在中国各气候区建被动房 Passive Houses in Chinese Climates 2016 年 4 月主编者 : 沃尔夫冈费斯特 (Wolfgang Feist), 被动房研究所及因斯布鲁克大学节能建筑组作者 : 尤尔根施尼德斯 (Jürgen Schnieders) 坦娅舒尔

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己礼宗
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1 在中国各气候区建被动房 Passive House Institute Dr. Wolfgang Feist Rheinstr Darmstadt Germany Passive House Institute Passive Houses in Chinese Climates Passive Houses in Chinese Climates

2 在中国各气候区建被动房 Passive Houses in Chinese Climates 2016 年 4 月主编者 : 沃尔夫冈费斯特 (Wolfgang Feist), 被动房研究所及因斯布鲁克大学节能建筑组作者 : 尤尔根施尼德斯 (Jürgen Schnieders) 坦娅舒尔茨 (Tanja Schulz) 沃尔夫冈费斯特 (Wolfgang Feist) 贝特霍尔德考夫曼 (Berthold Kaufmann) 盛巳宸 (Sichen Sheng ) 江慧君 (Huijun Jiang) 苏珊娜温克尔 (Susanne Winkel) 埃维莉娜布泰基特 (Evelina Buteikyte) 卡米西弗冷 (Camille Sifferlen) 译者 : 陈守恭 (Shou-Kong Chen) 被动房研究所德国达姆施塔特市 Passivhaus Institut Rheinstr. 44/ Darmstadt 本报告由被动房研究所先前的工作的基础上扩展而成, 特别是 [Feist 2011],[Feist 2013],[Feist 2015] ( 参见参考文献 ) 作者感谢下列单位的支持 : 维也纳 Schöberl & Pöll 有限公司, 德国联邦环境基金会, 圣戈班依索维尔 G+ H 公司, 圣戈班 CRIR

4 目录 1 概要 Executive Summary 简介被动房原理在中国建被动房本报告的目的选择的地点北京 : 首都上海 : 工业化的东部沿海成都 : 西部的大城昆明 : 春城广州 : 工业化的南部沿海琼海 : 热带地区哈尔滨 : 寒冷, 夏季潮湿乌鲁木齐 : 寒冷, 夏季干燥拉萨 : 晴朗山区一般性设计建议被动房基本原则经济的被动房适合中国每一气候区的被动房计算工具参考被动房说明气候数据舒适度要求对所有气候区的一般性发现概述 : 组件与建筑参数阳台通风系统采暖和制冷的分配厨房, 厨房通风与内部热负荷在 01 北京的参考被动房 : 寒冷气候特征参考被动房结果在 02 上海的参考被动房 : 夏热冬冷气候特征参考被动房结果在 03 成都的参考被动房 : 夏热冬冷气候特征参考被动房结果在 04 昆明的参考被动房 : 温和气候特征... 56

5 6.9.2 参考被动房结果在 05 广州的参考被动房 : 夏热冬暖气候特征参考被动房结果在 06 琼海的参考被动房 : 夏热冬暖气候特征参考被动房结果在 07 哈尔滨的参考被动房 : 严寒气候特征参考被动房结果在 08 乌鲁木齐的参考被动房 : 严寒气候特征参考被动房结果在 09 拉萨的参考被动房 : 寒冷气候特征参考被动房结果动态模拟和 PHPP 计算结果比较湿热问题寒冷气候被检查的墙体组成湿热分析结果与建议夏热冬冷气候被检查的墙体组成湿热分析结果与建议热带气候被检查的墙体组成湿热分析结果与建议结果一览表与建议用于中国市场的被动房组件墙, 屋面, 底板窗户通风设备集成空调系统参考文献附录 A 参考被动房资料 A.1 概述 A.2 建筑组件 A.2.1 不透明围护结构 A.2.2 室内建筑组件 A.2.3 窗户 A.3 通风

