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被動式建筑設計詳述

隨著對能源效率和氣候變化的認識提高,使建筑部門出現了新的發展,包括被動式房屋、低碳建筑,甚至零排放建筑的概念。低碳住宅和零排放建筑通過應用所有可用的綠色設計技術、戰略技術來實現它們的共同目標。由于這種廣泛的定義,只要通過安裝現場可再生能源技術,或簡單的進行外置零排放的能源,如水力發電、風力發電等的建筑都可以被認為是低碳或零排放建筑。


另一方面,被動式住宅的概念則集中在建筑的節能方面。被動式住宅以傳統被動式太陽能建筑設計原則為出發點,將其與氣密、絕緣良好的建筑圍護結構結合起來,形成極低能耗建筑。在德國,相對250kwh /平方米/年的平均公寓保暖耗能,被動房建筑采暖需求的目標是低至15kwh /平方米/年。被動式房屋協會將被動式房屋定義為“一個沒有暖氣和冷氣系統就能保持舒適室內氣候的建筑”。


一個典型的被動式房屋是一個具有良好絕緣和高度氣密性的建筑,有嚴格的設計和施工標準。它主要是靠被動太陽能和其它內部熱能保暖,并配備了一個供應恒定新鮮空氣的能量回收通風機。


  技術和操作必須解決的問題   
首先,被動房設計的選址和建筑物周圍環境要素的利用(如地形、太陽、風、雨、植被等),建筑內部的組織,最大限度地節約能源和提高室內環境質量。


此外,被動式房屋設計和技術必須解決以下問題:

  1. 優良的絕緣性:絕緣標準非常嚴格,以限制傳導和輻射引起的熱損失。
  2. 氣密結構:為了補充和不消耗絕緣性能,氣密結構需要限制通過室內和室外之間的直接氣流造成的熱損失。
  3. 熱回收通風:對于氣密結構,可操作的窗戶不常用,因為它們是熱損失的很大潛在因素。新鮮空氣從能量和熱回收通風機中進入,將外排空氣中的熱能轉移到新鮮的空氣中,使進入的空氣溫度接近室內空氣溫度。另外一個渠道是通過地下管道輸送進來的空氣,土壤溫度相對穩定,在冬天通常更溫暖,夏天更涼爽,有助于預熱/預冷進來的空氣。這個過程也被稱為地下熱能交換。隨后,預熱或預冷空氣將通過上述熱回收程序。

 

圖1:超級絕熱,氣密結構,通風與熱回收系統。


被動式房屋設計和技術最適合溫帶氣候條件,如歐洲和美國北部。雖然被動式房屋的概念已擴展到其他氣候區域,但氣密建筑和超絕熱的原理仍在爭論之中,特別是在氣候更暖地區。在溫和氣候環境地區(被動式住宅設計技術發源地)的實際應用參數中,討論以下應用需求。


為了實現其目標,被動式住宅必須首要部署所有的設計策略,以滿足氣候應對的設計原則。關鍵原則是:

  1. 良好的方位:對土地形態、太陽路徑和季節性盛行風向作出積極應對。
  2. 自遮陽設計:窗戶或玻璃區域暴露在炎熱的午后陽光下時,應該被建筑物的其它部分遮蔽,例如窗戶上面的陽臺、花壇、屋檐或遮陽裝置。
  3. 緊湊型:減少建筑圍護面積,從而減少熱量損失。
  4. 空間組織:在建筑西側設置不適合作息的區域,如儲藏室和浴室,作為額外的熱緩沖區;并將生活區朝南的玻璃和窗戶暴露在陽光下。


除此之外,為了達到被動房屋標準的一些應用:

  1. 絕緣:除了在建筑圍護結構提供足夠的絕緣,通過使用窗戶的三層玻璃系統,注重留意薄弱區域引起的熱橋現象,注意接合位的施工細節,包括樓板與墻之間,墻體和窗框,窗框本身,墻壁和天花板、屋頂建筑之間的接合位。
  2. 氣密結構:可操作的門窗應安裝細致的氣密結構,特別是門窗面板的邊緣。作為一個參考,這些密封接合位每小時漏氣量應小于房子體積的0.6倍。
  3. 空氣質量控制措施:由于是氣密建筑,室內空氣質量對居住者健康更為重要。因此,在設計和施工階段應采取空氣質量控制措施。這些措施包括,但不限于:選擇低揮發性有機化合物的建筑材料和粘合劑,并實施適當的驅除程序,新落成的建筑物已完全打開供空氣循環,以便在入住前連續運行一段時間。
  4. 通風系統:利用空氣式換熱器從外排氣流中回收熱量,達到建議的80%效率。在熱密封內設置暖風管道,而在外設置冷風管道,這也很重要。而在溫暖的氣候地區,則相反。


為了實現上述關鍵嚴格的標準,許多關于被動式房屋的建筑科學研究項目已進行,致使稱為被動房規劃方案(PHPP)的軟件開發。PHPP是一個能源建模方案,在建筑設計的能源利用中考慮到幾乎每一個方面的能源消耗,包括站點的氣象數據、方位、結構類型、材料的使用、窗口的設計和位置,通風系統、家電、照明和建筑中使用到的其它電氣設備。隨著越來越多的被驗證的使用數據和被動房的概念擴展到世界其它地區,PHPP不斷更新和細化,包括世界各地的氣候模擬的增加。


  實施的可行性
不同的地區有不同:氣候條件、建筑材料的可用性和常規做法。即使在溫帶地區,極端溫度、濕度、地熱條件等的差異仍然可以被檢測到。因此,雖然被動式房屋和相關技術的原則可以應用于各種溫帶地區,但實際的量化標準和建筑細節有所不同。對一個地區進行全面的可行性研究和對被動式房屋最合適的做法和標準進行研究是有好處的。研究結果可用于制定設計準則和標準,為大規模采用提供可靠的跳板。

 

雖然被動房的原理和技術,可以采取由個體業主和潛在的業主通過自下而上的方式,從機構設置得到支持,如當地的建筑規范的基礎上被動房原則及公共建筑項目配套演示,可以促進更強的吸收和實現。


被動式房屋技術要求高技能的技術人員實施良好和精確的施工細節,即氣密性,熱橋減免等。因此,建筑能力和當地勞動力培訓是關鍵要求。


還需指出,許多發展中國家本地沒有制造被動式房屋組件和材料的能力,例如絕緣材料、三層玻璃窗等。進口這些組件和材料太昂貴,無形中增加了產品的含碳量。因此,重要的是要擴大建設能力和機構設置,以支持和培育當地制造業對被動房屋部件和材料的吸收和升級。


  該技術如何有助于社會經濟發展和環境保護  
被動式住宅的設計和技術為環境的發展帶來了好處,包括人工照明、供暖、通風和空調的節能。由于日光和溫度舒適性的優化設計,被動式住宅設計和技術為居住者提供了更好的溫度舒適性、室內環境、室內空氣質量和室外景觀連接。這些好處會使你擁有更健康、更高質量的生活。


由于被動式住宅的設計和技術不依賴于主動系統和高科技設備來提供環境效益,被動式房屋設計和技術也可以被認為是一種具有成本效益的緩解方案。被動住宅的低能源需求減少了電力峰值負荷,并避免通過增加投資來增強當地電力基礎設施和發電廠的能力,從而成就了進一步的節約。


推廣被動式房屋,也有助提升本地建筑工人的技能,改善本地居民的建筑和生活水準。這將帶來更好的就業前景,更健康的社區和更環保的經濟。


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