德国建筑节能与被动房技术体系的发展

5+1洲联集团·五合国际副总裁　卢　求

德国建筑节能与被动房技术体系的发展

5+1洲联集团·五合国际副总裁卢求

德国超低能耗建筑体系

我回国之后，从2004年开始向国内比较系统地介绍德国建筑节能体系。当时包括德国在内，对于低能耗建筑、微能耗建筑等概念并没有一个统一的等级划分和定义。为了便于中国市场的理解和接受，我将德国低能耗建筑作了一个分类，大体分为三个等级。

居住建筑达到德国相关规范所要求的室内舒适度和健康标准的前提下，根据建筑物对一次性能源的需求量分为：

低能耗建筑：采暖能耗达到德国节能标准的建筑（目前在30～50KWh/m2a）；

三升油建筑：采暖能耗在15～30KWh/ m2a的建筑；

超低能耗被动房：采暖能耗在≤15KWh/m2a的建筑。

近年来，在此基础之上，通过全面采用被动房技术和主动控制技术，可以使建筑达到更高的节能水平，如：

零能耗建筑：通常是通过被动设计，使建筑的能源需求量降到很低，进一步采用可再生能源（太阳能、生物质能等），覆盖所需能源，建筑运行使用不依靠外部能源；

产能建筑：采用可再生能源（太阳能光伏发电），其产生的能源不仅满足自身需要，建筑还能向外部输出能源。

德国“近零能耗建筑”发展战略

“近零能耗建筑”（nearly zeroenergy building）是指建筑物具有非常高的节能性能，在建筑物的实际运行中一次性能源消耗或建筑物按照欧盟指令2010/31/ EU附件1计算的运行所需的一次性能源消耗几乎为零或非常低，而这部分能耗的大部分由建筑自身或附近生产的可再生能源提供。

德国最新《节能法》（EnEG 2013）要求2021年起实施新建建筑达到“近零能耗建筑”、2050年所有存量建筑成为“近零能耗建筑”。最初看到德国以法律形式确定到2021年所有新建建筑达到“近零能耗建筑”水平，我非常吃惊。因为通过技术手段来实现，难度非常的大，但通过进一步的研究，我认为是有可能实现的。

德国实现“2021年起新建建筑达到近零能耗建筑、2050年所有存量建筑成为近零能耗建筑”目标的技术路线有以下几条：

1.大幅降低新建建筑能耗；

2.大幅降低既有建筑能耗；

3.完善、推广产能建筑技术；

4.大幅度提升可再生能源的比例：德国气候保护相关政策法规要求可再生能源发电量占比在2020年达到35%，2050年达到80%。

其中第4点最为关键，使实现近零能耗建筑这一远大目标有了可实施性，如果可再生能源能达到80%，再结合建筑节能技术是有可能实现近零能耗建筑的。

被动房的起源

被动房最初是指在寒冷的气候条件下，建筑不需要采暖设备，仅通过太阳能、人体的热量和围护结构保温实现较舒适的室内环境。最初并没有严谨、完整的定义，但这一想法由来已久。

按照该理念实现的第一件作品是1883年在挪威建造的弗拉姆（Fram）号极地考察船。这艘长35m，用橡木建造的考察船，载重量为800t，配有三桅风帆和220马力的柴油动力螺旋桨，曾是当时世界上深入极地最远的考察船。

在南极、北极极度寒冷的气候条件下，该船不需要开启采暖火炉，即可保持船体内较为舒适的温度。

实现这一效果主要依靠优秀的保温构造，船壁和甲板构造厚度达40～50cm，由多层材料组合而成，包括木材、植物纤维、动物纤维等等，窗户由3层玻璃构成。如今，这艘船作为一座博物馆在奥斯陆被保护下来。