6 A.4 空调 A.4.1 通过送风进行空调 A.4.2 通过中央分体机进行空调 A.4.3 理想空调 A.5 内部热负荷与湿负荷 A.6 遮阳

7 缩略语 ACH DH DHW ERV HP HRV MVHR n 50 PHPP SDHW SHR 每小时换气率除湿生活热水能量回收通风系统 ( 全热交换新风系统 ) 一种机械通风系统, 热量和湿度都经过回风和新风之间传递热泵热回收 ( 显热交换 ) 通风系统 ( 热交换新风系统 ) 一种机械通风系统, 热量 ( 但不含湿度 ) 经过回风和新风之间传递带热回收的机械通风内部和外部压力差为 50 Pa 时, 由鼓风机门加压试验测得的换气率被动房规划设计软件包基于 Excel 的被动房设计工具, 包括采暖制冷除湿生活热水电力和机械设备的计算工具太阳能生活热水, 即 ( 部分 ) 热水由太阳能集热器提供 Sensible Heat Ratio, 显热比, 即显热制冷容量占总制冷容量 ( 显热加潜热 ) 的比例 SHR 可以指建筑物的需求, 或者指设备的容量. 空气体总焓变 Δh 和除湿量 Δx 的比率的单位为 kj/kg 类似于 SHR, 是显热和潜热制冷比率的一个量度

8 第 1 章 : 概要 1 概要被动房以极低的能耗和实惠的成本提供最佳可能的舒适室内环境这是解决建筑领域中气候保护任务的关键因此特别适用于拥有庞大人口基数和经济快速发展的中国目前在中国只有个别的被动房实例本研究报告为中国所有气候区提供了系统性的被动房设计基础结果显示, 被动房可以建造于中国的任何地方基于一个十层的住宅楼, 分别从覆盖中国的所有气候区的九个地点进行被动房原理的进一步细化与按现行标准建造的常规新建建筑相比, 参考被动房得到的结果是节省了 80%-90% 的采暖能源需求和约 50% 的制冷和除湿能源需求合适的窗户品质保温水平暖通设备和建筑组件结构类型取决于气候和建筑布局不过在所有的情况中, 用的都是相同的原理, 所得的结果都是按国际标准认同定义的被动房在寒冷和严寒气候区, 最重要的性能就是建筑必须拥有极好的保温传热系数 U- 值约为 0.1 W/(m²K), 非常好的气密性, 三玻 ( 甚至四玻或者真空 ) 低辐射玻璃, 以及高效热回收通风系统是必要的紧凑的热工围护结构和南向窗户是有利的为了提高冬季室内空气相对湿度, 可以使用能量回收通风系统 (ERV, 全热交换系统, 即同时回收热量和湿度的系统 ) 在这些气候区中, 要让建筑结构耐久干燥, 最重要的一点是在墙或者屋顶结构的内侧敷设隔汽层 ( 这可以同时就是气密层 ), 而在外侧则要考虑透气性外表面同时应该保护结构使其免受雨水的侵入, 例如使用不吸收雨水的涂料保温层应该敷设在外侧以保持结构温暖和干燥采暖可以通过多种不同方式实现传统的系统例如散热器或者地板采暖依然适用, 但是他们所需的设计负荷相比之下就要小得多被动房的采暖, 可以很简单地通过对送风加热就能实现送风是通风系统为了提供良好室内空气品质而输送的新鲜空气 ; 加热时有可能需要加入小量的室内循环风进行补充即使是在中国相对寒冷的气候区, 夏季也有持续数周之久的炎热天气高温可能会伴随着高湿度, 尤其是在东部区域在某些气候区, 例如北京, 为了高舒适度的夏季室内环境, 即使是在被动房中也需要主动制冷和除湿在经济上举足轻重的夏热冬冷区, 采暖和主动制冷都需要在冬季和夏季需要良好的保温, 但是相较于寒冷的气候区其保温程度相对低一些夏季在制冷需求峰值条件下, 室外的高湿度使得利用夜间通风不可行除湿所需能源可以通过使用合理可控的能量回收通风系统 ( 全热交换新风系统 ) 而显著减少冬季可以利用被动太阳能, 但在夏季需要有效的活动遮阳避免过热通过送风 ( 有可能需要补充 100%-200% 的循环风 ) 来实现温湿调节, 在这些地区尤其具有优势因为仅需要一个系统就能同时实现采暖制冷和除湿另外, 对于低温的送风, 必须要考虑到一些关于风管和风口的技术细节此外还有一种价格低廉并且方便易得的替代方案, 即在每套住宅的中央房间安装单个传统的小型分体式空调机组这种方案要求房间门在一天当中敞开一段时间这种方式的热舒适性比送风制冷就只是稍微差一点在潮湿的夏季, 需要特别注意除湿是否足够 ; 为了获得最佳的舒适度和节能, 湿度应该和温度分开控制在这些气候区, 建筑外部结构组件实现彻底湿平衡尤具挑战性, 因为湿传递方向在整年中会发生改变建筑外墙和屋面的结构就需要特别慎重地考虑用 EPS 作为外保温时, 通常不会有问题但对于用矿物棉作为保温的结构, 外部抹灰的性能十分重要, 例如很低的水蒸气扩散阻力和很低的吸水性在受热带气候影响的夏热冬暖区, 对阳光的控制是最重要的因素窗户应该用高选择性遮阳型玻璃, 并以固定遮阳装置避免太阳直射, 不过活动

