寒冷地区被动式多层居住建筑研究_中外住宅被动式采暖降温技术的对比分析

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现已开发出多种能指导设计师进行规 划和设计的相关设计软件,如PHPP2007、 PHVP 2002 等,并且已制定包括培训、开 发、规范、财政和鉴定等方面的政策建议, 以扶持和鼓励“被动房”的推广。此外,还 通过组织各种技术和政策研讨会,向“被动 房”项目参与国的建筑师、设计师和当地政 府宣传推广“被动房”标准的理念,通过提 高消费者的意识,在很大程度上扫除了“被
在欧洲,特别是在德国,针对“被动房” 已经在设计指导、政策建议和推广三个方 面展开工作,并已取得很好的成果。针对 “被动房”设计中对能量控制的三个关键环 节:收集、传输、储存的技术做法已经比较 成熟。欧盟委员会对“被动房”的推广和实 施给与了积极的支持,到 2006 年,欧洲共 建成 6000多栋“被动房”[7]。“被动房”正以 其造价的经济性和高居住舒适性,引起人 们的关注。同时,被动式技术也被广泛用于 既有住宅的更新中。
图 1 为北京与一些同纬度发达国家典 型城市的气候条件的对比,其中德国的地 理纬度虽然与我国严寒地区的哈尔滨相似, 但是其气候条件更接近我国的华北地区, 故在此进行比较。由图1 可见,虽然北京冬 季的平均气温低于欧美日的同纬度地区, 但是北京的太阳日照时间较长,尤其是冬
国家自然科学基金项目(50778032) 国家“十一五”科技支撑重点项目( 2 0 0 6 B A A 0 4 B 0 4 ) 作者单位:1 大连理工大学建筑与艺术学院(大连,116024)
目前,国外发达国家的节能住宅设计 已从低能耗住宅发展到“被动房”阶段。其 中,欧洲的“被动房”必须满足每年能耗低 于 15kwh/m2 的要求,以实现零辅助能量 供应的目的;此外,居住面积内供热、热水、 生活用电等的总能源消耗量也不能超过 120kwh/(m2·a),额外的能量需求完全利 用再生能源获得[6]。
技术特点
技术范围
技术特色
* 规划
蓄热技术、空间加热和冷却技术、
* 设计
生活热水技术以及光伏发电等技
* 建造
术。
* 运行
* 维护
* 经济性分析
* 规划
从屋顶、墙体、地板、出入口、太
* 设计
阳辐射控制、白昼光的有效利用、
* 建造ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
风的控制等35个方面详尽地介绍
了被动式太阳能建筑设计的方法。
* 规划
采用SLR(Solar Load Ratio) 法
4) 住宅采用再生能源进行热水供应, 并采用节能家电。 2.3 国外“被动房”的案例
案例 1 德国的第一栋“被动房”[9] 德国第一栋“被动房”建于1991年,包 括4个住宅单元,居住面积共计1872m2,年 能耗需求约为 10kwh/m2。该住宅屋顶表 面涂乳化漆,并采用445mm厚吹制矿棉保 温;外墙采用275mm厚膨胀聚苯乙烯外加 250mm 厚聚苯乙烯保温,窗户为 3 层中空 玻璃,在窗户外侧采用了移动式保温板,采 用的空气换热器的热回收通风系统的效率 约为 80%。根据 1994-1996 年的实测结果, 该栋住宅达到零能耗住宅的标准。 这栋住宅在建成初期的造价还很高。 但目前建造类似的住宅已经可以将建造成 本控制在合理的范围内,如果加上政府的 补贴,“被动房”的超低能耗和良好的舒适
≥1750
西藏大部分、新疆南部以及青海、甘肃 印度和巴基斯坦北部
和内蒙古的西部
很丰富带 Ⅱ 42.7%
1400-1750
新疆大部、青海和甘肃东部、宁夏、陕 印度尼西亚的雅加达
西、山西、河北、山东东北部、内蒙古 一带
东部、东北西南部、云南、四川西部
丰富带 Ⅲ 36.3%
1050-1400
黑龙江、吉林、辽宁、安徽、江西、陕 美 国 的 华 盛 顿 地 区 、
随着我国可持续发展战略的进一步推 进,如何有效降低居住建筑能耗,改善城市 住宅高耗能的现状,有必要借鉴国外被动 式房屋的设计建造经验,深入探讨符合我 国国情和可持续发展要求的低能耗住宅形 式。由于我国寒冷地区的住宅形式以多层 住宅为主,因此本研究以多层住宅为对象, 对适合于自然能源利用的住宅模式进行探 索研究。本文主要通过中外住宅被动式采 暖降温技术的对比分析,论述了在我国未 来被动式多层居住建筑的发展进程中,应 该向发达国家借鉴的经验。
