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被动式建筑技术舒适性与可持续性思考

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被动式建筑技术舒适性与可持续性思考

2019/08/22 10:34
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【摘要】:
被动式建筑主要是指使用经过优化设计之后的建筑构造做法,传热系数较低的门窗、保温性能较好的墙体材料达到比较高效的保温、隔热性能,通过新材料、新技术、新工艺的综合应用,使建筑在较少使用主动能源供应的情况下达到舒适温度的要求。

  一、被动式建筑

  被动式建筑的概念最早源于1988年的瑞典和德国,后续通过了一系列的研究,加之德国黑森州政府的资助下,被动式建筑的概念从而逐步被确立起来。被动式建筑主要是指使用经过优化设计之后的建筑构造做法,传热系数较低的门窗、保温性能较好的墙体材料达到比较高效的保温、隔热性能,通过新材料、新技术、新工艺的综合应用,使建筑在较少使用主动能源供应的情况下达到舒适温度的要求。被动式建筑是基于建筑节能的基础上而逐步发展起来的,对于我国而言,是一个全新的节能概念,但在德国和瑞典等地技术已经比较成熟。在室外温度为-20℃的情况下,室内可以不必开空调取暖就保持正常生活所需的温度,意味着房屋基本不需要主动供应能量。

  每年单位面积供热能耗仅为15度电。而这种效果只需通过材料、设计、施工手段就可实现。被动式建筑有两大重要的技术组成部分:第一部分是十分注重建筑的保温密闭性能,第二部分是可再生能源的利用。优异的围护结构提高了建筑的气密性。在保温方面,被动式建筑拥有自己的一系列技术和材料系统。它的外墙外保温材料往往厚达20cm,屋顶保温层的厚度达到30cm,而且,在两层之间的楼板处均铺设了保温板。被动式建筑采用节能性比较好的三层玻璃塑钢窗,而且在每个窗的内腔内都安装有保温材料。因此,墙体、屋面、外窗的传热系数均很低,使室内外的热交换降到了最低程度。

  同时,为了尽可能多的接收阳光,房子大多为南北向,窗户也尽量是一整片式的大窗,消除热桥也保证了维护结构的热工性能。不管是在德国、瑞典还是在我国北方地区,冬季采暖是我们需要考虑的首要问题,因为热桥对建筑围护结构和能耗的影响比较突出,所以被动式建筑在地面、外墙、屋面等部位有可能出现热桥的地方设计了比较独特的构造以求有效地消除热桥对建筑外维护结构的影响。

  二、太阳能及可再生资源在被动式建筑中的应用

  如何解决全球日益严重的大气污染问题、保持各国经济的可持续发展,这些都是目前各国政府、企业必须面对和亟待解决的问题。大气污染在很大程度上源于人类对矿物能源的依赖,建筑能耗在人类的能源消耗上的比重约为40%。因此,建筑的节能和可再生资源的利用方面是我们必须要突破的地方。在我国,环境问题中大气污染日益严重、人口众多导致建筑能源的消耗量巨大,加之我国目前建筑的总体不节能性,导致当前我国能源消耗问题十分严峻,但普通老百姓往往还并无知觉。

  在国外,建房者除了必须要遵守国家规定的建筑节能标准之外,政府通常还会要求建房者出具一份关于能源利用的方案。该方案涵盖三大部分的内容:CO2的排放量、对空气有害的物质以及房屋建设的费用。在瑞典,由于受到当地建筑成本的制约和影响,一栋被动式住宅的建筑成本约为1.8万克朗/㎡,而普通住宅得建筑成本约为1.6万克朗/㎡。相比之下,造价约增加了13%,但其年运行能耗却可由之前的110KWh/㎡降低超过50%左右。

  经估算,通过7年左右的时间,其在开发环节增加的投入便可以收回。对于那些建造房屋用以出租盈利的开发商和普通的购买者来说,节能性好的建筑更受欢迎。因此,市场上对被动式建筑的需求量还是十分巨大的。被动式建筑的能源主要来源于可再生资源。主要是通过太阳能的投入使用、地源热泵技术的应用、雨水收集及利用系统的投入和热量的高效回收利用来实现的:

  1)屋顶及墙面上的太阳能装置可以用来供电。在被动式建筑的屋面、墙面均可以设置太阳能电池板,产生的电能除了能够满足用户的照明、电器等基本需要外,还可为建筑供暖、空调供电,以保证房屋的热舒适度。只是在极少数情况下需要额外的能源用于取暖。