9 第 1 章 : 概要遮阳也是可以使用的外墙和屋面可以通过保温层降低太阳负荷 ; 或者使用高红外反射率隔热涂料也是有效的方法, 尤其对于屋面除湿需求甚至可以比显热制冷需求还高气密的围护结构保护着建筑内部免受室外高湿度的影响能量回收通风系统 ( 全热交换新风系统 ) 可提供更进一步的保障在这一类型的气候区中, 耐久干燥的墙和屋顶结构需要吸水率特别低但能透气的外表面大部分的结构类型在这个前提下都能运行得很好 ; 外保温如果采用透水蒸气的材料, 例如矿物棉, 则需要特别注意湿度在温暖气候区的制冷设备使用和夏热冬冷地区相同的原则在中国南方温和的山地气候区, 阳光充足, 气候温和, 有许多不同的被动房设计方案可以选择在这个气候区, 甚至可以建造既不需机械通风也不需三玻玻璃的被动房通过研究结果也证实了, 被动房规划设计软件包 (PHPP) 是适用于所有中国气候区的设计软件如果从设计一开始就将 PHPP 计算融入成为设计过程的一部分, 那么可以实现集舒适节能和经济为一体的被动房对应于被动房提供的高效节能, 相应的理想组件产品如今还没有广泛的供应本研究报告包含了关于如何通过合适的新型组件来改善能效和建造成本的建议

10 第 2 章 : Executive Summary 2 Executive Summary Passive Houses provide the best possible indoor climate with a very low energy consumption at affordable cost. They are the key to solving the task of climate protection in the field of buildings. This makes them particularly suited to China with its huge population and its strong economic growth. Currently there are only individual examples for Passive Houses in China. The present study systematically provides the basis for Passive House design in all Chinese climate zones. It shows that Passive Houses can be built everywhere in China. Starting from the geometry of a ten-storey residential high-rise, Passive House principles are developed for nine locations, covering all Chinese climate zones. Compared to conventional new buildings built according to the current code requirements, the resulting reference Passive Houses save 80 to 90% of heating energy and approximately 50% of energy for cooling and dehumidification. Appropriate window qualities, insulation levels, mechanical services, and building element construction types depend on the climate and the building layout. In all cases, however, the same principles are applied, and in all cases the result is a Passive House according to the internationally valid definition. The most important feature in the Cold and Very Cold climate zones is excellent thermal protection. U-values around 0.1 W/(m²K), very good airtightness, triple (or even quadruple or vacuum) low-e glazing, and a highly efficient ventilation heat recovery are essential. A compact thermal envelope and south oriented windows are advantageous. To increase the indoor relative humidity in winter, energy recovery ventilators (ERV, i.e. systems that recover heat and humidity) can be used. For durable, dry construction types in these climates the most important point is to install a vapour retarder which may be identical with the airtight layer on the interior side of the wall or roof construction, whereas the exterior side allows for vapour diffusion. The exterior surface should simultaneously protect the construction from driving rain, e.g. by a paint that does not absorb rainwater. The insulation should be placed on the exterior in order to keep the construction warm and dry. Heating can be provided in many different ways. Conventional systems such as radiators or floor heating are still suitable, but they require much smaller design loads. It is also possible to heat Passive Houses simply by heating the supply air that the ventilation system provides for good indoor air quality, possibly supplemented by a small amount of recirculated air. Even in the colder climates of China the weather may become uncomfortably warm during some weeks in summer. High temperatures may be accompanied, particularly in the eastern parts of the country, by high humidity. In climates like Beijing active cooling and dehumidification are required for high summer comfort, even in a Passive House. In the economically important Hot Summer Cold Winter region both heating and active cooling will be needed. Good thermal protection is necessary for winter and summer, but to a lesser extent than in the cold climates. The high outdoor humidity in summer rules out concepts with night ventilation under peak cooling conditions. The energy required for dehumidification can be reduced considerably by means of a properly controlled ERV. Passive solar energy can be used in winter but requires effective, movable blinds in summer. Space conditioning via the supply air, possibly supplemented by 100 to 200 % recirculated air, is particularly attractive in these regions because it can provide heating, cooling, and dehumidification with one system. Some technical details concerning ducts and vents for the cold supply air must be considered here. An alternative, very cheap and easily available

