低能耗房屋的前世今生—回顾历史过往中的被动房发展

图1 挪威Wessels-Hus项目 保温厚度200~300mm

被动房：被发现而非被发明

被动式房屋通常被理解为一种节能、舒适、经济实惠的建筑形式。人们给它的定义如下:

“被动式房屋建筑的热舒适性目标(ISO 7730)可以仅通过对新鲜空气进行后加热(postheating )或后冷却(postcooling)来实现，而不需要进行额外的空气循环，正如室内空气质量标准(DIN 1946- Ventilation and air conditioning)所要求的那样。”

从这个定义可以清楚地看出，被动式住宅实质上只是一个基本理念，甚至没有规定实现其功能目标的技术指标。并且，被动房是一个经过长期实践验证的、真实的建筑理念，最初是从某些特定的低能耗建筑演变而来，从而在建筑探索的过程中逐渐被发现。历史上看，任何人、任何地方都可以应用。现在我们来看看被动房理念可以追溯的历史，也许会对我们提出更好的方案有所启发。

在世界上许多气候地区，如果建筑建造合理，就不需要供暖，也不需要进行主动制冷降温。伊朗的一些地区、葡萄牙海岸、中国的一部分地区，“被动式房屋”早已存在。 Bo Adamson(1990)是第一个将此类房屋分类定为“被动房屋”的人；是否有可能将这种建造技术手段应用在欧洲，这一问题催生了“被动房”的研究及后续项目。

图2-中国南方的传统建筑。在这种气候下，房屋需要的是保持凉爽而不是取暖；

在中世纪的冰岛，因为木材变得稀缺，冰岛人开始建造草皮房屋。尽管当时的房屋没有足够的洞口来保证采光与通风，但这些仍然可以称为“被动房”。

历史背景知识：

冰岛木材危机:在17、18世纪的欧洲，由于大量砍伐森林造成木材短缺。随着煤炭开采的发现，让木材短缺这一问题得以解决。然而，这在冰岛是不可能的。强大的需求驱动下，冰岛的居民很快就发现保温隔热良好的房子可以让他们在低温环境下保持温暖的居住体验；

图3-冰岛的传统草皮房屋；

回顾历史：被动房的前世今生

1.1 水上被动房屋

第一个完全功能的被动式房屋实际上并不是陆地上的房屋，而是1893年一艘代号为Fridtjof Nansen’s Fram的极地船（polar ship）。

根据极地船相关的记载：船的两侧铺满了柏油毡（tarred felt），然后是一块软木垫层（cork padding），接着是一层镶板（panelling）及厚毡（thick felt），一层气密性油毡(air-tight linoleum)，最后是内部镶板(inner panelling)。客舱的天花板的总厚度竟然达到约15英寸。暴露在寒冷中的天窗由三层玻璃保护。该船天然成为了一个舒适的住所。无论温度计显示船外温度在摄氏22度还是摄氏零下22度，炉子里都不用生火取暖。船舱的通风很好，特别是在撑起风帆之后，尽管通风器可以把冬天的冷空气送入，只要点燃一盏油灯，在船舱内依然可以保持暖和而舒适：火炉子实际上成为了船舱内的摆设。

图4-Fridtjof Nansen极地船,代号为 “Fram”,是一间水上的被动房屋 (1893)

1.2 丹麦DTH零能源住宅

由VagnKorsgaard教授(Kopenhagen, 1973)设计的“DTH零能源住宅”也是一个被动房。在丹麦科技大学（Technical University of Denmark），在进行了系统模拟，设计优化之后，第一座零能耗房屋便建造成功了，据了解这座建筑后来被用作大学的招待所，然而主动式太阳能利用技术（active solar technology）在出现缺陷后没有得到校方的更新与维护，因此，该“零能耗住宅”的目标最终没有达成，降级后成为了“低能耗住宅”。

图5-坐落在大学校园中的 DTH 零能源住宅，Kopenhagen；

1.3 德国The Philips被动房实验房屋

与北欧和美国的发展类似，德国对节能建筑的系统研究由Horst Horster博士(研究组组长)、Bernd Steinmuller博士(建筑模型和模拟)等在德国联邦研究部的资助下展开。建于1974/75德国亚琛的“超隔热保温”实验房屋（super-insulated experimental house） ,配备了地热交换器、通风控制,太阳能和热泵技术，以及用作测试和校准实验室计算机模型的一台。该电脑用于分析能耗概率和可再生能源的使用情况。研究结果表明，相比仅采用被动节能措施的欧美做法，该房屋的节能潜力可达10 – 20倍之多，从而证明了此种“主动分析控制”的节能措施是节能建筑进步具有重要意义。

图6-德国The Philips被动房实验房屋

1.4 北美被动房住宅先驱

在70年代和80年代的北美，开发出的一系列“超隔热保温”房屋（super-insulated house）都非常接近被动式房屋住宅。William A. Shurcliff(1981)在这个课题上发表了许多著作。早期的例子之一是“Sasketchewan Conservation House”，这是一座仍在使用的建筑，展示了超保温的带来的优点，这项工作是欧洲低能耗住宅和被动式住宅的重要基础。

图7-“超隔热保温”房实例，美国

1.5 落基山巅的被动房挑战

想象一下建造在2164米海拔高度上的被动房。艾默里?洛文斯(Amory Lovins)因发表了有关替代能源的著作而闻名，他进一步依照这一理论，在科罗拉多州海拔2164米的老斯诺马斯（Old Snowmass）建造了一所隔热保温性能极佳的太阳能被动式房屋。在冬季，房屋内花园中的热带植被繁茂，炉子极少使用。

这些成功经验给被动式房屋的研究提供了保证和信心。1995年，Lovins提出，被动房不应该仅仅作为一个研究项目，而应该作为未来的能源标准。2011年，在国际被动式住宅会议上，该建筑被授予“被动式住宅先锋奖（Passive House Pioneer Award）”。

图8-落基山巅的被动房挑战 by A. and H. Lovins.

