被動房屬于近零能耗建筑之一，其在適應氣候特征和場地條件的基礎上，通過被動式建筑設計最大幅度降低建筑供暖、空調、照明需求，通過主動技術措施最大幅度提高能源設備與系統效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗維持舒適室內環境。

　　事實上，被動房技術能夠對我國的建筑節能減排起到極大的推進作用，但目前鮮有對被動房技術和實例的總結與分析。本文將綜述國內外數據庫可檢索到的典型被動房建設與改造技術、實際項目和改造結果，并總結出被動房的優勢、不足及發展前景。

01.被動房標準

　　1.1.新建建筑標準

　　新建建筑（包括住宅建筑和非住宅建筑）要達到德國被動房要求，需滿足被動房研究所（PHI）公布的以下條件：

　　①建筑年采暖能耗不超過15?k·Wh/㎡或熱負荷不超過10?W/㎡；

　　②建筑年供冷能耗不超過15?k·Wh/㎡或冷負荷不超過10?W/㎡；

　　③建筑年一次能源總能耗（包括采暖、空調、生活熱水、照明、設備等）不超過120?k·Wh/㎡；

　　④建筑內外50?Pa壓差工況下，房間的滲透換氣次數不超過0.6次/h；

　　⑤熱舒適方面，冬季建筑室內溫度不低于20℃，夏季1年內有不超過10%的小時數建筑室內溫度高于25℃。

　　我國國家標準對被動房建筑的限值要求與德國被動房標準存在一定差異，對冬季氣候較為溫和與溫暖的地區，放寬了外圍護結構傳熱系數和氣密性的要求，提高了采暖能耗的要求。

　　1.2.改造建筑標準

　　由于老舊建筑可能存在各種技術和預算方面的限制，建筑改造往往很難在實際工程中達到上述新建建筑的能耗標準。

　　因此，PHI針對建筑改造提出目標較低的替代標準EnerPHit。改造可以選擇遵循建筑部件標準或建筑能源需求標準進行。此兩項標準均考慮了氣象條件的影響，規定了不同氣候區建筑圍護結構的最大傳熱系數、最小熱回收效率及最大單位采暖能耗等。

　　此外，EnerPHit標準還提高了50Pa下滲透換氣次數的限值至n50不大于1.0次/h。但目前我國被動房相關標準暫未對改造建筑進行明確的區分。

　　1.3.標準對比

　　德國被動房標準與我國發布的《導則》、GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》和GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》的節能重要參數對比見表1。

表1?德國被動房標準與國內標準的對比

　　從表1的對比可看出，被動房特別重視建筑圍護結構的建造，其傳熱系數的最大限值遠低于目前我國的建筑節能標準，也略低于我國近零能耗建筑標準，尤其是對保溫最為薄弱的外窗提出了很高的要求。并且被動房標準對于氣密性的要求也較為嚴格，給施工質量帶來了挑戰。

　　被動房的特點是從根源降低建筑的主動冷暖需求，以一次能源消耗量作為評價標準，通過降低傳熱系數、提高建筑的保溫隔熱性能達成超低能耗的目標，盡可能依靠室內熱源和熱回收等滿足熱負荷的需求，盡量不額外加裝主動采暖系統。

　　因此，德國被動房標準中并未限制供暖、空調系統的冷熱源能效。而GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》中，由于近零能耗建筑的內涵更廣泛，因此對能源設備和系統也做出了規定。

　　1.4.評價方法

　　德國被動房認定時以設計理論計算得到的各項指標模擬數值為準，而不考察建筑投入使用后的實際能耗。模擬一般使用被動房規劃設計軟件包PHPP和其3D數據輸入工具desighPH。

　　PHPP的核心包括供熱計算以及電力和一次能源需求計算。PHPP針對于世界范圍內各個氣候區的節能項目，又逐步補充了其他重要模塊，如窗戶特征值、遮陽、制冷及除濕需求、大型項目和非居住性建筑通風等，并且考慮了可再生能源及EnerPHit標準下的計算。

　　但由于實際工況與設計工況存在差異，理論計算并不能完全代表建筑運行的真實效果。近零能耗技術在實踐過程中的效果如何，需通過實地檢測進行印證才具有說服力，同時這也關系到被動房建筑在未來是否能夠得到長遠發展。

