料的平均U值不能超过0.15 W/m2°K,这个数值可能会随具体位置不同有所区别,大概情况是:0.13 W/m2°K(屋顶);0.15 W/m2°K(墙壁、顶棚内侧和不取暖的夹层);0.17 W/m2°K(阴面的水泥板);0.20 W/m2°K(接触地面的材料层);透明材料的热效率不应超过0.80 W/m2°K(是不透明材料和双层玻璃的组合体),同时吸热系数还要保持在50%左右。

此外,还直接对使用水的系统设备进行设计和处理:

  • 在地下使用特殊的管道,入口处的空气可以先被预热,然后通过内部管道的外表层实现热交换,冬季的管道温度不低于5°C;
  • 回收空气中热量的装置,其热效率不得低于80%;
  • 给水加热需要使用可再生能源;
  • 家电和照明设备应为节能型产品;

可能还需要强调一下,上述这些特性,主要适用于在欧洲范围内建造的被动房,而且主要是那些集中在温暖湿润,夏季比较温和的地方。包括阿尔卑斯山山脉前方区域和亚平宁山脉的中部与东部地区。因此,在其它地方建造被动房时,应当避免盲目地追求一致,首先需要考虑当地的气候条件。比如,结构紧凑这个特点,它只适用于那些夏季炎热的地区,例如意大利波河平原和亚得里亚海西海岸的大部分地区。还有,在典型的地中海区域(如意大利第勒尼安海、南部和西西里岛等地区),一定要灵活掌握,比如:那里的房屋朝向不必向南,建筑物外层遮光的部分,面积要更大,还有的地方,室内应需要更保温。

5这座被动建筑(设计者 Karawitz 建筑设计室)在 Bessancourt,紧挨巴黎,其特点是使用木制的遮光屏保护玻璃材料的外墙

一般而言,有一点是可以肯定的,建造被动房需要因地制宜。为了通过这些技术使设备的能耗趋近于零,需要满足以下条件:

  • 利用环境提供的原始能量,也就是利用那些来自太阳、空气、水和大地的能量;
  • 各个部件要能够保证设备在寿命期内性能持续稳定;

例如,使用特殊的密封气体并非是一个长期有效的方案。因为所利用的双层玻璃并不是一个可靠的选择。

从私人建筑到公共项目

首批被动房出现在二十世纪末和2000年初,出资人全部都是私人客户。建造地点集中在德国的新弗里堡、威斯巴登、汉诺威、克隆斯堡和斯图加特等地。在同一时期的2002年,德国境外贝加莫的奇纽罗岛建造了四栋被动房。整个建筑由布兰多里尼-瓦达梅里建筑师联合工作室设计,项目的客户方是瓦诺奇尼房屋开发公司:该建筑为钢结构,地下部分为钢筋混凝土材料,多层材料填充的墙体由干式建筑法打造,因此每部分墙各不相同,还可以分别添加绝热外层(15 kWh/m2a)。建筑所用的空调(设计者为工程师:M.西维外斯特)包括两台气-水式热泵(吸热能力可达9,000 kWh/a),由太阳能设备和电网供电,同时还可以利用回收热量的风扇通风和给水加热。

从这十年的经验来看,大部分获益的都是私人房屋,当然也包括一些公共建筑。比如最近刚刚在奥地利因斯布鲁克建成的居民楼,三座建筑中的两个属于 Lodenareal 项目(由“Din A4”和“K2”建筑设计团队共同负责设计),并且该楼是真正意义上的多层被动式建筑(15 kWh/m2a),大楼被绿色植物环绕,里面共有350个单元,表面积达35,000m2。唯一的空调系统由1,024m2的太阳能电池板构成的电力设备供电,系统还包括一个功率可达300kW 的使用粒料材料的锅炉和一台功率为326kW 的以天然气为燃料的冷凝式热水器。

但让被动房开始流行的真正转折点是2002年在德国 UIM 建成并投入使用的“能量块(Energon)”大楼,它是世界上第一座被动大楼。这个有趣的呈三角形的建筑可供420人在内办公,楼内还带一个宽敞的中央内院,整个院子被透明材料的顶棚所覆盖。大楼的钢筋水泥结构外覆木材预制板,预制板上再覆盖绝热层和金属材料。楼内的空调系统包括44个和热泵相连的地热探头,设备所需的电力由安装在楼顶上的太阳能电池板提供,然后由低温辐射的暖源向室内供热。冬季所需的热能,有一部分是从中央空调制冷机组和厨房回收来的余热,还有一部分则来自远程供暖管网;夏季时,由于楼体正面的外墙系统经过了遮光处理,所以不会产生过热现象。

