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未来被动建筑科技

被动房—房屋发展的必然趋势

住房和城乡建设部科技与产业化发展中心 教授级高工 张小玲

  被动房是将自然通风、自然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源得热等各种被动式节能手段与建筑围护结构高效节能技术相结合建造而成的低能耗房屋建筑。这种建筑在显著提高室内环境舒适性的同时,可大幅度减少建筑使用能耗,最大限度地降低对主动式机械采暖和制冷系统的依赖。被动式房屋不仅应该是建筑节能发展的必然趋势,而且应该是房屋发展的必然趋势。

  被动式房屋在寒冷地区的采暖需求是15 kWh/(m²a),仅相当于我国北方65%节能标准的1/4~1/10,甚至更低。被动式房屋可以做到取消传统采暖设施,依靠自身的得热,如灯光、炊事、人体、办公设备等发热满足冬季室内有20 以上的温度。虽然被动式房屋发明者的初衷是让人们在没有供暖设施的情况下也能使室内有20 以上的温度,随着被动式房屋技术的日臻完善,其高舒适性和能耗大大低于传统建筑的特性被愈来愈多的人所认知。它对于人居环境的改善和社会环境的影响日益呈现出来。

  1被动式房屋在国外的发展状况

  被动式房屋自瑞典隆德大学Adamson.Bo教授自上世纪八十年代提出后,德国物理学家 Wolfgang Feist在1991年建造出全世界第一个具有现代意义的被动房以来,至今已有近6万栋,总建筑面积达4千万平方米的建筑。建筑类型涉及居住、办公、学校、养老院、工厂、超市、宾馆等等。一些对节能减排比较重视的国家和地区纷纷提出了新的建筑节能目标。

  德国在福岛核电站事故后,德国率先宣布放弃使用核能,而核能占其能源供应的40%。德国2011年提出了新的节能目标,即自2019年1月1日起, 政府办公建筑将成为(近)零能耗;自2021年1月1日起, 所有的新建建筑将建成(近)零能耗;2050年所有建筑要节约80%一次能源。实现上述目标将为德国节省出近40%左右的社会终端能耗。

  奥地利政府在相关专家数年的调查研究结果基础上,制定了能源自供自足循环经济政策,按照现在的实现速度,奥地利有望在2040 年实现“不再依赖石化能源”和“全国二氧化碳零排放”的“梦想”,成为世界上第一个无石化能源消耗的国家。

  比利时可能是世界上第一个最早在全国范围内实施只建造“被动式房屋”的国家。从2015年1月1日起,比利时所有新建建筑将按被动式房屋标准建造。

  2009年12月18日欧盟决议[1]:“要最大限度地利用建筑潜在的能源” 自2020年起,所有新建建筑必须达到“近零能耗建筑”标准。此项规定意味着: 新建建筑要达到零排放建筑标准、建筑物所需余下能源由再生能源替代对建筑物的改造也必须实现最大限度地发掘其内在的能源潜力。

  这些国家和地区逐渐将自己的房屋建设成被动房,不但将极大地节省能源,使其建筑摆脱对化石能源的依赖,而且房屋寿命可以得到极大的延长,资源与环境可以有效地得到保护。可以毫不夸张地说:被动式房屋是人类得到永续发展的必经之路。

  2我国被动式房屋的发展状况

  随着秦皇岛“在水一方”C15#(见图1)和哈尔滨“辰能.溪树庭院”B4(见图2)的建造成功,有别于传统建筑的“被动房”逐渐被人们知晓。

  


  到目前为止,列入到住房和城乡建设部科学技术项目计划的项目涉及到个22个项目单位的37栋示范建筑,总建筑面积33万m2。建筑类型包括住宅、工业厂房、办公楼、幼儿园、教学楼、纪念馆、学生宿舍等。涉及到的省份有:河北、山东、辽宁、青海、黑龙江、福建、内蒙古、湖南和江苏。其气候区涉及到严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、青藏高原。目前已获得由德国能源署和住房和城乡建设部科技中心颁发的“被动式房屋质量标识”的项目有秦皇岛“在水一方”C15#和哈尔滨“辰能·溪树庭院”B4两栋住宅楼。山东维坊的“未来之家”已经通过测试,有望在2015年的绿色建筑大会上获得由住房城乡建设部科技发展促进中心和德国能源署颁发的“被动式房屋质量标识证书”。其它的建筑均在设计或是建设中。

  秦皇岛“在水一方”C15#楼是中国第一个获得“被动式房屋质量标识”的项目。两年的测试数据表明:在居民普遍没有入住,只有两户人家入住的测试条件下,能耗指标和室内环境指标基本上满足预期设定的被动式房屋的各项指标要求。充分验证了“被动式房屋”具有良好的室内舒适性和极低的采暖与空调能耗的特性(见表1);