1.6 德国汉诺威的零能源房屋

由Erhard Wiers-Keiser和“生态未来最低能源和零能源房屋工作坊（Ecological Future Workshop for Minimum-energy and Zero-energy Houses e.V.）”实施的“零能源房屋（zero-energy house，1989）”项目，在前期的计算中显示其需求值比被动房更小，然而其实际市场需求比被动房更高。原因在于，零能源房屋对于气密性有所降低，包括内侧隔热层（insulation shutters）和太阳能存储技术。10立方米/年的太阳能蓄水池后来被拆除，为后来的一侧扩建腾出空间，但房屋整体仍然像以前一样用作“准被动的房子”。

图9-坐落在德国汉诺威的“零能源房屋（The “Zero-energy house）

1.7 瑞典超低能耗房屋 Super-low-energy houses by Hans Eek

瑞典为“低能耗住宅”的成功铺平了道路。在使用复杂而不可靠技术的实践中，他们认识到应该去努力的正确方向:高密封性且保温隔热性能良好的窗户，还有可靠的通风设备。Hans Eek是瑞典超低能耗房屋领域的先锋，他的建筑研究收到“技术圣诞树（technological christmas tree）”的启发，并聚焦在“超低能耗住宅到被动式住宅”。在下画中，可以看到德国瑞典式Ingolstadt-Halmstad项目的排屋：并非完全的被动房屋，但离被动房屋仅有一步之遥。

图10-Ingolstadt-Halmstadt项目: 超低能耗房屋(30 kWh/(m2a) heating demand), 建筑师 Hans Eek (1985)

发现与思考

早期低能耗房屋的突出问题：

1 由于对永久气密性的重要性缺乏足够认识，这方面的认识在不断尝试的过程中渐渐清晰。

2 对于高校隔热保温窗户，缺乏良好的解决方案。因此，在很多过往的尝试中主要依靠复杂技术（“technological christmas trees”）的使用。窗户通常被设计得很小，或者采用非永久隔热材料（temporary insulation）进行覆盖，以上是为什么这些方法没有被广泛接受的原因之一。

3 所采用的节能技术缺乏可靠性。在许多项目中，其效果是:复杂的技术要么不起作用，要么无法持久。

回顾过去总是很有趣。然而，我们明白当今世界所处的条件已经与以前完全不同：当时的地球上根本没有现在这么多的人口，并且以前人类的行为对自然的影响也远没有现在那么大。因此，回顾过去可能会有一些有趣的想法，但过去永远不可能成为所有的指导原则。建筑是不停进步的科技，从来就没有“黄金时代”。所以，我们应该向前看并不断地研究和开发更好的解决方案。这可能是对被动房历史回顾的最有价值的发现。值得注意的是，与前述的历史相反，当今被动房的设计与建造已经变得越来越普及。原因在于：

第一个最重要的原因:我们已经掌握到真正舒适并节能的建筑的性能特征。为了能够设计这样的建筑，就必须在建造之前预先计算性能，其中包括热力学舒适性(冬季和夏季)、室内空气质量和能源消耗。计算这些性能特征的可靠工具已经很普遍，并能为所有专业人员所用。因此，通风系统的设计、保温层的优化、如何避免热桥以及如何保证良好的室内舒适度等所有重要问题都可以得到解决。这是第一个也是最重要的原因，

第二个原因是有合适的产品和关于这些产品性能的可靠数据。在被动式住宅被开发之前，市场上还没有U值低于0.85 W/(m2K)的窗户，而现在，高质量认证窗户的生产商已经不计其数。在被动式房屋开发之前，还没有可靠的热回收率高于80%的空气热回收系统（air-to-air heat recovery systems），而目前市场上有百多种产品可以满足不同国家的设计目标。这些产品的本身性能至少比以前的标准有全面的超越，再加上来自组件认证的可靠数据，为真正节能建筑的成功设计奠定了基础。

加之对于建筑墙体改革与墙体节能技术的研究和应用也越来越成熟。在围护结构中，三明治夹芯保温墙板，一种由混凝土内外页，刚性保温材料中间层，以及内外页剪力连接件构成的外墙板，越来越被广泛应用于超低能耗建筑的外表皮。在北欧极寒地区的超低能耗项目，或在中东湿热地区的绿色建筑中，预制混凝土夹芯保温墙体都有诸多成功应用。

图11- 三明治夹芯保温墙板

图12- 配合使用桁架式连接技术的三明治保温墙板

预制保温墙混凝土夹芯保温墙能够有效地将结构性能，热力学保温属性，以及建筑装饰结合在单块墙板中，这些优势使得其在工程应用中受到颇多青睐，并逐渐发展为建筑墙体的主流形式。设计夹芯保温墙体时，连接件是关键部件之一，通常将连接件设置在内外页墙板之间，在结构上连接各墙板和保温层，并且承受两片混凝土墙板之间的剪力。此外，剪力连接件自身性能与布置还能直接影响到整个夹芯保温墙的热力学性能。值得一提的是，对于保温材料厚度超过200mm的保温墙板，配合使用桁架式剪力连接技术可以实现超低能耗建筑/被动房的热工要求。

毛雨桥Joey Mao

佩克中国研发工程师，美国注册专业土木工程师

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