超低能耗绿色建筑技术辨析

刘月莉 郭成林 / LIU Yueli, GUO Chenglin

超低能耗绿色建筑技术辨析

刘月莉 郭成林 / LIU Yueli, GUO Chenglin

本文针对超低能耗绿色建筑技术的特点，进行了被动式建筑和主动式建筑的技术差异性研究，以得到在工程实践中被证实适用的创新节能技术。同时，对社会普遍关注的节能技术进行分析和评价，着重探讨绿色建筑技术在不同气候区的使用情况，以期促进超低能耗绿色建筑技术的推广。

超低能耗绿色建筑技术 被动式建筑 主动式建筑

引言

煤、石油、天然气等传统能源的使用，对人类的生存环境产生了极为恶劣的影响，全球气候变化成为当今人类所面临的极为严峻的环境挑战。目前，世界能源日趋紧张，建筑能耗已经占全球总能耗的30%～40%，人类也正在承受着环境破坏带来的恶果。

当人们认识到过度使用化石能源对环境产生的严重恶劣影响后，采取了积极主动的措施，努力开发地热能、风能和太阳能等可再生能源，同时关注各种环境保护技术。随着国际上建筑节能技术的进步，建筑成为节能减排、应对气候变化最重要的领域之一。由于低碳发展理念的深入人心，世界各国节能、环保意识的逐渐提高，节能建筑、生态建筑、绿色建筑和低碳建筑等概念被逐步提出，实现超低能耗建筑乃至零能耗建筑的技术途径正在积极探索中。

欧盟各国、北美、日本和韩国等发达国家都相继制定了从节能建筑、超低能耗建筑、近零能耗建筑到零能耗建筑的节能路线图（表1）。例如，2010年修订的欧盟《建筑能效指令》（Energy Performance of Building Directive，EPBD）中提出，到2020年欧盟国家所有新建建筑都必须达到近零能耗水平；美国在2009年10月签署的第13514号总统行政令中提出，到2015年所有的新建建筑和大型公共建筑改造项目以及15%的既有建筑，均要达到高效、可持续建筑导则的规定，并要求自2020年开始新建项目采用“零碳建筑”设计，到2030年将全面实施。

表1 欧盟各国及美国建筑节能发展目标

可以看出，虽然各个国家关于零能耗建筑的定义、政策和推广方式不尽相同，但是主要发达国家政府均相继制定了迈向零能耗建筑的发展目标，都在寻找适合本国的零能耗建筑发展的技术体系和优化路径。

1 超低能耗绿色建筑

1.1 超低能耗建筑的定义

一般而言，超低能耗绿色建筑（以下简称“超低能耗建筑”）是指适应气候特征和自然条件，通过热工性能优良的围护结构，采用高效通风热回收技术，最大程度地降低建筑物供暖供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗，为使用者提供舒适的室内环境并能满足绿色建筑基本要求的建筑。

1.2 超低能耗建筑技术的分类

根据是否依赖制冷、供暖系统等设备保持舒适的室内环境，实现为建筑提供采暖、空调和通风等舒适环境控制技术，超低能耗建筑可分为被动式超低能耗建筑（以下简称“被动式建筑”）和主动式超低能耗建筑（以下简称“主动式建筑”）两种，超低能耗建筑技术包含被动式建筑技术和主动式建筑技术。

被动式建筑节能技术是指，在建筑规划设计中通过对建筑朝向的合理布置、遮阳的设置、建筑热工技术、有利于自然通风的建筑开口设计以及热回收装置等，实现建筑采暖、空调、通风等能耗的降低。

主动式建筑节能技术是指，通过设备系统的科学运行，为建筑提供采暖、空调和通风等舒适环境控制的建筑工程技术，是通过高性能的建筑围护结构、优化的设备系统设计、高效能的设备选用的有机集成来实现建筑节能的技术。