 

  两户人家反映住在被动房里生病明显减少。一户男主人有心脏病史,他反映住在被动房之后,心脏病症状得到明显缓解。另一户男主人患有皮肤干燥症,他反映住在被动房之后,症状基本消失。

  除了河北省即将颁布“被动式低能耗居住建筑节能设计标准”,使河北省的被动房建设有标准可依外,我国被动房的建设还处在探索阶段。2015年底将编制完成黑龙江省“被动式低能耗居住建筑节能设计标准”和青岛市的“被动式低能耗建筑节能设计导则”。辽宁、青海、黑龙江、福建、内蒙古、湖南和江苏正在建设省内的第一栋被动式建筑,其它省份还没有被动房项目。

  随着被动式房屋的好处被愈来愈多的认知,我相信,被动式房屋必定呈暴发式增长。

  

         3 大力推广被动房将对我国社会带来深远影响  

         被动式房屋改变着人们的室内外环境、改变建筑对传统能源的依赖,改变着我们的生活、社会和环境。被动式房将在以下几方面产生影响:  

 

        1)彻底改变我国建筑寿命短的现状,促进实现社会的永续发展  

 

            同节能能源相比,我认为被动式房屋对促进实现社会的永续发展尤其重要。在现代工业之前,中国建筑五千年史中基本符合可持续发展特征。其大部份的木结构建筑和砖石结构虽然达不到很长的寿命,但是由于人口较少,建筑物的总量较少,并且对室内环境要求较低,其资源和能源的消耗并没有对环境造成太大的破坏。建筑物破败之后,其建筑垃圾基本上回归自然,没有给自然界留下任何污染源。但是,我国的目前城镇既有建筑总量已经超400亿平方米,建筑使用寿命不管是某些学者说的30年,还是达到了《民用建筑设计通则》规定的重要建筑和高层建筑主体结构的耐久年限为100年,一般性建筑为50年到100年,就意味着我们需要保持城镇每年4~13亿平方米的建造量。按农村人口7亿,人均建筑面积30平方米估算,我国农宅的建筑面积总量应超过200亿平方米。同样按照30~100年的使用寿命估算,我国农宅的建造量将维持在每年2~6亿平方米的建造量。这样,我国须持续地保持每年6~19亿平方米的建造量。虽然它可以使建筑业成为GDP的强大推动力,但是我们资源能承受的了吗?我国已经稳居钢铁、水泥、玻璃、陶瓷的世界第一生产大国多年,但我们究竟还有多少资源和环境容量来支持这样的世界第一?我们还能不能给子孙给下他们赖以生存的资源和能源?   

 

        被动房从原则上讲应该是“永远不坏的房子”。它整个结构体系处在保护层当中,免受风、霜、雨、雪的侵蚀,一年四季基本上处在20~26℃之间。被动房的寿命和普通房屋相比,就好比木乃伊同普通人尸体存在时间相比。木乃伊可以存在3000年不坏,而普通人尸体会空气中很快腐烂掉。  那么建造被动房会不会影响我国未来的GDP?恰恰相反,如果我们对现有的600多亿平方米的建筑按被动房标准进行改造,以每年改造2亿平方米计算,还需要300年才能完成。也就是说,被动房可以为我国至少300年的GDP做贡献。 

 

      2)被动式房屋可在没有采暖设施的条件下,为人们冬季提供温暖的室内环境  建成的哈尔滨“溪树庭院”和秦皇岛“在水一方”被动房受到了消费者的青睐。相比节省采暖费相比,人们更看重它的舒适性和安全性。被动房可以实现在冬季不取暖的条件下,维持室内有20℃以上的温度。利用这一手段,可以不在给国家增加能源消耗的前提下,满足人们冬季室内温度的需求,并使人们拥有比普通房屋更加舒适安全的室内环境 

 

     我国有6亿人口生活在夏热冬冷地区。这一地区冬季低于10℃的天气超过80天,处在10~15℃的天气超过50天。这一地区冬季阴冷潮湿,冬季相对湿度普遍大于70%。受国家供暖政策的影响,这一地区至今绝大多数房屋没有集中供暖设施。随着我国人民生活水平的提高,愈来愈多的人渴望冬季室内也象北方一样有一个温暖的室内环境。而被动式房屋就是一个有效的解决手段。

 

  很难配备集中供热实施的房屋也可以用建造被动房手段解决冬季供暖问题。譬如,边防哨所,远离城市的青藏高原和内蒙古草原等地区的农牧民房屋等。中德试点示范项目中有一个18层的居住建筑在青海乐都。我们设计这栋建筑的冬季新风、采暖和生活热水完全靠太阳能解决。项目建成之后,很可能是中国最接近零能耗的房屋。如果拉萨市全部建成被动式房屋,用拉萨优越的太阳能资源就有可能使拉萨的建筑实现零排放,同时人们拥有舒适的室内环境的条件下,永远保持蓝天白云。 

