passivehouse.kcpc.com.cn 主办：住房和城乡建设部科技与产业化发展中心
德国柏林工业大学 郭海新
本研究尝试引入“热扰”概念分析由德国被动式 技术研究所（Passive house Institute,）以及德国能源署（Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena)）所推广的德系被动式节能建筑技术，即在市场上被称为德国原装 技术的被动房技术（以下简称“德国被动房技术”）在不同室外气象条件下的热工性能表现，从而来判断其适用场合。
在市场上，“被动房”与“被动式”与“建筑节 能”和“超低能耗”都形成了一种近乎划等号的关系。对于消费者而言，则更难区分其区别，甚至很多从业人员也把此类相关技术一概与德国挂钩，认为相关技术均 为德国原装技术。然而实际情况则是，德国被动房技术 与超低能耗技术在理念和相关指标上有着本质的区别。被动房技术的节能原理有其效果显著的理想气候区域，同时在不同的气候区域其热工性能表现也有不尽人意的地方。
1 被动房技术的设计原则：尽量不涉及设备 / 系统
在德国被动房最核心的技术措施中，出于“被动式”的理念，希望建筑物拥有自身达到热平衡的能力，从而尽最大努力避免应用机械系统来辅助，以减少设备能耗。而其中新风热回收技术本身，则属于尽最大努力加强围护结构热工性能，尤其是对围护结构气密性大幅度提高后，使得建筑物失去了“无组织换气”的能力，进而使得室内外空气置换严重不足，而采用的不得已的补充。
对于不得不使用新风补充的这部分功能，在技术上也仅限制要求作显热回收，而对空气湿度不作处理。除此以外，室内的空气品质，如CO2浓度和空气相对湿度，在被动房技术中也没有针对性的措施应对。即被动式技术是以供热季的热舒适为唯一目标，兼顾人员新风的最低要求的一种技术方案。能够对室内空气品质加以影响的唯一变量，就是新风量的变化。
2 对德国原装技术的认同及反思
在德国被动房技术的推广工程初期，在北方若干项目中，对德国被动房技术的各方面标准、措施和指标的引进几乎是无保留的。在河北、山东的示范工程中，中德双方均要求严格按照德方技术标准来实施[1]。其中典型的示范项目为秦皇岛的住宅小区项目“在水一方”。
与此同时，中德双方均已意识到该技术作为单一气候区域所产生的技术，用于在中国这个幅员宽广、跨越七个建筑气候区域的国家，是无法放之四海而皆准的。与该技术在欧洲各国能得到较好的直接应用不同，在中国，该技术不得不针对不同的气候区域进行适应性的修正，包括加入“主动式”的各类技术，如低品位供热（太阳能供暖、地暖等方式）、夏季供冷（分体空调等方式）等常规技术[2,3]。
但此时被动式的理念已经在实践中出现了偏离。尤其是在纬度较低的气象区域，如夏热冬冷、夏热冬暖地区，其单一指向供热季的技术路线所带来的负面影响愈加明显。在该区域，被动式技术依赖建筑物本身的热平衡来满足室内舒适度的边界调节愈加缺乏保障，以至于其依赖的基本原理已经偏离了建筑物正常使用下所处的热平衡波动范围，“主动式”干预几乎成了必要条件。对此，许多从业人员纷纷提出了质疑[4,5]。
针对夏热冬冷地区是否能应用德国被动房技术，马浩天和王浩宇[6,7] 进行了较为详尽的分析，并通过软件模拟给出了各自的结论。其中王浩宇提出，在夏热冬冷地区，如果增强围护结构的气密性，则会在供热度日数和供冷度日数之间出现此消彼长的变化，进而引起供热能耗下降幅度远小于供冷能耗升高幅度的不理想效果。马浩天则提出，在该地区提高围护结构保温性能所带来的供冷能耗下降优势随供热度日数和下降急剧衰减，以至于保温材料的增量成本短期内无法收回，同时也带来了将过渡季人为强行改变成供冷季的与原始诉求相背离的结果。
通过对中德两国典型城市的度日数对比，以及供冷供热能耗、使用方式等方面的分析，徐伟、孙德宇[8]明确指出，德国被动房技术仅在中国的有限区域有着其有限的适用性。同时，德国的能耗指标与中国的实际能耗之间也有极大的差异。以德国被动房技术要求的室内舒适度保障和能耗指标来衡量，对德国而言是大幅度的节能，对中国却是能耗的大幅度提高。因此，以降低能耗为宗旨的德国被动房技术指标对于中国市场而言，则会成为高舒适度的高耗能豪华需求指标。因此，在吸收该技术理念的基础上，针对性的制定适合中国的标准是完全有必要的。