11 第 2 章 : Executive Summary solution is a single conventional minisplit per dwelling unit that is placed in a central room. This strategy requires interior doors to be kept open during a part of the day. Then, the resulting thermal comfort is only slightly worse than with supply air cooling. Sufficient dehumidification in the humid summers deserves special attention; for optimum comfort and energy efficiency the humidity should be controlled separately from the temperature. Providing a sound moisture balance of the exterior building elements is particularly challenging in these climates because the direction of moisture transfer changes during the course of the year. The construction of the walls and roof needs careful consideration. Exterior insulation with EPS is usually not critical. For constructions with an insulation made from mineral wool the properties of the exterior plaster, e.g. a low resistance to vapour diffusion and a low water absorption, are important. For the tropically influenced climates of the Hot Summer Warm Winter region solar control is the most important factor. Windows should be protected from direct solar radiation by fixed shading devices and have highly selective solar protective glazings but movable solar protection is also possible. Walls and roofs can be protected from solar loads by insulation; cool colours are an interesting alternative particularly in the roof. Cooling devices in the warm climates use the same principles as in the Hot Summer Cold Winter region. The Temperate mountain climates in the south of China, with their sunny and mild conditions, allow for many different Passive House solutions. Here, it is even possible to build Passive Houses with neither mechanical ventilation nor triple glazing. The report confirms that the Passive House Planning Package (PHPP) is an appropriate design tool in all Chinese climates. If a PHPP calculation is an integral part of the design process from the start, it is possible to realize Passive Houses that are comfortable, energy-efficient, and economical. For the high level of efficiency that Passive Houses provide, components are preferable that are not available in a large range of products today. The present report contains suggestions on how efficiency and building cost can be improved by suitable new components. The dehumidification demand can be even higher than the sensible cooling demand. An airtight envelope protects the building s interior from high outdoor humidity. It is supported by an ERV in the ventilation system. Long-lasting, dry wall and roof constructions in this type of climate require particularly low water absorption coefficients of the exterior surfaces without compromising their vapour diffusion. Most construction types work well under this precondition; exterior insulation with vapourpermeable materials like mineral wool requires special attention to humidity