　　因此，中國工程建設標準化協會新發布了團體標準T/CECS 740—2020《近零能耗建筑檢測評價標準》，重點規范了近零能耗建筑的相關檢測與項目評價方法。

　　標準將近零能耗建筑的評價分為預評價、正式評價和運行評價3個部分，其中，正式評價階段在建筑竣工驗收前進行，要求對建筑圍護結構熱工性能、建筑整體氣密性、熱回收新風機組性能和建筑環控一體機性能進行檢測。

　　運行評價不作為必需檢測項目，但鼓勵對已建成的近零能耗建筑進行運行評價。檢測對象宜為投入使用滿1年的單棟建筑物，計量時間以1年為1個周期。檢測項目包括室內環境參數檢測、分項能耗和總能耗、可再生能源檢測等。

02.被動房關鍵技術

　　被動房建造和改造的關鍵技術要點主要包括7個方面：保溫措施、門窗節能、氣密性措施、無熱橋處理、熱回收新風系統、可再生能源利用和其他創新性措施。

　　2.1.保溫措施

　　改進建筑圍護結構的保溫性能可有效降低建筑熱損失或得熱，提升建筑的熱工性能。Chua和Chou等人的研究表明，制冷能耗需求與圍護結構的傳熱系數有很強的相關性。傳統建筑由外墻引起的熱量損失約占建筑總能耗的30%，由屋頂引起的熱量損失約占8%——10%。

　　因此，對墻體、屋面和其他不透明圍護結構的優良保溫是被動房的首要關鍵技術，也是各個氣候區建筑節能改造中通用的、最為普遍的改造方式。通過選擇合適的保溫材料以及保溫層厚度，傳熱系數可明顯降低。國外被動房的圍護結構傳熱系數一般低至0.10——0.15?W/（㎡·K）。

　　目前被動房工程中常用加厚的石墨聚苯乙烯板（GEPS）、擠塑聚苯乙烯板（XPS）等材料用于墻體、樓板和屋頂的保溫。一般被動房的保溫層厚度為200mm，嚴寒地區建筑為保證保溫效果，可達300mm厚。

　　相較普通的聚苯乙烯泡沫板（EPS），石墨聚苯乙烯板抗拉強度更大、相同厚度的保溫性能更佳。此外，聚氨酯板（PUR）的熱工性能較聚苯板更為突出，但其價格較貴，因此在被動房工程中選用比例不大。也有部分工程采用加厚的巖棉保溫材料作為外保溫或內保溫，但巖棉熱工性能相對普通，可作為內保溫材料對建筑圍護結構做進一步提升。

　　上述材料雖然熱工性能相對優異，但其共同缺點是保溫層加厚導致墻體過厚，不僅占用建筑使用面積，對部分建筑改造工程也難以適用。

　　真空絕熱板（VIP）可彌補此缺點。VIP板由填充芯材與真空保護表層復合而成，平均熱導率僅有0.004?W/（㎡·K），約為聚苯板的13%。因此，超薄的VIP板即可實現與常規隔熱材料相同的性能，并大大降低墻體的總厚度。

　　VIP板的出現為傳統保溫開辟了新的可能性，但VIP板存在易損壞、難維修等缺陷，而且受到造價和工藝限制，目前在建筑保溫中很難普遍推廣，只能在圍護結構的特定區域小部分應用。研發新型的高保溫、高強度、低成本、低厚度的保溫材料十分必要。

　　施工方面，需盡量避免保溫層的間斷。采用雙層保溫錯縫拼接或槽式插接、建筑立面轉角處整體式保溫等技術均可提升保溫層的連續性和完整度，避免在材料的拼接縫隙處形成傳熱漏洞。

　　2.2.門窗節能

　　外門外窗是建筑圍護結構熱工性能最為薄弱的部件。普通窗戶熱阻低，且玻璃部分會引入大量太陽輻射，安裝不當的窗框也會造成熱量損失和熱橋效應。因此，須對外門窗，尤其是外窗進行精細設計和施工。

　　2.2.1.外窗設計

　　首先，對于新建建筑，要在設計階段根據當地氣候條件特點，合理規劃建筑朝向及各向窗墻比。其次，盡量降低外窗傳熱系數是各氣候區通用的、提升圍護結構熱工性能的有效方式。國外被動房外窗的總傳熱系數（含窗框）一般為0.70——0.85?W/（㎡·K）。