2 超低能耗建筑的发展

2.1 被动式建筑

2.1.1 被动式建筑定义

被动式建筑的概念是在1980年代德国低能耗建筑的基础上形成的。1988年，瑞典隆德大学的阿达姆森教授（Bo Adamson）和德国的沃尔夫冈 · 法伊斯特博士（Wolfgang Feist）首先提出了被动式建筑的概念，并将其定义为：不需要设置传统的采暖和空调系统，就能够实现冬季和夏季室内物理环境均舒适的建筑物。该类建筑最大的特点是通过被动式设计和精细化施工以及科学的运行管理，实现建筑物冬、夏季对采暖和空调用能需求的最小化。被动式建筑通常被称为被动房。

2.1.2 被动式建筑的发展历程

1991年，法伊斯特博士在德国的达姆施塔特市克兰尼斯坦区（Darmstadt-Kranichstein）建造了世界上第一座被动式建筑。该建筑为白色、近似正方体的3层住宅楼，在投入使用之后的20多年里，一直在10kWh/（m2·a）的超低采暖能耗状况下运行，节能效果显著；1996年，法伊斯特博士组建了德国被动房研究所（Passive House Institute，PHI）。

之后，世界上最大的被动式办公建筑Energon在德国的乌尔姆落成，其建安费用略高于普通办公楼，实际能耗仅为70kWh/（m2·a）；2006年，美国明尼苏达州建成了北美第一个获得认证的被动式建筑“Waldsee Biohaus”。目前，在德国、奥地利、瑞士和意大利等欧洲国家投入使用的被动式建筑已有3万余座。

根据德国被动房研究所的要求，被动式建筑必须要满足全年的能耗、气密性和基本能源需求等方面规定的技术指标。

由于被动式建筑节能技术的研究与实践始于德国，目前在欧洲采用的技术措施多基于德国的气候条件，均是针对提高建筑围护结构的保温性能和建筑物的气密性能，以尽可能降低冬季采暖的能耗。最初，获得德国被动房认证的条件是：建筑采暖能耗≤15kWh/（m2·a），冬季采暖热负荷≤10W/m2，建筑总能耗≤120kWh/（m²·a）；外窗传热系数≤0.8W/（m2·K），外墙传热系数≤0.15W/（m2·K）并进行消除热桥设计，建筑物气密性能N50≤0.6次，排风系统采用高效率的热回收装置。

目前，被动式建筑标准仅是科技研究人员达成的共识，尚未上升到某一国家的标准或国际标准层面。

2.2 主动式建筑

2.2.1 主动式建筑理念

主动式建筑（Active House）理念于2010年由丹麦威卢克斯集团（VELUX）主导提出，它倡导未来建筑应该实现室内环境质量良好，居住舒适，感官优美，具备充足的天然采光和清新的空气，实现能耗效率与最佳室内环境之间的均衡，对环境和资源产生最小的影响，避免生态破坏，同时充分利用可再生能源，实现零碳排放。

在这一理念的指导下，建筑将自主产能，以可持续发展的形式利用资源，有效改善人们的健康水平和居住舒适度。

它将有效地沟通人类与生存环境的关系，促进未来技术与普通生活常识之间的良性互动。

2.2.2 主动式建筑的发展历程

2005～2008年期间，为主动式建筑理念的探索阶段。作为该理念的提出者，威卢克斯集团一直身体力行地不断探索，努力打造能耗、室内环境质量和环境资源均衡的建筑。

2009～2013年期间，主动式建筑理念进入向建筑实践发展的阶段。2010年6月25日，丹麦、英国、法国、德国、瑞士、荷兰、俄罗斯和波兰等国家的40余位建筑行业和建筑研究机构的代表汇聚于哥本哈根，组建了“Active House联盟”，提出了一种应对能源和气候挑战的前瞻性理念——“主动式建筑”，即建筑开发应重视低能源消耗，室内环境健康舒适，适应具体建筑特性并实现与地区气候条件之间的良性互动。截至2016年6月，威卢克斯集团在14个国家推动完成了既保证建筑品质的持续提高、维持高水平生活质量，又能降低能耗和CO2排放水平的26个主动式建筑。例如，2011年在俄罗斯莫斯科市郊区设计并已竣工的一幢木结构的主动式住宅（图1），该建筑所需能源主要是太阳能，其总能耗为110kWh/（m2·a），约为俄罗斯建筑平均能耗的1/7～1/8。