12 第 3 章 : 简介 3 简介 3.1 被动房原理 1990 年代初起源于德国的被动房概念, 已成功地传播到欧洲和欧洲以外地区它的目标是以合理的成本, 超低的能秏, 提供最佳的室内环境为达到这一目标, 被动房概念利用各种策略, 实现建筑物周围与内部的能量流动最小化专注于采用被动的方法, 如保温层高品质的窗户气密性太阳能控制, 以及热桥的规避名之为被动房, 就是强调以各方面的最佳整合为目标, 再根据当地气候使用其他低能秏的技术设备大多数情况下, 需要利用有热回收和 / 或湿度回收的通风系统此外, 大部分地区还需要采暖制冷和 / 或除湿系统其所需的设备容量通常非常低, 因而可以让创新的实惠的新概念得到应用例如, 为维持良好室内空气品质必须引入新风, 而只需对这必要的送风量加热或制冷就可以维持合宜的室内温度图 1 所示为第一座被动房, 作为研究项目建于德国达姆施塔特市的克朗尼希史太因 (Darmstadt Kranichstein) 下列能耗数据是在用户高度满意的舒适水平下测得的 ([1994 Feist]): 空间采暖需求 : 11.9 kwh/(m²a) 热水 : 6.1 kwh/(m²a) 烹饪燃气 : 2.6 kwh/(m²a) 总用电能耗, 包括所有家庭应用 : 11.2 kwh/(m²a) 应注意的是, 在本报告中, 所有数值按实际居住面积计算, 即在保温围护以内的所有房间的净建筑面积, 而内外墙或楼梯间覆盖的面积不含在内若是以能秏除以总建筑面积, 这些数字还要更低图 1: 第一座被动房, 1991 年建于德国达姆施塔特市的克朗尼希史太因摄于 2005 年 2 月平均而言, 被动房的实测能耗水平与 PHPP( 被动房规划软件包 ) 的预测值很接近如今, 被动房标准适用于全球所有气候区若要取得被动房研究所的认证, 在室内温度 20 C 的条件下采暖能耗不能超过 15 kwh/(m²a); 或者, 当采暖负荷不超过 10 W/m² 时同样可以得到认证在需要主动制冷的气候区, 对于制冷和除湿的能耗也有相应要求, 这些要求取决于气候条件此外, 还对包括辅助及家庭用电在内的一次能源消费总量也有要求, 其值不能超过 120 kwh/(m²a); 或者, 如果设计中有未来全部由可再生能源供给能量的方案, 则可再生一次能源 (Primary Energy Renewable) 能耗不超过 60 kwh/(m²a), 也可以满足要求对于建筑的气密性, 在 50 Pa 压差下每小时的换气率不能超过 0.6 有关认证的详情请见在中国建被动房中国的新建建筑数量高于世界上其他任何国家在未来十年里, 中国城市预计将为近二亿人口提供居住空间这巨大的新建建筑数量, 如果能做到不给全球气候带来额外负担, 则可以为提高能源效率经济利用资源, 以及不可回避的全球环境保护目标作出贡献

13 第 3 章 : 简介被动房是节能建筑的全球最高标准 2020 年起, 欧盟要求欧洲所有新建筑必须是近零能耗建筑 (NZEBs), 也就是被动房的水平提出这个要求最重要的原因就是, 被动房不需大费周折就可以完全只用可再生能源运行与中国实际标准建筑相比, 被动房可以节省采暖能秏 80% 至 90%, 节省制冷和除湿的能秏约 50% 还提供了许多其他好处: 极低的能耗成本极低的运行成本极低的维护成本连续供给的新风, 良好的室内空气品质 ( 经通风系统中的过滤器净化 ) 非常低的室内二氧化碳浓度过滤隔离污染灰尘花粉等无论冬夏, 经调控的舒适温度和湿度良好的隔音减噪干燥的室内表面, 防止霉菌生长所用的范例, 可作为在某一气候区设计被动房一个出发点应当注意的是, 没有固定的被动房参数组合相反的, 每个建筑物都是不同的, 需要逐个进行规划设计, 以及逐个对其性能进行优化这也正是 PHPP 软件的用处不过设定了典型参数, 制造商们就有了清晰的目标, 用以开发适用于各地区的被动房的新产品, 提供改良的组件中国已经迈出了往这个方向的第一步 3.3 本报告的目的本报告中, 在中国不同的气候区中挑选了九个典型地点 : 从严寒气候区占有重要经济地位的夏热冬冷气候区南部沿海的湿热气候区, 以及非常特殊的温和高海拔气候区以一个典型的高层住宅楼 ( 参见图 5, 图 6) 为计算模型, 说明那些可以简单而实惠地设计被动房的设计参数通过热工动态模拟, 发展出典型的被动房配置与此同时, 利用 PHPP 软件进行能量平衡计算再依此导出适用于中国各气候区的高层被动房建筑部件及组件的典型配置本报告借此展示 : 被动房确实可以在中国所有气候条件下实现应如何实现这个目标, 让所有人享受到被动房的好处 PHPP 软件适用于各种气候条件下的被动房设计

第 4 章 : 选择的地点 4 选择的地点中国有五个主要气候区, 如图 2 所示大多数陆地面积是寒冷或严寒地区, 那里的最低月平均温度低于 0 中国重要的地区夏季炎热( 而且潮湿 ), 但冬季仍需供暖在南方部分地区则为受热带影响的气候图 3: 本研究中选择的地点 4.

