低能耗建筑和被动房关键技术

1、外围护结构节能技术

外围护结构节能技术主要包括保温隔热技术、窗户节能技术。

(1) 保温隔热系统

低能耗建筑和被动房最显著的优点是高效的保温隔热性能。寒冷或严寒地区冬季采暖煤耗量高，夏季空调电耗高大部分是由于围护结构与外界环境的热交换造成的。因此被动式-低能耗建筑的节能重点是提高建筑围护结构的热工性能，降低传热系数，减少热损失。此外高效的保温措施还将提高建筑物的气密性，降低能量损失，隔绝室外噪音，提高居住舒适度。

① 建筑外墙保温

建筑外墙外保温技术起源可追溯到20世纪40年代的德国，目前已成为欧美发达国家市场占有率最高的一种节能技术。德国低能耗建筑或被动式建筑外墙保温普遍采用绝热复合系统（EIFS）。该系统使用寿命较长，平均30年，德国有些建筑物的外墙外保温系统达到了40年左右。

外墙保温材料的种类很多，较适合的有膨胀聚苯板、矿棉、玻璃棉、泡沫玻璃、纤维素和木质保温隔热材料、真空保温材料等。其中膨胀聚苯板（EPS）占据德国82%以上的市场。德国保温材料的厚度经历了一个逐渐增加的过程，1980年，最早的保温层厚度仅为4cm，随着节能意识的逐步提高以及对保温层作用的认识改变，保温层的厚度逐步从6cm增加到8cm。目前德国规定，无论什么类型的保温材料，安装厚度都不低于10cm。

德国对在此方面做过研究，认为保温厚度达到20cm的经济性能比最佳，因此在德国新建低能耗住宅外墙保温层的厚度都在19～20cm，而被动房屋中，如果采用EPS板，外墙保温层厚度一般为24～30cm。

目前德国还研发真空保温(图2)、纳米级水凝胶保温等一些新型保温材料。真空保温层通常采用微孔硅酸作为支撑，硅酸表面包裹一层薄膜，从而构成真空保温板。它借助滑道或粘接剂进行固定。真空保温板的导热系数在0.007～0.009W/(m·k)之间，其保温性能优于传统的保温材料10倍之多，2cm的真空保温层的保温效果相当于20 cm EPS板的保温效果。真空保温板由于极易受损，而且需要进行现场质量控制，因此相对于传统保温材料费用较高。

② 屋顶和地面保温

被动房对屋顶、地面及地下室的顶板的保温要求很高。屋顶保温要求保温材料的厚度为24～30cm。保温层上面需要加设防潮层。屋面保温隔热材料一般多分为两类：一是板材型，如XPS板，EPS板，硬泡聚氨酯板(PU)，岩棉板；二是现场浇注型材料，如现场喷涂硬泡聚氨酯整体防水屋面。地面保温的厚度最小也有25 cm。

③ 热桥的处理

要使建筑保温隔热系统发挥良好的作用，除了保温材料和厚度的选择外，加强关键节点的设计与施工，避免热桥非常重要。避免热桥不仅对降低热热损失非常重要，而且也能防止潮湿隐患和由此引发的霉菌问题。如阳台采用预安装结构，可将热桥最小化。实现无热桥要求建筑物必须无疏漏地包裹在保温层理，避免穿透保温隔热平面的构件，避免结构件外突的建筑部件。阳台最好能处理成自承重移前的构件等。

④ 气密性

关键部位如窗洞口、空调支架与栏板、穿墙预埋件、屋顶连接处、建筑物阴阳角包角等应采用相应的密封材料和配件隔绝传热，确保保温系统的完整性。

(2) 节能窗户

窗户是建筑保温、隔热、隔音的薄弱环节。通过窗户的热损失占到建筑围护结构热损失的比重最大，约为33～40%。因此窗户是节能的重点。

1995年德国颁布保温法规后，窗户玻璃的传热系数U值需达到1.6～2.1 W/(m2·k)，市场上主要采用的是中空玻璃。德国2009年《建筑节能条例》规定，窗户的U值不能超过1.30W/(m2·k)，这就要求玻璃的U值大约为1.1W/(m2·k) （表2），基本上只有low-E玻璃填充稀有气体才能满足该要求。在双层玻璃之间填充惰性气体氩气或氪气可以改善窗户的U值和g值。U值大于1.3 W/(m2·k)的玻璃目前在德国市场很难见到。

表2各种保温隔热玻璃的传热系数U值

欧洲被动房窗户采用三层Low-E玻璃，玻璃间充惰性气体（氩气或氪气），玻璃Ug值为0.7W/(m2·k)，窗框通常为高效的发泡芯材保温多腔框架，其Uf值达到0.7W/(m2·k)，窗户的U值达到0.8W/(m2·k)。

除了窗户本身节能外，窗户的安装及安装位置、窗户的密封对于提高窗户的气密性都有很大的作用。被动房窗户是安装在外墙外保温的中部（图3）。即窗框外侧推出外墙一部分，窗框外侧落在木质支架上，同时借助于角钢或小钢板固定，整个窗户被嵌入保温层约三分之一的厚度。图3