    3)被动式房屋可实现极大节能减排,使房屋采暖彻底摆脱对化石能源的依赖

 

  建造被动房的初衷是采暖不用外界供给能源。一个被动式房屋至少可以比普通的建筑节能出90%以上的能源。以中国的81亿平方米的北方采暖居住建筑为例,现在每年采暖锅炉消耗2亿吨标准煤。如果这一地区的新建建筑按照目前国家的现行节能标准建造,以最保守的估计,到2050年将提高到3.85亿吨标准煤,净增1.85亿吨标准煤;如果按被动房标准建造,则增加到2.5亿吨标准煤,将增0.5亿吨标准煤。如果我们把现有的北方采暖区的居住建筑按被动房标准进行改造,则可把现在的2亿吨标准煤降低至2187万吨标准煤。如果到2050年中国北方地区的居住建筑全部为被动房,则我们可以把采暖耗煤总量控制在7000万吨左右。而这7000万吨完全可以用可再生能源来满足,也能够摆脱对化石能源的需求。在这个过程中,我们将累计节约59亿吨标准煤,减排165亿吨的CO2。

 

  为了保证冬季送入室内的新风有16℃以上的温度。哈尔滨“辰能.溪树庭院”采用了生物质锅炉、生物质燃料(图6、图7)为冬季新风加热。这个项目说明,即使在严寒地区,被动房仍然能够摆脱对化石能源的依赖。生物质能与化石能源的本质区别是,前者是可再生的,而后者不可再生。这样,住在被动房人就不用担心燃料的短缺和能源价格的上涨。

 

  如果我们国家的房屋都是被动房,那么有可能节省出我国40%左右的社会终端能耗,可以极大缓解能源紧张。如果我们不需要燃料供暖,我们将彻底摆脱由于冬季供暖所带来的一切麻烦:煤的开采、运输与贮存;供暖系统的维护与保养;冬季的烟尘与雾霾;采暖计量与费用的收取;燃料费用的上涨;由供暖系统所造成事故(比如因供暖系统爆裂而导致无法供暖等)。

 

  在奥地利、瑞典和德国等国正利用被动房的技术手段使房屋采暖日益摆脱对化石能源的依赖的同时,我国建筑总量对化石能源的消耗却呈逐年上升趋势。建筑能耗的增加有三个主要因素:一是不断增加的新建建筑带来的能源消耗刚性增长,二是人们追求更舒适的室内环境造成的能耗的增加。被动式房屋可以在满足人们对室内环境追求舒适的同时,使采暖能耗降到最低。如果我国能够通过按被动房标准建造新建建筑和对既有建筑进行节能改造,我们就有可能降低建筑能耗的总量。在降低能耗的同时,必然会带来温室气体排放的降低。瑞典的哥德堡通过建筑节能的手段,用了27年的时间,使整个城市的CO2排放降低的了50%,SO2排放降低了100%,NOX排放降低了90%。最终使城市彻底摆脱了雾霾的困扰。

 

    

         4)被动房可以极大的缓解夏季用电高峰的压力和城市热岛效应  被动式房屋的空调负荷是普通房屋的1/4~1/10。也就是说,如果我们的房屋都变成了被动房,那么至少可以使现在的夏季空调负荷降低四分之三。我国许多城市在夏季都要经历高温酷热,为了满足居民空调需要,就要配备足够的电力,而很大一部分电力负荷在绝大多数时间里处于闲置状态。还有一些城市,通过给工厂拉闸限电以满足居民空调需求。如果现有房屋变成被动式房屋,那我国城市的电力就会得到极大的缓解。

  随着我国城市房屋建造量的增加,城市热岛效应变得愈来愈严重。上海、北京和重庆的城市热岛可比正常区域高出7~9℃。城市热岛提高了整个城市温度,造成了空调能耗进一步的上升。而被动式房屋不会产生热岛效应。如果把一个个产生热岛的普通建筑改造成被动房,将会消除一个个热岛。这样,随着城市被动式房屋逐渐取代普通建筑,城市在夏季的温度也会降下来。

 