1 我国寒冷地区与欧洲、北美、日本同纬 度地区气候条件的对比
根据我国《民用建筑热工设计规范》
GB50176-93,我国建筑热工设计分区中寒 冷地区指累年最冷月平均温度高于-10℃、 低于或等于 0 ℃的地区,主要包括华北地 区、西北部分地区(新疆南部)、西南部分地 区(西藏南部)以及辽宁沿海地区,纬度范围 大致在北纬 35°-45°之间。
1) 住宅体型要紧凑,围护结构绝热性 能优良,并使用节能玻璃和窗框。
围护结构构件传热系数低于 0.15W/ (m2K);窗户包括玻璃和窗框传热系数不超 过 0.80W/(m2K),一般采用 3 层 Low-E玻 璃,太阳能利用率约为 50%。
消除围护结构中的热桥是实现“被动 房”的一个基本方法,热传导系数必须低于 0.01W/(m 2K) 。
根据我国太阳能资源的区域划分,从 全国太阳年辐射总量的分布来看,我国寒 冷地区大多处于太阳能资源较丰富的二类 地区和三类地区,具有利用太阳能的良好 条件(表 1)。欧美、日本等国的太阳能资源 只相当于我国的三、四类地区,但是却具有 先进的太阳能建筑技术。例如,早在 20 世 纪 80 年代中期,法国就着手研究太阳能采 暖和热水的联合供应系统,到了20 世纪90 年代,奥地利、丹麦、芬兰、德国、瑞典、 瑞士、荷兰等国家相继设计出了各种形式 的太阳能联合供应系统,目前,这种系统在 安装的全部太阳能热利用系统中已达到很 高的比例[1]。
2) 住宅要南向布局,并设遮阳设施。 3) 建筑密闭性好,并能对新风进行预 热。使用空气-空气热交换器(换热效率大 于 80%,从排风中回收部分热量);需要注 意的是:必须定期更换热交换热器的空气 滤芯,以保证室内空气质量;装置产生的噪 音也要尽量避免。采用平衡式通风系统,保
证室内空气的新鲜,以及污浊空气的及时 排除。
日本 《被动式太阳能建筑设计》[3] 2004年出版
* 单层独栋建筑 * 多层建筑
美国 《被动式太阳房设计手册》[4]
* 单层独栋建筑
—Solar passive building: science
& design
1986年出版
中国 《被动式太阳房热工设计手册》[5] * 单层独栋建筑
1993年出版
“被动房”,总建筑面积 1802m2,是欧洲 “CEPHEUS”(Cost Efficient Passive Houses as European Standards—作为
欧洲标准的低成本高效被动式房屋)计划的 一部分(图 2)。
这栋住宅采用了 3 层 Low-E 玻璃,窗 框采用 PVC 材料,内外浇铸绝缘材料。外 窗玻璃的传热系数为 0.6W/m2K,窗框为 0.8W/m2K,整个窗户 0.82W/m2K,外墙 0.13W/m2K,地面和地下室顶棚传热系数 均为 0.11W/m2K,屋面为 0.11 W/m2K。 经过测试,该栋住宅的年耗热量指标约为 15.1kwh/m2。
2 大连理工大学土木水利学院(大连,116024) 收稿日期:2 0 0 9 - 0 1 - 0 8
建筑学报 2009.5 ARCHITECTURAL JOURNAL
表1 我国太阳能资源的区域划分
占国土 年太阳总辐射量空间 名称 符号
面积 分布 kwh/(m2·a)
包括的地区
与国外相当的地区
非常丰富带 Ⅰ 17.4%
14
季日平均日照时间明显高于欧美日同纬度 地区,具有更为有利的太阳能资源。
2 国内外多层住宅被动式采暖降温技术的 对比 2.1 国内外被动式太阳能建筑设计手册技 术特点的对比
表2列出了欧美、日本等国家以及我国 的有代表性的被动式太阳能建筑设计手册 技术特点的对比。由表2 可见,从设计对象 角度比较;我国的设计手册目前主要适用 于单层独栋住宅,从技术特点的角度进行 比较可见,国外的设计手册涉及的技术范 围广,视野宽。而我国于1993年出版的《被 动式太阳房热工设计手册》介绍了被动式 太阳房的总体设计原则及各类太阳房的热 工设计要点,但已不能反映目前被动式太 阳能建筑发展的新形式,限制了其在被动 式太阳能建筑设计建造中的应用。 2.2 国外被动式采暖降温技术在住宅中的 应用现状