　　使用具有低發射率和低太陽輻射吸收率（Low-E）的3層隔熱玻璃可以基本達到這一目標。玻璃隔層中間的空隙用真空或惰性氣體（如氬氣、氪氣）填充，隔斷材料使用聚丙烯等塑料制暖邊條而非傳統的鋁金屬間隔條，可有效阻隔傳熱并增加氣密性。有條件的情況下，也可采用深色和有色玻璃以進一步降低夏季得熱，但需將室內采光和人員視覺舒適納入考慮范疇。

　　此外，窗框也對外窗整體傳熱系數有一定影響。被動房中選用鋁包木型材門窗的較多，鋁包木將隔熱斷橋鋁合金型材和實木通過機械方法復合成整體框體，兼顧美觀的同時，也可獲得比斷橋鋁合金窗框更低的傳熱系數。

　　2.2.2.遮陽設計

　　對于夏季太陽輻射較強的地區，除加裝Low-E玻璃外，外遮陽也是必要的節能手段。外遮陽的設計重點是保持冬夏兩季供暖和制冷需求之間的平衡。

　　外遮陽可分為活動遮陽和固定遮陽2種。活動遮陽指可由人員控制的遮陽部件，如外遮陽金屬卷簾或百葉。其優點是靈活高效，具有季節適應性，可將輻射熱最大化隔絕或利用。但活動遮陽的效果依賴于人員的主動行為，建筑實際運行中不能夠完全保證節能效果和室內環境的熱舒適。自動太陽能控制的外活動遮陽可以彌補這一缺陷。

　　固定遮陽無法移動和變形，在設計階段要充分考慮當地冬夏兩季的需求，對太陽高度角和輻射強度進行模擬，并兼顧外圍護結構的美觀性，確定合適的幾何形式和尺寸。例如采用綜合式構造，形成三面遮陽，水平板在太陽高度角較高的正午起到遮陽作用，西曬的斜射陽光則由垂直板遮擋。

　　2.3.氣密性措施

　　建筑的圍護結構是典型的多層多孔結構，內部存在空氣滲透。當外部空氣通過滲透缺陷點，熱濕交換量較大時，可能會導致建筑構件斷面結露、材料保溫性能下降等一系列問題。且窗框與墻體、窗扇的連接縫隙會直接影響到冷風滲透熱損失，因此須對建筑施以必要的氣密性措施。被動房為達到超低能耗的目標，對建筑氣密性的要求更高。

　　提高氣密性主要考驗現場施工的精細程度，關鍵原則是氣密層必須將整棟建筑完整包裹，禁止出現間斷。因此，應盡量減少管線穿過氣密層，管線在管線層分散排布，避免對氣密性薄膜造成破壞。在必需的部件連接和穿墻處，應依據現場情況組合選用預制套管、聚氨酯或聚乙酯發泡填充、防水隔氣膜或氣密膠帶等多種密閉措施。外墻插孔必須采用氣密性插座盒。

　　2.4.無熱橋處理

　　熱橋對建筑圍護結構有很大的負面影響，一方面會造成額外熱量損失，增加建筑能耗；另一方面由于熱橋部位與周圍主體墻體在冬季溫差較大，有可能造成水蒸氣在內表面結露，甚至滋長霉菌，影響室內環境質量。

　　建筑中的熱橋可以分為以下幾類：圍護結構中被不同導熱性能的材料貫穿從而形成集中熱流的區域；圍護結構中局部材料傳熱性能差異較大形成的熱橋；圍護結構厚度發生變化的區域；圍護結構內外面積不同和建筑幾何形狀改變的區域形成熱橋（例如立面墻角和其他立面突起結構等）。

　　2.4.1.熱橋區域的模擬

　　目前節能建筑工程中普遍對典型結構性熱橋（如外墻角、墻–窗連接、墻–門連接等處形成的熱橋）較為重視，應用PKPM等結構設計軟件即可計算出圍護結構內部溫度場分布及線傳熱系數，從而在設計階段評估和避免熱橋造成的熱損失。當其熱導率不大于0.01?W/（m·K）或為負值時，即可認為滿足無熱橋結構設計。此外，THERM、Flixo等熱學分析軟件可以通過建模更為細致地分析其他細部結構的熱橋，如風管穿墻結構等。