3 “被动式”属于专注于供热季的节能理念
被动式理念产生的地区在欧洲传统的供热气候带，即德国、奥地利。该区域在当地采暖规范中要求室外日平均气温15℃以下即开始供热，不存在集中供热系统的起始时间管理制度。但一般将每年 9 月1 日到第二年5 月31 日作为供热季节看待。在此期间的供热天数较长，奥地利为212 天，德国为250 天左右。两国的度日数则在3500—4000 之间。尽管德奥地区定义的冬季漫长（9 个月），但室外平均气温并不很低。如奥地利的室外均温大约在+3℃左右，而德国则在 +5℃左右。与之相对应的中国北方传统供热区域典型城市的气象条件（室外均温）则大致处于 0℃—-10℃之间，由于中国供热方式以行政管理为主，故供热天数反而较短，一般不超过 180 天。但中国供热区域的度日数差距较大，从西安的1724 到哈尔滨的4938。
需要说明的是，德奥所选取的室内设计温度为20℃，而中国现行的室内设计温度则为 18℃。如果将中国典型城市的供热季节（天数）和德奥相比，可以看出其差异较大：中国最北方的寒冷都市哈尔滨仅有177天供热，而维也纳却有 212 天，柏林则有252 天。
4 建立在内外扰抵消基础上的被动式热平衡
被动式理念很重要的一点是用“内扰”抵御“外扰”。“扰”的概念，是破坏原有平衡的干扰因素。在建筑热物理上，“扰”便是破坏原有建筑热平衡的热量传递。而以“扰”的来源区分，可分为“外扰”——与室外气象条件相关，和“内扰”——和室内的使用方式和强度相关。“外扰”，可能是得热（夏季），从而最终形成“冷负荷”，也可能是失热（冬季），从而形成热负荷。而“内扰”则几乎仅为得热。在目前的教科书中，“内外扰”这个概念更多用于说明夏季冷负荷的生成；在冬季，“内扰”往往被默认为补偿型的得热，从而忽略不计。外扰的特征是与室外气象条件成正相关关系。首先起决定因素的是建筑物所在地，其决定了外扰的绝对量级。同时外扰也随着日夜、季节由正到负持续变化。在围护结构的作用下，部分外扰（如墙体传热）对室内温度的影响有一定的迟滞性。
内扰的特征是与室内使用情况成正相关关系。室内用途决定了内扰总的绝对量级，使用时段、节奏又决定了其发生的总量。同时，内扰几乎在所有场合均为正值，即各类能源形式在经过转换（灯光、设备应用）或纯粹散热（人体散热）后，形成对室内的热量输入。内扰在很多场所不是连续值，如商场、学校、影院等。内扰可能通过围护结构和室内材料的蓄热能力的吸收而并不直接作用到室内温度变化上。
考虑室内舒适度和建筑节能，排除卫生、洁净方面的要求，则是在全年寻找理想的方式来实现热平衡。从该角度而言，主、被动的区别仅为维持热平衡的手段：主动式诉诸设备系统，被动式诉诸围护结构。
5 “被动式”理念将建筑节能问题简化为减少外扰的问题
德国被动房技术所采用的各项节能技术手段，是通过改变围护结构的热工性能，使得外扰与内扰之间达到热平衡。即以增强各项热工性能指标的方式，使得外扰尽可能减少，从而与内扰形成热平衡。
但通过内外扰特性分析，可以认为这种热平衡是有前置条件的，在前置条件不具备的场合，被动式节能理念则需要评估其可行性。具体而言，形成被动式理论所需要的热平衡状态，需要内外扰互为抵消的状态。
内扰在所有发生时段均为正值，而外扰则在供热季为负值，供冷季为正值，过渡季则在正负之间变化。即希望通过内外扰形成热平衡，只能在供热季和部分过渡季。如果进一步排除过渡季，则被动式的适用场合仅限于供热季。
对负荷“热平衡”前提条件的供热季而言，被动式节能技术的要点，是以改善围护结构热工性能的方式来减少外扰，使其与内扰相等。
由于内扰的不可干预性，使用目的和方式决定了内扰的发生总量和时段，通过改变围护结构热工性能达到热平衡的极限也就受到了限制。维持热平衡的所有变量均是时间变量，而改变围护结构热工性能得到的仅仅是一个常数。在整个被动式节能建筑的五大手段中，能够作为时间变量应用的只有新风换气和外遮阳。这两个变量，在供热季可以说无法作更多的贡献。
通过外扰分析可以看出，外扰均为随时间变化的因变量，而室外温度和时间则是自变量。在改变了围护结构热工性能后，外扰的波幅和滞后将会相应变化，而周期则不会发生变化。