  2)地源热泵技术的使用。热泵技术是在利用可再生能源方面的一项有巨大潜力的技术。无论是以空气和水还是以土壤为热源的热泵,都可以在建筑的可持续发展方面发挥其巨大的经济效益。通过综合利用热泵技术、建筑业的围护材料、光伏及建筑一体化等一系列措施,使建筑房屋的零能耗和零排放成为现实,甚至最终还能达到正能量状态和反馈到电网投入使用。经过理论和实践证明,这些目标也是可以达到的。而且,一些发达经济体已部分实现了上述的这些目标。

  据悉,到2050年,大部分发达经济体预计实现80%至100%转换到可再生能源。热泵技术在建筑方面有着独特的优势。住宅建筑的热需求总体上属于100℃以下的供暖,热泵技术可以经济、方便地满足包括20℃左右的室温、40℃以上的热水洗浴等要求。热泵技术可以吸取空气、浅层地表水及土壤中的热量,热效率通常可以达到500%~600%,这种热效率是目前各类不同供热系统中所能达到的最高的热效率。尽管还有别的技术也可以考虑使用,但都达不到热泵技术的热效率和它所创造的经济效益、环境和社会效益等。

  3)被动式建筑的雨水收集及利用系统。被动式建筑中有着自己的雨水回收措施即“雨水收集与利用系统”。通过收集与利用建筑物的屋顶甚至是室外的道路等地表汇集来的雨水,经过收集--输水--净水--储存等渠道积蓄和利用雨水,为室内用水、绿化和物品洗涤提供水源支持。很大程度上达到了综合利用雨水资源和节约用水的目的,缓解了城市中水资源的紧缺和浪费。

  4)热量的高效回收利用。对热进行高效回收是降低被动式建筑能耗的一个非常重要的手段。大幅度降低被动式建筑的采暖能耗的一条很重要的途径就是采用新风热回收的技术。当建筑的气密性能提升之后,采用合适的通风换气方式对于被动式建筑就显得尤为重要了。必须要有一定的新风量要保持室内空气的清新与健康。在欧洲的大部分国家,换气次数指标对新风量的要求为0.4-0.9次/h,在我国,北京居住建筑节能设计标准规定的冬季换气指标为0.5次/h,与欧洲各国的换气指标要求大致相同。

  在现在的各类建筑中,间断性地开启门窗和门窗缝隙中空气的渗透是实现建筑换气的主要方式,但这种做法在驱走了污浊空气的同时必然也会带来大量的热量损失,并且冬季室外的冷风也会给人带来不舒适感。在被动式建筑中,这一换气指标完全是通过机械通风的方式来实现的。在被动式住宅建筑中,室内污浊的空气可以通过厨房和卫生间的排风口排入风管中,新鲜空气则可以通过卧室和起居室的送风口进入房间进行空气流通。

  瑞典新建的被动式住宅普遍设置了集中的新风装置,由于置换新风必然会带来一定量的热量损失,因此,热回收技术被广泛采用,目前热回收率已经能够超过80%。很多被动式建筑在对新风进行加热的同时,采用太阳能作为辅助的热源,这种做法进一步降低了住宅建筑对外界能源提供的需求量。再者,新风热交换器的体积比较小,通常可以装在建筑吊顶或者阁楼内,有的甚至装于屋顶用作室外装饰,与建筑有效地融为了一体。由于被动式建筑对建筑内部采暖能量的需求比较少,所以新风装置在进行冷空气进入室内前加热和废气空气排出室内前留住热量的过程中无形的在空气置换的同时不仅留住了热量、向室内输入了新鲜空气,而且有利于室内温度的保持。

  这样一来,空气置换所带来的损失被进一步降低,而且从一定程度上看,室内不再需要安装传统意义上的空调设备和采暖系统了。同时,使用新风装置的另外一个好处就是,相比于传统的通风方式,机械通风在减少了热量损失的情况下一定程度上还能够阻挡空气中的各类灰尘及杂物,使用起来更加清洁。被动式建筑基于全新的建筑观、自然观,寻求人与自然的和谐统一。国外的很多成功案例为我们提供了学习和研究的参考,我们在建筑节能上还有很远的路要走。基于被动式建筑的可持续性和节能性,被动式建筑这一概念必将受到重视和关注。