窗户密封采用防水材料，如建筑用连接铝或者合适的丁基胶带，胶带可用灰浆嵌入安装。外部密封可采用实现压缩、浸渍和敞孔的密封条，如人工树脂阻燃的聚氨酯泡沫材料。

2、通风技术和设备

被动房的气密性非常高，为了避免开窗通风造成的热损失，降低能源消耗，同时满足空气交换卫生方面的要求，被动房通常采用带热回收的排气和通风系统。机械通风系统可以确保室内水蒸汽排出室外，保持室内湿度适中，避免水蒸汽破坏建筑构件，产生结露；其次通风可以排出有害物质和异味，保证室内空气质量。新风系统包括带热回收的分散式通风系统和带热回收的集中式通风系统。

热回收装置包括叉流板式热交换器、逆流式热交换器、转轮式热交换器，其热交换效率都在75%以上。

3、采暖技术

德国的低能耗建筑和被动房采暖方式以被动式为主兼具优化主动式采暖系统。对于被动房，当采暖负荷低于10W/m2，通过带有热回收装置的新风系统加热新风，即可以满足室内的采暖需求而不再需要常规的取暖。

(1) 被动式采暖技术

被动式采暖技术就是通过建筑朝向、周围环境布置、建筑材料选择和建筑平、立面构造等多方面的设计，使建筑物在冬季能最大限度地利用太阳能采暖而夏季又不至于过热。主要方式是是加大房间向阳立面的窗，如做成落地式大玻璃窗或增设高侧窗，让阳光直接进到室内加热房间。采用这种被动式太阳能技术的前提是窗户密封性较高，并配有保温窗帘或保温窗扇板防止夜间从窗户向外的热损失。

(2) 主动式采暖技术和设备

①与带热回收新风系统结合的采暖当被动房采暖热负荷低于10W/m2，可以采用带热回收的通风系统进行采暖。从厨卫区域（浴室、厕所、厨房）中抽出的废气要先流经热交换器，在这里，废气近90%的热量会被吸收掉并传导给新风，然后废气被排除。新风通过进风口进入室内，经过过滤器，然后到达热交换器进行预热送入到房间。在有些情况下，新风在到达热交换器前还要经过一段长距离的“地热交换器”，即安装在底下1.5～2m左右的管 ，新风便可以吸收地下存储的热量。通过地热交换器预热后，外面空气温度可由-15℃升至0～5℃，这样不仅可以防止热交换器进气风扇的截流阀或开关控制结霜，也可大大提高冬天通风排气设备的效率。在有些工程中通风系统还装有电除霜保护加热系统和后加热器（post heater）以保证热交换的稳定性，避免热交换器结冰。德国环保局在德绍的办公楼使用的地热交换器目前是世界上最大的，地热交换器埋于地下深至3米，管道长度（从进气口到通风系统）长达6公里。

在最冷的天气，被动房每平米的最大采暖需求达到10W，可以利用需要高效的采暖设施进行辅助加热，如冷凝式锅炉、木屑燃烧锅炉、带热泵和储热罐的通风供暖和热水成套设备。

②利用可再生能源的采暖系统

可再生能源采暖系统包括太阳能采暖系统和浅层地能热泵采暖系统。欧洲很多采用地源热泵技术辅助太阳能系统为低能耗建筑供热或被动房辅助供热。地源热泵的末端采暖系统通常是辐射式采暖系统如地板辐射采暖系统或楼板埋管系统。

4、制冷与除湿技术与设备

(1) 被动式制冷的方式是夜间通风制冷。建筑构件能够将日间产生的绝大部分热量储存起来。夜晚打开通风口，利用夜间通风将建筑构件内存储的热量释放到空气中，从而实现建筑物的被动式制冷。

(2) 主动式制冷

①混凝土楼板辐射制冷

它是利用建筑物中具有储存能量能力的建筑构件，如混凝土楼板和实心墙将热量暂时储存起来，利用混凝土面积大和热惰性，一段时间后将热量释放出来的制冷方式。发挥建筑物构件制冷作用的是混凝土埋管系统，把管道埋入混凝土楼板里，管道里注入冷水对建筑构件进行冷却或疏导热能(图5)。采用建筑物构件制冷的前提是建筑要有良好的保温隔热性能。 混凝土埋管也可以采用半预制混凝土的施工方式。把塑料管道实现埋设在预制的混凝土中。这种工业化的预制可以不受天气的影响。

②冷吊顶制冷

冷吊顶式在顶棚中安置冷水管以达到冷却的作用。剩余面积可以做一般吊顶或者保持它的毛坯状态，表面做粉饰。冷吊顶通风分为以下几种系统：抹灰冷吊顶、石膏板冷吊顶和封闭和敞开式金属冷吊顶。

③吸附式空调

该系统是在新风设备中通过蒸发式制冷的方式对空气进行冷却。其原理是在通风设备中加入空气加湿器，通过加湿排风气流，蒸发带走热量的方式冷却排风，然后利用高效热回收装置进行热交换，冷却进风，从而达到空调的效果（图7）。吸附式空调可以利用太阳能来驱动。

5、遮阳技术

欧洲被动式-低能耗建筑通过合理选择建筑朝向，处理好建筑立面，进行被动式的遮阳或自遮阳。如通过建筑构件本身，特别是窗户部分的缩紧形成阴影区，形成自遮阳；或是利用建筑互相造影形成建筑互遮阳。

建筑外遮阳可以是固定的建筑遮阳结构，如遮阳板、屋檐等；也可以是活动式的，如百叶、活动挡板等。除了外遮阳，还有导光遮阳系统和可切换式玻璃同样能优化利用日光和降低制冷负荷。

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