15
ARCHITECTURAL JOURNAL 2009.5 建筑学报
住宅特集 S P E C I A L C O L L E C T I O N O F H O U S I N G
性能就变得更加突出。 案例 2 欧洲“CEPHEUS”项目[10] 建于2000年的位于德国Kassel的多层
1 北京、仙台、华盛顿、斯图加特的气温和日照时间的对比1)
表2 国内外被动式太阳能建筑设计手册技术特点的对比
国家
手册名称
适用对象
英国 《太阳房-太阳能建筑设计手册》[2] * 单层独栋建筑
—— Solar House: A Guide for * 多层建筑
the Solar Designer
2008年出版
* 设计
和 LCR(Load Collector Ratio)
* 建造
法进行热工计算。
* 规划 * 设计
热工计算沿用 S L R 法,并首次提 出多种集热部件的效率曲线和公 式以及被动式太阳房的平均室温 预测方法。
动房”推广中遇到的困难。 “被动房”的最主要特征就是围护结构
良好的保温隔热性能和带热回收的通风换 气系统,其技术措施可表述如下[8]:
“被动房”(Passive House)是指不需要 主动式采暖降温系统,通过建筑自身就可 以完成舒适性室内环境调节的房屋形式。 在欧洲,“被动房”的大范围推广应用始于 20 世纪 90 年代初,实践证明,这是造价经 济、居住舒适、节约资源能源、环境负荷小 的新型居住模式。中国的“被动房”的初期 形式—被动式太阳房的应用已有30年历 史,主要应用在农村地区,对农村住宅节能 有积极的推动作用,但到目前为止应用技 术水平较低。
住宅特集 S P E C I A L C O L L E C T I O N O F H O U S I N G
寒冷地区被动式多层居住建筑研究
—中外住宅被动式采暖降温技术的对比分析
索健 1 赵金玲 2 陈滨 2 范悦 1
摘要 / 通过对我国寒冷地区与国外同纬度发达国家的气
候条件及太阳能资源的对比分析,阐述我国开发利用太
阳能资源的潜力,同时在介绍欧洲被动式房屋技术的基
础上,分析我国未来被动式多层居住建筑发展的可借鉴
经验。
关键词 / 寒冷地区 被动房 多层居住建筑 被动式采
暖降温技术 太阳能与建筑集成技术 ABSTRACT/ Through comparative analysis of the climate and solar-energy resources between domestic cold regions and foreign developed countries at the same latitude, this paper makes account of domestic potential of developing and utilizing solar energy, and makes analysis of the experience of European passive housing technique,which can be used for reference in the future development of domestic passive multi-storyresidential building. KEY WORDS/ cold regions, passive house, multi-story residential building, passive heating and lowering temperature technique, solar energy and building integrative technique
西南部、内蒙古东北部、河南、山东、 意大利米兰地区、日
浙江、江苏、湖北、湖南、福建、广东、 本和德国
广西、海南东部、四川、贵州、西藏东
南角、台湾
一般带 Ⅳ 3.6%
<1050
四川中部、贵州北部、湖南西北部 法国的巴黎、俄罗斯
的莫斯科
注:数据引自《中国可再生能源发展战略研究丛书——太阳能卷》,中国电力出版社,2008
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