2011年4月14日，在布鲁塞尔举办的联合国可持续建筑联盟会议上通过了《Active House可持续建筑国际准则》。

2014年～2017年，将是主动式建筑实践与推广的重要时期。

3 超低能耗建筑在中国

3.1 我国建筑节能的发展

从1980年代中期开始，我国的建筑节能工作经历了快速发展阶段，建筑节能、绿色建筑、低能耗乃至超低能耗建筑的技术研究和推广受到了广泛关注。

自2005年3月22日，我国首座超低能耗建筑示范楼在清华大学竣工剪彩后，上海市建筑科学研究院莘庄综合楼和深圳市建筑科学研究院有限公司办公楼等建筑相继落成（图2、3），实现了“可持续发展能力不断增强，生态环境得到改善，资源利用效率显著提高，促进人与自然的和谐，推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路”的绿色建筑目标。

近年来，在研究、实践中学习和吸取国外先进国家建筑节能成功经验的基础上，结合国情，考虑不同地区的气候特点及对采暖、空调和通风的要求，我国开展了建筑节能技术的深入研究，取得了大量的科研成果。

图1 俄罗斯莫斯科市郊外木结构主动式住宅（来源：VELUX）

图2 上海建科院莘庄综合楼（来源：生态城市与绿色建筑，2011）

图3 深圳建科院办公楼（来源：深圳建科院）

3.2 超低能耗建筑的中国历程

1986年，城乡建设环境保护部与瑞典建筑研究委员会签订了中瑞（典）科技合作协议《利用被动太阳能技术开展“节能住宅”设计技术研究》，首次引进了被动式建筑的概念。1990年代至2006年，为我国建筑节能快速发展阶段，全国各气候区的建筑节能设计标准逐步编制完成，建筑节能要求不断提高。2010年开始，住房和城乡建设部和德国交通、建设和城市发展部共同签署了《关于建筑节能与低碳生态城市建设技术合作谅解备忘录》，进一步推动了被动式建筑在我国的发展，为迈向更高标准的建筑节能阶段做准备。

为了贯彻落实党中央、国务院推进生态文明和新型城镇化建设的战略部署，进一步提高建筑节能与绿色建筑发展水平，促进被动式建筑技术的合理应用，提高能效，推动建筑行业健康快速发展，指导和规范不同气候区超低能耗建筑的规划设计、建设和运行管理，住房和城乡建设部组织相关单位制定了《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》（以下简称《导则》），并于2015年11月发布。《导则》结合我国已有工程实践，借鉴国外被动式建筑的经验，明确了我国超低能耗建筑的定义、不同气候区的技术指标及设计、施工、运行和评价的技术要点，并建立了我国超低能耗建筑评价和认证体系。《导则》编制以健康、节能作为基本原则，充分考虑我国的地域、建筑和用能特点，对建筑规划设计、建造、评价、运营进行全过程控制，以能耗指标作为超低能耗建筑的唯一衡量标准。超低能耗建筑技术指标包括能耗指标、气密性指标及室内环境参数，《导则》为我国超低能耗建筑的建设提供科学有力的技术支撑。

在各级政府相关主管部门的推动下，广大科技人员和房地产企业等积极努力，截至目前，继秦皇岛“在水一方”住宅小区、CABR（China Academy of Building Research，中国建筑科学研究院）被动式近零能耗办公楼、长兴“朗诗布鲁克”、乌鲁木齐“幸福堡”、哈尔滨“辰能 · 溪树庭院”、河北建筑科技研发中心研发楼、河北被动式门窗博物馆、中新天津生态城公屋展示中心等项目之后，山东青岛中德生态园“被动房技术体验中心”投入使用，国内已有近20个被动式建筑落成使用（图4）。另外，秦皇岛“在水一方”小学、哈尔滨“辰能 ·溪树庭院”写字楼和哈尔滨森鹰被动式工厂等被动式建筑正在建设中。