温和温暖炎热在一些气候区, 因为一些小的气候差异, 如干燥或潮湿的夏季高海拔和极端温度有必要在同一气候区内选择一个以上的地点进行探讨再将人口密度和建筑活动密度加入考虑, 选择了如图 3 所示的本报告的参考地点下节中总结了这些地点的主要特征进一步说明气候特征的图表请见 6.6 至 6.14 节 4.

14 第 4 章 : 选择的地点 4 选择的地点中国有五个主要气候区, 如图 2 所示大多数陆地面积是寒冷或严寒地区, 那里的最低月平均温度低于 0 中国重要的地区夏季炎热( 而且潮湿 ), 但冬季仍需供暖在南方部分地区则为受热带影响的气候图 3: 本研究中选择的地点北京 : 首都中国的首都, 位于北纬 40, 冬季寒冷干燥, 夏季温暖潮湿因此, 采暖和制冷都是必要的图 2: 中国五大气候区地图来源 :[GBPN 2012] 值得注意的是, 图 2 中的气候区, 与被动房研究所自主研发的全球气候特征归类十分一致气候区分配如下 : 中国气候分区严寒寒冷夏热冬冷温和夏热冬暖被动房研究所气候分区寒冷寒冷, 温和温暖, 温和温暖炎热在一些气候区, 因为一些小的气候差异, 如干燥或潮湿的夏季高海拔和极端温度有必要在同一气候区内选择一个以上的地点进行探讨再将人口密度和建筑活动密度加入考虑, 选择了如图 3 所示的本报告的参考地点下节中总结了这些地点的主要特征进一步说明气候特征的图表请见 6.6 至 6.14 节上海 : 工业化的东部沿海上海位于在经济实力强大的东海岸采暖仍有需要, 但温暖潮湿的夏季是一大挑战成都 : 西部的大城成都海拔 500 米以上, 是中国高度工业化的东部地区的最西端气候类似于 02 上海昆明 : 春城昆明气候非常温和月平均温度变化介于 9 至 20 之间北纬 25, 近 2000 米海拔, 全年太阳辐射充足广州 : 工业化的南部沿海广州是广东省会, 中国第三大城, 珠三角地区的代表属热带气候, 夏季炎热潮湿, 冬季温和干燥制冷除湿占主要地位

15 第 4 章 : 选择的地点琼海 : 热带地区琼海位于中国最南端的海南岛上夏季类似 05 广州, 冬季更温暖, 更潮湿同样, 这是制冷主导的气候区, 并需要大量的除湿哈尔滨 : 寒冷, 夏季潮湿哈尔滨地处严寒气候区每年有数月月平均温度低于 -10 由于海洋的影响, 夏季相当潮湿乌鲁木齐 : 寒冷, 夏季干燥乌鲁木齐属大陆性气候冬天寒冷类似 07 哈尔滨, 而整个夏季月平均气温上升到 20 以上半干旱气候, 湿度不是问题拉萨 : 晴朗山区拉萨海拔 3600 米, 北纬 30 冬季月平均温度低于 0, 结合高水平的太阳辐射夏季温和干燥

16 Passive House Institute Dr. Wolfgang Feist Rheinstr Darmstadt Germany Passive House Institute Passive Houses in Chinese Climates 被动房在中国气候带

Passive Houses in Chinese Climates April 2016 Publisher: Wolfgang Feist, Passive House Institute and University of Innsbruck, Unit for Energy Efficien

在中国各气候区建被动房 Passive House Institute Dr. Wolfgang Feist Rheinstr. 44-46 64283 Darmstadt Germany www.passivehouse.com Passive House Institute Passive Houses in Chinese Climates Passive Houses in Chinese

在中国各气候区建被动房 Passive Houses in Chinese Climates 2016 年 4 月 主编者 : 沃尔夫冈 费斯特 (Wolfgang Feist), 被动房研究所及因斯布鲁克大学节能建筑组 作者 : 尤尔根 施尼德斯 (Jürgen Schnieders) 坦娅 舒尔

在中国各气候区建被动房 Passive Houses in Chinese Climates 2016 年 4 月主编者 : 沃尔夫冈费斯特 (Wolfgang Feist), 被动房研究所及因斯布鲁克大学节能建筑组作者 : 尤尔根施尼德斯 (Jürgen Schnieders) 坦娅舒尔