6:通过对马里亚诺·科门斯的被动房进行物理方面研究后,人们得出结论是有必要使室内避免直接吸收过多的热量

“能量块”大楼展示的是一个具体的实例,由此可以看出,被动房的建筑原理可以和很复杂的技术相结合,可以在城建的重点项目中得到应用。到目前为止,被动房在工业发达国家很流行,并且继续呈增长趋势发展。据2010年3月的官方数字统计,目前已建的被动房项目有22,500个。

小环境气候效应

意大利南蒂罗尔(South Tyrol)地区对被动房表现出来的兴趣最大,这与他们对室内气候标准比较敏感有关。其中最高标准(室内气候金标准)要求能耗不得超过10kWh/m2a。采用这种标准,是为了达到有益健康和经济省钱的需求。这是一种主动达到官方标准的做法,而当地房产市场也有能力接受这种价格,所以从公共管理的角度来看,优势更强。

还需要强调一点,这种房屋在室内人员增加时,空调可以自动提升系统功能。这一性能是由阿尔托·阿迪杰民用建筑研究所开发的。自2003年以来,他们在所有翻修和新建的房屋上都采用了“小环境气候”技术。最近十年内建成的数目众多的被动房主要是居民住房,也包括一些工厂建筑,特别是那种供集体使用的建筑物,也包括阿尔托·阿迪杰地区很多的重要项目在内。

例如, TV 建筑师工作室设计的来农-叶德小学(能耗标准9 kWh/m2a),该项目于2006年建成,由于建造时参考的是生态建筑参数,所以外墙材料具有极好的密闭性(鼓风门测定:n50=0.49vol/h)。楼内的空调系统(系统设计:p.i. W. Malleier;物理技术:G.Gantioler 博士,M. Legierska)包括一个1.83kW 带3个50长探头的地热泵,三组带热量回收装置的换气设备,一个18m2的太阳能热水器以及一个发电能力达14.40kW 的足以满足实际需要的太阳能电场。

第一座被动式办公大楼建成也是在2006年,该楼由米歇尔·特里布斯建筑设计室设计,他们曾获得支持可持续性发展型建筑的“奥德尔佐之城”大奖。

被称为“博尔扎诺 Ex-Post”的大楼其能耗标准是7kW/m2a,它由一座70年代的厂房经过精心翻修改建而成。大楼办公室唯一一套空调设备(设计:p.i.D.巴里斯)是一套可以对外界空气进行100%处理的通风设备,这套设备同时还配有一套再生-循环式的热量回收装置,空调的动力来自安装在屋顶上的太阳能场(26.73kWp)提供。

赛巴多圣·洛伦佐市政府厅大楼是 EM2和 Pedevilla Architekten 两个设计工作室合作的成果。该项目在2007年建成,多功能的大楼包括一个图书馆和一个用于展览的空间:楼内安装空调的部分按照需要和空调类别(设计:p.i.D.巴里斯)加以分区,设备的能耗标准保持在5.5kWh/m2a。

 

7:科戈莱托的这所房子是按照被动房标准建造的传统的意大利式建筑

两个最新的例子

现在让我们来详细介绍两个刚刚建成的被动房:一个是位于意大利马里亚诺·科门斯(Mariano Comense)的“斯特利亚多家”;另一个是位于科戈莱托(Cogoleto)的“迪奥尼斯家”。

斯特利亚多家 Casa Striatto

这是座独门独户的住宅(能耗标准10kWh/m2a),共三层,总面积130m2,包括:车库、机房和杂物间(地下一层);厨房、客厅、两个卫生间和一个卧室(一层);两个配有卫生设施的卧室(阁楼层)。这个紧凑的立方体结构地下部分是钢筋混凝土材料的地基,地基外面覆有一层25cm 厚的挤压成型的聚乙烯材料,周边的地基上则上覆有5cm 厚的隔离玻璃。其它部分则由多层钢筋混凝土梁柱和钢筋水泥板构成。墙体材料是30cm 厚的空心砖,砖与砖之间用胶粘合,目的是为了防止灰浆连接处出现热桥效应。朝北和一部分朝东、朝西的墙面采用了30cm 厚的挤压成型聚乙烯材料进行绝热处理。其它朝南、朝东和朝西的墙面则铺设了25cm 厚的绝热层,同时这些墙面还具有通风功能,可以减弱因太阳照射升温的效果。楼内窗户为双层玻璃,窗框为铝合金和木质材料制成,后者的表面传热系数在0.1W/m2°K 和0.15W/m2°K 之间。