2013年5月，威卢克斯（中国）总部办公楼在河北省廊坊市落成使用（图5）。该办公楼为自2009年以来，威卢克斯集团在全球14个国家开发的26个主动式建筑之一。它具有简约的斯堪的纳维亚设计风格，建筑立面梯形设计，建筑立面、屋顶及地下空间由296樘威卢克斯窗组成多条采光带，窗上设有室外遮阳帘、内置复合式遮光帘和全遮光帘，并可根据室内温度及光照的要求自动控制，起到避免眩光和隔热的作用。通过外窗与采暖、通风和空调系统技术的有机结合，创造出了舒适的室内物理环境。该建筑顺利运行至今，根据实时跟踪监测，其建筑能耗（包括采暖、空调和照明）为33kWh/（m2·a），为普通中小型公共建筑年平均能耗的1/5～1/4之间，建筑总能耗为53kWh/（m2·a）。

4 超低能耗建筑技术适宜性探讨

图4 中国的被动式建筑

4.1 超低能耗建筑的共同特征

4.1.1 建设目标

目前已建成的超低能耗建筑项目，相同之处是在建筑设计和建造过程中，都围绕以下目标进行。

（1）营造健康、舒适的室内环境。超低能耗建筑室内环境参数（温度、相对湿度、新风量等）应满足较高的舒适水平。

（2）建筑能耗达到较低的水平。与建筑物所在地的气候和自然条件相适应，实现的技术途径均包括尽可能提高建筑围护结构的保温隔热性能。

（3）充分利用太阳能、地热能和风能等可再生能源。

4.1.2 建筑特点

超低能耗建筑的共同特点是通过优化设计和精细化施工以及科学的运行管理，尽可能实现建筑物冬、夏季对采暖和空调用能需求的最小化。

4.2 被动式和主动式建筑技术的差异性

被动式和主动式建筑技术的差异性主要体现在两个方面。

一方面，被动式建筑技术以建筑能耗目标为导向，采用性能化设计方法，被动优先，主动优化，保证良好的室内环境并减少能源消耗。主要表现为：（1）不需要使用制冷、供暖设备，即能保持一个舒适的室内环境质量；（2）超低能耗，根据气候特征，最大限度地降低建筑物的热损失，欧洲认可的被动式建筑标准是采暖能耗≤15kWh/（m2·a），全部能耗（采暖、空调、生活热水、照明、家电等）≤120kWh/（m2·a）。

为了达到以上目标，必须满足的关键技术指标为：建筑围护结构的保温性能；建筑物整体气密性；建筑热回收通风系统。

另一方面，主动式建筑的愿景是在不对环境造成负面影响的前提下，为使用者创造出更加健康舒适的生活、工作的室内环境。主动式建筑技术的特征是充分考虑与自然和谐相处，有效地沟通人类与生存环境的关系，既要保证建筑室内环境的高品质，又要降低能源和资源消耗及CO2排放水平，保护环境。主要表现为：（1）健康、舒适的室内环境质量，包括热环境（温度）、光环境（可视性、天然采光、避免眩光）、声环境和室内空气质量（新鲜空气供应、避免结露和产生霉变）；（2）建筑自主产能，以可持续发展的形式利用资源，充分利用可再生能源，实现零碳排放。

为了达到以上目标，必须满足的关键要求是：在舒适、能源和环境3方面要实现日光、热环境、室内空气质量、能源需求、能源供给、能效、环境荷载、淡水消耗和可持续建筑9个参数的和谐均衡。

图5 威卢克斯（中国）总部办公楼（来源：生态城市与绿色建筑，2015）

4.3 超低能耗建筑围护结构热工性能分析

表2 被动式建筑和主动式建筑技术的不同要求

从超低能耗建筑技术的共同特征可知，围绕营造健康、舒适的室内环境质量和有效地降低建筑能耗的目标，尽可能地提高建筑围护结构的热工性能，是降低需求端能耗的有效措施，充分利用可再生能源也是行之有效的技术途径之一。