在欧洲寒冷地区，建造一栋不用采暖就能过冬的房子，对很多人来说是梦想也是挑战。20世纪在北欧和英国，有建筑师、工程师小范围地尝试建造不用采暖设备就可以过冬的住房。

1973年，位于哥本哈根的丹麦科技大学建造了一栋试验性被动房建筑，实际上它还没有达到被动房的水平，只能被称作低能耗建筑，但它为后来被动房技术体系的完善积累了宝贵的经验。在与国外专家交流时，我得知他们当时做了很多奇特的设想，比如在房子外面做上玻璃房，白天最大限度接受太阳辐射热，将墙体、地面、家具等物体加热，夜晚用类似被子的东西将玻璃房盖上，以避免热量散发，保持室内温度。此外，还有各种复杂、巧妙的阀门装置，使玻璃房白天接受的太阳能热量传导到起居室、卧室。此类的措施还有很多，总而言之就是想通过各种办法达到被动房的标准，但最终并没能实现。原因有很多，比如早期的被动房实践暴露出许多问题，缺少高性能窗户，人们没有意识到建筑气密性的重要性，不少项目采用了复杂的技术设备和构造机关，使建筑后期使用围护复杂且成本高。为减少热能损失，必须提高建筑气密性，提高气密性就必须通过新风系统保证室内空气质量，而根据当时的技术，仅维持室内新鲜空气一项就需要35kWh/m2·a的电能，高于现代被动房采暖能耗标准的2倍以上，由此进入一个死循环，无法达到设想的被动房标准。虽然可以实现冬天不采暖就生存下去，但远远无法满足人们所需要的室内舒适度。

人们在不断摸索，尝试各种技术组合，进行理论研究、模拟计算，直到1988年瑞典隆德大学（Lund University）的阿达姆森教授（Bo Adamson）和德国的菲斯特博士（Wolfgang Feist）在共同进行的低能耗建筑研究项目过程中，首先提出完整的“被动房”建筑技术体系，找到了被动房的最佳技术组合。

1990年，在菲斯特博士的参与下，达姆施塔特克兰尼斯坦区（Darmstadt-Kranichstein）成功建造了世界上第一栋被动房试验建筑。这是一座4户连排私人投资建设的住宅，每户156m2，建筑师来自Bott/Ridder/Westermeyer设计公司。项目受到德国黑森州政府的资助，这座被动房非常成功，至今一直有4个家庭居住在里面，多年实际运行监测数据显示，其采暖能耗小于12kWh/m2.a。

弗拉姆（Fram）号极地考察船

德国超低能耗建筑技术体系

被动房（passive house）这个词是德国被动房研究所所拥有知识产权体系受保护的关键词，所以在讨论时我们要区分德国被动房体系和中国被动式超低能耗建筑两个标准之间的不同之处。

被动房的定义：德国被动房是指仅利用高效保温隔热、太阳能、建筑内部得热等被动技术和带有余热回收的新风装置，而不使用主动采暖设备、实现建筑全年达ISO7730规范要求的室内舒适温度范围的建筑。

被动房舒适度核心指标包括：

室内温度20～25度；

围合房间各面的表面温度不低于室内温度3度；

空气相对湿度：30%～60%；

空气速度：室内空气流速小于0.15 m/s；

建筑内墙严禁出现任何潮湿结露现象；

被动房核心能耗指标：被动房采暖能源能耗需求值（Heizwärmebedarf）小于15 kWh/m2·a；

一次能源总消耗不超过120kWh/m2·a（含家用电器，相当于40度电/m2a）；

建筑气密性n50小于0.6/h。

被动房（住宅建筑）的具体技术标准（对于中欧地区气候条件）

被动房需要细致精心的设计与施工，其技术指标如下：

1.住宅采暖一次性能耗小于15 kWh/ m2.a或采暖负荷小于10w/m2；

2.制冷（含除湿）能耗小于15 kWh/m2·a+0.3W/m2aK） ×TGH（Trockengradstunden，干度时数）。

按照被动房PHPP（Passivhaus Projektierungs-Paket）计算方法计算：

1.计算模型边界条件

采暖设计温度20度，空调设计温度25度，人员密度为35m2/人，换气屋20-30m2/h人，最小换气量0.3倍，室内二氧化碳含量小于1000ppm，生活热水60度，60升/人天，冬季采暖超温频率小于10%，夏天室温超过25度吋间小于10%。

2.相关规范：

舒适度ISO7730；

外墙U值EN6946；

冷桥ISO10211；

外窗ISO10077；

玻璃Ug，EN673，g-Wert EN410。

3.住宅满足相关舒适度要求，且通常须满足以下要求：

外墙U值≤0.15W/m2K；

屋顶U值≤0.15W/m2K；

透明的围护结构（窗户、幕墙等，含窗框）的U值必须小于0.8 W/m2K，能量穿透率G值小于50%；

东西向窗（±50）和水平窗（坡度小于75°）的窗地比小于15%，南向窗窗地比小于25%。

有些人认为被动房不必控制窗墙比，但其实一般建筑一定要控制。德国有很多建筑采用大玻璃窗，但有两个前提条件：一是窗户的质量一定要有大幅度的提升；二是超过限值须设置遮阳系数大于75%的可移动式遮阳设施，目前可移动式遮阳在中国应用还存在成本高、空气脏、遮阳不宜保持清洁等问题。