　　2.4.2.熱橋處理技術

　　為避免結構熱橋，在施工前即應考慮易產生熱橋的陽臺、外窗等部位的處理方法。首先，應做好圍護結構的保溫工作，例如支撐陽臺樓板的挑梁。其次，外窗多采用窗框與結構外表面齊平的外掛式安裝以避免熱橋。除應在設計中避免結構性熱橋外，穿墻管道、錨固件等構造熱橋也應當在工程中引起足夠的重視。穿墻管道外壁應加設保溫層，金屬錨栓可附加塑料斷熱端頭，外窗的金屬聯結件與墻體的接觸面需加墊隔熱墊片。

　　2.5.機械通風系統

　　被動房的設計理念中，不僅要做到超低能耗，同時還要保證室內良好的空氣品質。而在極佳的氣密性下，通過滲透進行換氣不現實，開窗自然通風也會受到節能目標的限制。因此，為保證充足的新風量，機械通風系統幾乎是被動房的必備。

　　帶有熱回收裝置的新風系統（MVHR）可對新風進行預熱或預冷，從而降低新風負荷，推薦使用全熱回收效率至少在75%以上的機械新風系統，且熱交換器須具有旁路以應對過渡季節的運行。

　　但在中國夏熱冬冷地區，新風熱回收效率在冬夏兩季很難達到應有的熱回收效率，過渡季節的熱回收效率幾乎為0，不適宜加裝熱回收裝置。在設計、選擇通風設備時應做到因地制宜。

　　2.6.可再生能源利用

　　被動房的設計中，可再生能源不作為評價建筑性能的重點，但會根據可再生能源的使用比例判定不同的被動房等級：普通級、優級和特級。在場地條件允許的情況下，可再生能源是很好的節能途徑，且被動式建筑自身的超低能耗也具備利用優勢。

　　德國本土的被動式建筑常用空氣源熱泵、地源熱泵或生物質能裝置作為輔助冷熱源。此外，我國許多地區也有利用太陽能的優良條件。

　　2.7.其他創新性措施

　　目前被動房的傳統節能技術已經較為成熟，但建筑節能技術發展日新月異，被動房的建造也在與時俱進地創新。在冷負荷較大的地區，綠色屋頂、通風屋頂和外圍護結構反射涂層等可以有效降低進入房間的太陽輻射量。

　　Xiong等模擬了重慶夏季炎熱氣候下的通風屋頂效果，結果表明夜間冷卻過程中屋頂空腔的自適應熱吹掃預計能降低54.35％的能耗。另有文獻發現在晝夜溫差較大的地區，外墻涂布反射涂層的節能效果突出，比綠色屋頂效果更佳。

　　相變材料也可用于提升建筑圍護結構的熱工性能。將定形相變材料（SSPCM）融入外墻材料，可以降低高峰時段20%的負荷，并且通過將高峰用電負荷轉移到非高峰期創造時間效用。

　　光伏技術也可以與建筑圍護結構相結合。光伏通風外墻由內部的絕緣材料、空氣層和外層的光伏組件組成。該系統可以減少熱交換并避免熱橋，同時產生電能，空氣層中的冷熱空氣密度差可通過煙囪效應進行自然通風，提高室內熱舒適。類似原理的還有太陽能光伏玻璃。

03.設計實例

　　本研究在中外文獻數據庫中進行了廣泛的調研，并從中選取了27項信息較為完善的工程實例，總結了近30年被動房技術在實際工程中的應用，及最終的節能效果。

　　從建筑時間來看，包括新建建筑16所和改造建筑11所；從建筑類型來看，包括居住建筑17所，公共建筑10所；國內建筑12所，國外建筑15所。調研結果見表2、表3。

表2 新建建筑被動房設計技術

注：“√”代表已采取；“×”代表不采取；“—”代表無。

表3 改造建筑被動房設計技術

注：“√”代表已采取；“×”代表不采取；“—”代表無。

04.被動房的發展現狀

　　從以上總結中可以看出，采用被動房技術新建或改造后的房屋，都能達到極低的一次能源消耗水平，即使無法滿足被動房的認證標準，也較普通建筑表現出了更加優異的節能性能。因此，被動房技術的可行性與有效性在此得到了充分的實證。