对两类技术进行对比发现（表2），被动式建筑技术是以建筑能耗目标为导向，采用性能化方法进行设计建造；主动式建筑技术是以建筑室内环境的高品质为前提，综合考虑能源和资源消耗水平进行设计建造。

可见，被动式建筑和主动式建筑技术最大的不同为是否采用制冷、供暖设备系统，其次是室内环境质量要求的差异，第三是建筑物整体气密性能指标的控制。

被动式建筑技术强调无热桥和气密性设计，规定了建筑物整体气密性能指标，大幅度地降低了建筑能耗。与一般建筑相比，N50≤0.6（1/h）的指标要求较高，包括建安成本的提高、施工过程的精细化管理等，其实现有一定的难度，但是对于以采暖需求能耗为主的建筑物来说，非常必要。同时，有学者对成都市被动式建筑技术适应性研究（冯雅，2016）结论也表明：因成都特殊的气候环境——夏季闷热潮湿、冬季阴冷少阳，导致该地区的建筑物既要考虑保温、隔热又要兼顾散热，对围护结构热工性能存在需求矛盾，因此，不能一味地追求过低的传热系数，要找到一个最适宜的平衡点；对于我国夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的超低能耗建筑而言，在黄梅季的室内环境质量方面，N50≤0.6（1/h）的要求同样存在技术和经济性是否合理的问题。因此，在这种气候条件下，超低能耗建筑技术的推广应用值得进一步探讨。

5 结语

我国地域广阔，各气候区气候差异大，平原和山区的气候差异也很大，即使是同一气候区的冷热负荷都有较大的差别，并且各地区的建筑特点以及人们的生活习惯存在很大不同，切忌盲目照搬德国、丹麦等欧洲发达国家的成功经验。根据PHI（Passive House Institute，德国被动房研究所）的理论体系，我国北方地区(严寒和寒冷地区)的建筑中可以取消供暖，但我国现有的被动式建筑示范工程尚无完全取消供暖的项目，其主要原因是建设和使用过程的不可控性，导致仍然有必要保留供暖设备。

超低能耗建筑不应是高新技术的简单“堆砌”，而应与自然和谐共生，充分考虑建筑物所在地区的气候和资源条件、建设规模、使用功能等因素，选用适宜的技术、低蕴能低成本的产品，进行绿色建筑技术的有机集成，从而推动超低能耗建筑的实践推广。应慎重筛选适宜的节能技术，通过合理的规划设计、精细化施工及科学的运行管理来探索夏热冬暖地区超低能耗建筑发展的技术途径。

[1] 张宏儒. 建筑，从“绿色”土壤中生长——上海市建筑科学研究院“莘庄综合楼”设计[J]. 生态城市与绿色建筑，2011（06）.

[2] 臧海燕, 赵金彦, 郭成林. 主动式低能耗建筑实践——威卢克斯（中国）办公楼[J]. 生态城市与绿色建筑，2015（20）.

[3] 冯雅. 夏热冬冷地区（成都）被动式建筑技术适应性研究初探[C]. 第十二届建筑物理学术会议论文集，2016.

2016-08-24

ANALYSIS OF ULTRA-LOW ENERGY CONSUMPTION OF GREEN BUILDING TECHNOLOGY

In order to obtain the innovative energy-saving technology which was been proven to be applicable in practice, this paper researches the difference in technology between Passive House and Active House according to the characteristics of technology of ultra-low energy consumption green building. Along the way, it analyzes and evaluates the energy-saving technology that attracts social universal attention. It fully discusses the application of green building technology in different climate zones as to promote its application.

Ultra-low Energy Consumption of Green Building Technology, Passive House, Active House

刘月莉，中国建筑科学研究院

郭成林，威卢克斯(中国)有限公司