  5)促进建筑、建材行业的产业升级与发展  建筑质量自上世纪80年代建筑产业工人逐步被农民工取代之时,就成了让人担忧问题。人们在为建筑究意能用多少年而纠结。而建材行业劣币驱逐良币的逆向淘汰阻碍了我国的行业进步,更是腐化市场环境,其结果是全社会资料能源的巨大浪费。以塑料门窗为例,我国的最低的塑料门窗的安装销售价居然可以低至200元/m2;某些厂商生产出的门窗就是给工程验收用的,某些工程交付业主后,业主做的第一件事就是将门窗换掉;20年前我国塑料门窗的整体行业水平与德国不相上下,而今天我国塑料门窗行业型材生产商没有一家可以给被动房供货。我国建材成本和建筑建造厂本确实远低于德国和瑞典,但我国的建筑寿命只有50~100年,后者却是可用几百年的建筑。一名德国专家测算,被动房所有的投资成本可在60年中通过能源的节省回收回来,以后这座房子就是一个不用供暖系统的白用的房子。而我们的房子在60年之后就要拆除重盖了。重盖就要造成一堆建筑垃圾,再耗一遍资源与能源。我们需要多少能源与资源可以支持这几十年一次的大拆大建。我最近到过世界最大的石材加工基地,这一地区也曾盛产过石材,至今已无石可采;石材生产为这里造就了一批亿万富翁,但这里永远失去了曾经的山林美景,留下了粉尘污染。设想一下,世界上最漂亮的石材装饰在我国只有几十年寿命的房子里,然后随着几十年后拆除变成了建筑垃圾。这种做法会不会断了子孙生存之路?

 

  建造被动房就要用长寿命的好产品。材料商要供应最好的产品、建造商要精心的施工才能达到被动房的要求。曾经有人建议,我们中国是发展中国家,大家喜欢便宜,能不能建一种介于被动房和我国符合我国节能标准之间的一种房子。我认为这是一个坏主意。因为到了被动房之后,就可以取消采暖系统,大大降低空调系统投资。而建比我国现行节能标准高的房屋是一个不经济的做法,它只会带来房屋建造成本的增加,节能效益并不明显。可以说,被动房让大家必须供应合格产品的前提下进行竞争。而且,因为不好的产品用在被动房会产生非常严重的后果,使得人们不敢以次充好。在被动房产品供应商中,他们基本上遵守质量上万无一失的原则,中国原料不满足要求,他们会不惜成本买国外的。这样,被动房就会提供一个竞优的市场机会,就会促进我国的产业进步。同样,建造商再不可能粗制滥造,以结果为导向的检测倒逼工人必须每一步都要精细施工。

 

  6)在雾霾严重的今天,被动房给人们提供了健康安全的室内环境。

  被动式房屋可以在重度雾霾情况下,提供给人们安全的室内环境。表2是秦皇岛重度雾霾条件下,不同区域空气PM2.5情况。被动房室内PM2.5是室外的1/7左右。这是因为被动房的密封性特别好,门窗密闭后,空气只能通过高效热回收的新风系统时进入室内。新风系统不但将室内的二氧化碳的含量控制在1000ppm以下,而且室内的PM2.5也会在重度雾霾条件下将有害物质过滤,从而使室内空气处于安全状态。值得一提的是一种采用纳米技术可对水分子透过进行控制的过滤膜。新风系统采用这种过滤膜,可以有效降低PM2.5,可控制水蒸气的进出,并且在全热回收过程中膜表面不会有霉菌的产生。它有15年以上的寿命,并在使用期内免清洗。在雾霾常发的今天,被动房能够给人提供一个安全的室内环境。

表2 重度雾霾条件下,被动房室内环境与周边情况对比[1]

 

  7)提供人们清晰的建筑节能理论,使建筑节能技术变得简单易行

  被动式房屋把外围护结构做到了极致,无热桥,无空气渗漏。这种特性使得被动房的能耗计算方法变得简单明了。譬如:热桥能耗计算是一个非常复杂的过程,而被动房无结构热桥,也就不需要计算。普通房屋空气渗漏情况难以确定,也就不可能准确计算空气渗漏所带来能耗损失;而被动房的新风是有组织的,换气是按照人的需氧量确定,这样被动房的空气交换所带的损失就变得可计算,易计算。

  被动房的产生使建筑节能技术变得简单易行。被动房是在达到明确的能耗指标的前提下,所采用的技术和花费愈少愈好。这种以结果论英雄的评判方法简单而公正。建造被动房时,不是要选“高大上”的技术而是选管用的技术,不是选用的技术愈多愈好,而是愈少愈好。

  4 我国被动式发展面临的挑战

  中国发展被动房可能会面临许多困难,诸如承受不了增量成本,缺乏政策激励,无标准可用,专业人员匮乏等等。但是,我认为被动房能否成为国之利器取决于人们的思想观念。在没有任何激励政策支持下,依然有开发商敢自担所有风险建造被动房。总而言之,被动房是利国、利民、利他、利已的一件大好事,愈早做愈好,它是值得我们可以为之付出一切的壮丽的事业。

  参考:

  1张小玲 马伊硕,秦皇岛“在水一方”C15#楼室内环境与能耗测试分析报告,2014年9月;

  2欧中环境发展促进会,世界城市发展建设,2013年7月1日

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