确定房子位置时,主要考虑怎样能最佳地利用自然光。由于平坦的屋顶向外突出,并且阁楼外面有松木的廊柱,也因为窗户上有可以活动的遮光布,所以房子在夏季可以尽可能多地获得阴凉。在平坦的楼顶安装有100m2的由薄膜型太阳能电池构成的太阳能场,这个装置为一个取暖和给水加热用的6kW 的水-气式热泵供电,还有一个约10m2的太阳能热水器为游泳池和生活用热水提供服务。机械通风设备实行双流运转,并带有热量回收装置:可将新风送至客厅和卧室,排风抽气功能则在厨房和卫生间使用。这个通风系统还与一个使用海水的地热交换器相连,可以对除湿作用的空气进行预加热或预制冷处理。

斯特利亚多家 Casa Striatto 项目信息

建筑设计:              勘测工程师   Emanuele Fumagalli

设备设计:              工程师  Enrico Benfatto

顾问:                       建筑发展集团,米兰多种技术研究部,Zentrum 被动房公司

热泵:                       Elco

通风设备:              Pluggit

迪奥尼斯家 Casa Dionisi

迪奥尼斯家的这栋独户公寓用于冬季取暖和夏季制冷的年支出只有65欧元(能耗标准为8.8kWh/m2a),房子所需的能量可以全部由安装在地上的太阳能电场(24m2)提供。房子分两层:半地下室的位置上有一个车库和机房;一楼很典型,包括客厅、厨房和两个卧室,以及两个卫生间和两个储物间,这些结构称水平方向分布(净面积可达108m2)。正对地下室的位置上,墙体支撑结构和钢筋混凝土材料的柱子配合钢骨水泥板(U = 0.43 W/m2°C),钢筋混凝土材料的旁侧还要加上石板(6cm)和挨着顶棚的方向上,还加了一个独立支撑的带聚乙烯保护层的(30cm)钢骨水泥板(U = 0.11 W/m2°C)。在宽敞倾斜的顶棚下是突出的屋檐,这种设计可以使房顶在冬季获得尽可能多的热量,同时还围绕四周砌了边墙(U = 0.12 W/m2°C),墙内使用的是空心砖(30cm),还安装了带羊毛隔热层的玻璃(26cm),然后进行简单的抹灰处理,房子配四层玻璃的窗户,窗框为木质材料配铝合金,并选择颜色超浅的低导热型玻璃(Uw= U = 0.63 W/m2°C),同时还配有遮光幕帘。墙体的这种整体设计可以使定期导热能力达0.0096 W/m2°C,并且可以向后推迟16到17个小时影响温度剧烈变化的因素(热峰值状态下的失衡)。

做出上述这些精细的考虑,目的是为了避免建筑物在夏季过热。这种处理办法常常会使外墙被过度地隔离,但同时也获得了极佳的隔音效果,兼顾考虑这个房子就建在高速公路旁边的话,这还真是一个非常基本和重要的处理方法。

在能源方面这个建筑完全实现了自给自足。唯一用于通风的设备是位于半地下室的热交换器,这个热交换器和地热系统相连,这里所采用的系统是普罗斯旺地区的新型热泵。系统通过管网还可以向室内输送新鲜空气。这个地热井还配有3根储存氡气的软管(长15m,直径75÷90mm),软管被埋设在1.7m 深的地下沙床内,各管之间相距1.2m,并且通过连接头和露出地面1m 的不锈钢管相连。

这套系统还有两个回收雨水的大桶,总容积为10,000升(占需求总量的60%),以一个带三块太阳能电池板(表面积4.2m2)的热水器。

迪奥尼斯家 Casa Dionisi 项目信息

设计:                                        工程师  Alessandro Leardi

房屋系统的物理技术:         Rodolfo Solaroli(Zentrum 被动房)

通风系统:                               Zehnder Technosystem

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