室内出风口的送风温度不得低于17℃，必须保证均匀流过所有领域和所有房间（通风效率），通风设计应满足空气卫生要求（DIN1946），通风系统的噪声值要小于25分贝。每个居室、卧室等主要房间至少有一扇可开放窗户，尽量保证建筑对流通风降温。

杜绝冷桥，所有建筑外围护结构，特别是阳台、挑檐、女儿墙等出挑部件必须严格处理。

建筑气密性达到0.6倍以下（在50Pa压差情况，换气量小于每小时0.6倍）。

带有余热回收功能的新风设备，热回收率75%以上。

德国被动房认证

德国被动房研究院可以对达到被动房标准的建筑进行认证。德国被动房是一个完整的技术标准体系，达到其标准可以申请认证。对用达到标准的建筑部品（门窗、墙体保温系统、采暖空调技术等）也可以进行相关认证。

德国方面总结被动房最大的优点是相比其他技术体系建设投资少，运维成本低；较高热工舒适度，使用舒适方便，经久耐用、不易出现建筑损伤。德国人工的成本非常高，建筑后期使用维护成本必须考虑，而被动房在这一方面的节省对于业主而言就很有吸引力。

目前被动房技术不断发展，己扩展到其他建筑类型，包括公共建筑（办公楼、学校、酒店、体育馆、博物馆等）和工业建筑，也扩展到其他气候地区，如欧洲、亚洲、美洲等。

既有建筑改建被动房认证证书

德国被动房标准对既有建筑绿色改造的评价和等级划分评价指标和方法

对既有建筑改造的认证（EnerPhit）可以通过两种方法获得：

1.计算方法：即按照被动房标准提供的计算方法和边界条件，通过计算，证明改造后单位建筑面积的采暖能耗值QH≤25kWh/m2年。同时须满足外维护结构基本传热系数限值要求。

2.建筑构件认证：通过使用获得被动房标准认证的构件系统，如外保温系统，外窗系统进行改造；或通过提供相关资料证明建筑构件达到相关要求。

按照上述分类标准，根据第1.1节中船舶领域统计模型，分别对4类目标船周围最近船舶相对其运动的轨迹最近距离时刻的相对位置分布进行统计，得到图7。

海德堡新城

主要技术要求如下：

不透明外墙外保温，传热系数≤15W/ m2K；

不透明外墙内保温，传热系数≤35W/ m2K（内保温系统只适用于法规上禁止使用外保温的建筑（如历史保护建筑）、或建筑构造上无法实施、或全寿命周期成本评估不经济的情况）；

外窗传热系数≤0.85W/m2K（安装到建筑上的综合U值）；

户门传热系数≤0.85W/m2K（安装到建筑上的综合U值）；

所有采暧房间都须安装带有热回收设备的通风换气装置，系统热回收效率≥75m2；

气密性最低要求n50≤1.0/h，目标值n50≤0.6/h；

采取适当的构造措施，保证建筑内墙不得出现任何潮湿结露现象。

根据他们官方网站在2016年年初的数据，己有2265个建筑项目获得被动房认证（一个项目可能包含多幢建筑），包括居住、办公、学校、博物馆、工业建筑等类型。相关资料和实地考察显示，还有许多建筑按照被动房标准建造，但没有申请被动房认证，如正在建设的德国海德堡铁路新城（Bahnstadt Heidelberg）项目用地116公顷，包含居住、教育、研发、商业、工业的全部建筑，法兰克福欧洲新城区（Europavietel）、法兰克福雷德贝格新区（Riedelberg）中相当数量的住宅建筑群都是按照被动房标准建设。估计己建成的被动房建筑总面积己超过百万平米。

德国海德堡铁路新城——德国最大的被动房建筑项目

德国海德堡铁路新城是目前为止德国最大的被动房建筑项目，也应该是除了中国之外世界上最大的被动房建设项目，同时它也是德国非常大的一个城市开发项目。海德堡是一座大学城，所以项目包含许多教学、科研建筑、大学生宿舍以及相配套的商业设施和一部分居住建筑。