　　從技術手段上看，“結構優先”被認為是節能改造的第一原則。外圍護結構保溫、門窗節能、氣密性、無熱橋處理及熱回收機械新風系統基本在每個項目中都有所體現，可以認為是被動房的“基礎標配”。標準化和規范化的施工流程有助于建造成本的降低及施工質量的把控，并且也體現出這些技術方法對提升建筑熱工性能、降低能耗、提升室內熱舒適度的重要性和必要性。

　　但需要指出的是，由于被動房能耗僅由設計復核模擬得出，因此該結果與實際運行可能會存在一定差距，尤其是帶有熱回收的機械新風系統，其熱回收效率與室外氣候條件息息相關，需要在設計時引起注意。此外，目前實際工程中的創新節能舉措不多，在綜合考慮投資回收期和實際施工可行性后應當給予考慮，以推動被動房技術的進一步發展。

　　從建筑時間和類型上看，在官方被動房數據庫收錄的4959棟被動房建筑中，新建或擴建房屋有4660棟，改造（包括翻新）建筑有299棟；辦公、商業和科教文衛類建筑有809棟，其余皆為居住類建筑（包括住宅、旅館、宿舍和公寓）。

　　目前被動房工程的偏向性極為明顯，新建建筑和居住類建筑分別占到了94%和84%，而被動房改造和辦公商業類建筑的經驗積累仍十分欠缺。由于居住類建筑的內部結構較為單一，功能區劃分簡單，建筑體量一般較小，因此從住宅開始探索被動房的可行性是正確的，可以預見，積攢一定成功經驗后，辦公商業建筑的被動房需求也會逐漸提高。

05.新的機遇與挑戰

　　在被動房改造的空白市場內，無論是設計者或是投資者都大有可為。我國同其他發展中國家一樣，目前大多數現有建筑物采用多年前的低能效設計和技術建造，能源效率普遍很低，而新建建筑物對現有建筑物的替換率僅為每年約1.0%——3.0%，因此現有建筑的改造在建筑節能中成為了極為重要的一環。國家“十三五”項目計劃對超過5億m2的現有建筑物進行改造，顯示出了國家的決心，并且在可預見的未來，建筑改造的步伐并不會停止。這無疑給被動房技術帶來了新的機遇與可能。

　　但挑戰也與機會并存。即便在歐洲發達國家，老舊建筑節能改造率仍僅有0.4%——1.2%。難點在于此多目標優化問題受許多條件約束和限制，主要可分為技術及投資兩方面。

　　技術上，工程中可能遇到的困難包括：建筑的不合理布局與朝向難以變更；受保護建筑的外立面改造有局限性；受到房高、壁厚等影響保溫層無法足額鋪設；存在影響被動房技術措施、無法拆除的構件；原結構中不可避免的熱橋；周邊環境限制了可再生能源的利用。這些問題一方面會影響節能改造的最終效果，另一方面也會增加項目的不確定性。

　　投資上，由于被動房改造的初始成本較高，使得投資方不得不慎重考慮被動房改造的投資回收期以及其他隱形回報。英國的一項研究中顯示，被動房翻新的額外成本在4%——16%，而在瑞典進行的同一研究中，“交易成本”可能會使投資成本增加20%。這些交易成本產生存在不確定性，例如尋找合適的技術和供應商、合同的復雜性以及項目過程中的其他意外情況等。

　　盡管存在客觀困難，仍應看到高水平的設計和能源效率的長期回報是具有吸引力的。在一項對建筑節能行業從事者的調查研究中，多數受訪者均對被動房的吸引力、重要性、經濟效益、技術和實踐可能性給予了積極肯定。企業將施工與科學技術研究相結合是目前快速提高被動房技能水平、獲得寶貴經驗的重要途徑，也是促進被動房發展的有利推動。

06.結論

　　①被動房技術可以有效降低建筑能耗，并且其在各個氣候區的住宅建筑和商業建筑中均得到了有力驗證。

　　②被動房的主要傳統技術包括保溫措施、門窗節能、氣密性措施、無熱橋處理、熱回收新風系統、可再生能源利用，目前已經形成了較為完整的施工設計方法，但在結合創新技術方面還較為欠缺。

　　③目前被動房改造項目和商業辦公建筑項目的比例較低，但其未來市場十分廣闊，無論從社會需求還是長遠回報上看，都應當給予其更多的關注。

來源：建筑技術雜志社

作者：徐怡，劉柯，劉凱，安文卓，凡俊

*本文僅為節選