海德堡新城被动式建筑主要参数

海德堡新城的被动房建筑群

海德堡新城的学生宿舍

海德堡新城被动式建筑上的遮阳

海德堡新城被动式建筑上的遮阳

德国弗莱堡太阳船——世界首个产能公共建筑项目

太阳船项目坐落在德国南部城市费莱堡市南部，它是太阳能居住小区（Sonnensiedlung）中的一栋商业、办公、居住综合建筑。整个小区共有50座连排或独栋住宅及9座屋顶露台住宅，居住面积总计7903平方米，商业办公居住综合建筑“太阳船”总长120米，地上6层，两层地下车库，建筑面积4800平方米。

“产能建筑”（Plusenergiehaus），其意义指建筑产生的能源不仅能够满足自用之需求，在此之外还能将多余的能源提供给城市公共电网。

“产能建筑”不仅关注节能、产能，同时还要求采用生态环保材料、低碳足迹，最大限度实现自然采光、自然通风，达到健康、舒适的室内环境标准。

“产能建筑”理念进一步拓展完善到整个区开发，围绕能源与环保主题，希望能够为社区的规划、交通、用水、垃圾，以及社会文化、人口结构等问题提供全新的解决方案。

弗莱堡太阳船

弗莱堡位于德国南部，是著名的生态城市

有关被动房的争议

虽然大规模被动房项目的建设大幅降低了建筑采暧能耗，改善了室内热舒适度，但被动房技术对建筑节能和环境保护方面的贡献程度在西方国家存在一定争议。对被动房的批评也集中在支持被动房一方所宣传的被动房的优点上：

1.相关被动房的节能费计算，常常以二战以前没有节能措施的老房子作为比较对象，因而得出被动房所带来的巨大的节能效果。对比最新节能规范要求下的新建住宅，节能潜力并没有那么大。

2.经济比较计算时，没有考虑现实情况，即被动房项目增量成本超过70%是由银行提供贷款支持，利息成本往往没有考虑在计算中。

3.被动房所增加的保温和其他技术设备没有在建筑全寿命周期生态评价指标性能（Oekobilanz）中反映出来。

4.带热回收的通风装置三层双中空玻璃窗等技术己越来越多地用在节能住宅项目上，并不是被动房的专用产品。

被动房室内舒适度标准，相当于德国“全空调”（vollklimatisiert）室内环境标准，由此带来的问题是：舒适的室内环境需要精心设计、安装的通风系统，内部功能需要调整时就不那么简单。常规住宅如果将储物间改成卫生间，只需要改变使用方式，增加开窗或增设一个排风扇即可，而被动房可能不能轻易改动、否则技术系统就被破坏了。

有人认为，与被动房技术相比，在低能耗建筑的基础上，结合太阳能使用，能够在同样投资规模下，达到同样能耗水平、获得一个可以根据个人需求可调节的室内舒适环境，而且运行成本还能更低。

通过降低外保温厚度，还能够有效改善建筑的生态评价指标性能（Oekobilamz）。

在中国建设推广被动房必须结合中国的实际情况：气侯条件、经济水平、客户需求…， 创造性地研究探索最佳实施技术路线，而不是盲目照抄照搬西方经验。

独特的新风窗和余热回收装置-外部

独特的新风窗和余热回收装置-内部

被动房超低能耗技术在中国应用的思考

研究欧洲被动房技术发展及其应用实践，我们可以看出推动其发展的三方面主要动力：

首先是技术进步，理论研究的深入，计算机模拟技术提高，技术系统的完善与简化，高质量的门窗、保温材料、高效新风机组等产品的研发与量产。

其次是经济动力，上述技术的进步，产品成本不断降低，节能标准的提高，导致增量成本相对更低，被动房在建设经济上有吸引力。

第三方面是政府的推动和社会意识的进步，社会范围内环保意识的提高，摆脱对化石能源依赖的国家政策，政府资助政策都对被动房大规模发展起到推动作用。

中国被动房超低能耗建筑的大规模应用和发展，也离不开高质量技术产品、市场经济吸引力和政府政策支持这三方面的动力。

卢求，德国注册建筑师、北京五合国际工程设计顾问有限公司副总经理、德国可持续建筑委员会（DGNB）国际部董事、东南大学客座教授、《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》编委。毕业于清华大学和德国多特蒙德大学，在德国和中国分别拥有 14年和13年的建筑设计、生态节能工作经验，是最早关注、研究并将德国被动房建筑节能技术介绍到国内的专家之一。

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1671-3362（2016）09-0036-06