对围护结构的热工性能改造，其本意是“被动式”的，即并无“主动的”能量输入，而是减少外扰造成的热损耗。由能量守恒定律可知，供热季由于外扰损失掉的能量，终究需要补充进来。而被动式所期待的，则是由内扰来补充所损失的能量。
内扰的特征是与时间有关，与室外空气温度无关。除日射外，其他部分均仅与使用时间和使用方式有关，即内扰具有不可调节性，不可能根据室外气象条件进行相应调节。在外扰变化时，内扰可能小于、等于或大于外扰。
在节能环保理念普及的大趋势下，内扰实际呈现出下降趋势。如家电设备、照明设备的负荷，在过去的十多年内均持续下降。作为建筑节能的措施之一，照明能耗目前占建筑总能耗的比例日益下降，这与德国被动房技术利用内扰的理念产生了很大冲突。内扰中基本维持原状的部分，几乎只剩下室内人员负荷的部分。
就室内人员负荷部分而言，实际也处于下降趋势。住宅和办公建筑中单位平米人员密度越来越低。对于住宅建筑，人均拥有住宅面积增加，居家时间缩短；对于办公建筑，人均拥有办公面积增加，电商时代带来办公楼使用率下降。
在全球变暖尚未对建筑供热季外扰形成足够强大的数据支撑，使得内外扰平衡得以在更广大的统计数据层面得到支持的前提下，推广被动式节能理念，仍需慎重对待。
在内扰与不同建筑形式、使用方式相关，而外扰与室外气候条件相关的大前提下，德国被动房技术仍应当可以在供热季外扰小于等于内扰的前提下推广实施。此时，内扰总量足以补偿外扰，因此，在室外气象条件造成的外扰总量能满足上述条件的区域，德国被动房技术节能理念无疑有其合理性。这也是中国目前大范围认可这项节能技术的大前提。
但内扰的总量与使用方式相关，与气象条件无关。而这个总量能否满足被动式节能的前提，则又取决于与气象条件直接相关的外扰的总量。假设被动式节能技术所设定的围护结构热工性能为定值，则该技术指标将进一步转化为外扰和围护结构U 值及室外温度的关系。而U 值则与围护结构保温层材料物性（l）和厚度（d）有关，而l 和d 的选择实际上是一个经济合理性的问题。如果物性和厚度从经济性上设定了上限，则德国被动房技术的上限也被设定了。假设以德奥技术为标杆，则室外温度低于德奥的区域均将面临德国被动房技术的经济性问题。尤其是严寒地区将面临着经济性问题，即围护结构保温的投入无法在其使用周期内通过节能总量得到回收。从另一个角度来看，以U 值上限作为德国被动房技术的技术规程，则在上述地区无法用有限的内扰来维持室内温度。所缺失热量如何输入，以维持室内温度处于合理范围，在被动式的技术构架中并未考虑。
6 内扰大于外扰所引起的问题
同时，内扰的超出部分会引起室温升高，尤其是被动式技术所要求的围护结构热工性能提高，造成建筑物的散热能力严重不足，导致了一个近乎悖论的现象：为供热季节能而采取的措施，造成了供热季室温在很多情况下过高，以至于需要通过开窗手段来降温。如果开窗本身进一步影响到室内舒适度，或者被德国被动房技术从技术角度加以限制（不可开启或仅能有限的开启），则会出现室温过高甚至在冬季引起室内舒适度不理想的问题。
从供热区域的室外空气温度分布来看，大约85%以上的时间，外扰造成的负荷仅为设计负荷的 50% 以下，而仅有15% 的时间，外扰负荷会处于50% 以上。即德国被动房技术面临一个非常严重的“季节平衡”问题：如果按照 100% 的内扰贡献大于等于外扰负荷设计，则室内几乎将持续处于一个过热状态；如果按照50%的外扰负荷来设计，则室温将在 15% 的时间段低于设计温度。
如果将该现象拓展到过渡季和供冷季，则情况会愈加严重，建筑物的室内将持续处于过热状态。由于被动式要求减少甚至放弃主动式调温系统，则用户在室内过热状况下几乎无计可施。尽管有限的升温（20℃£q 内£26℃）在冬季仍是可接受的，但在很多情况下，室温甚至突破了这个界限。
采用蓄热能力较强的室内建筑材料可以部分弥补这一缺陷，尤其是在内扰瞬间波动的情况下，通过室内材料的蓄热能力即热惰性减缓室温波动，从而实现“调峰填谷”的功能，是德国被动房技术中一个很重要的环节。而这一条在德国被动房技术的五大手段中，却并无明确要求。
当然对于大多数建筑而言，室内材料的蓄热能力仍然是可期待的，即使不作为德国被动房技术的一个核心组成部分提出，绝大多数建筑的室内材料热惰性是可以缓解室温波动和提供相当程度的蓄热能力的。但该性能导致了德国被动房技术的初始阶段达温过程问题。由于德国被动房技术室内不具备主动供热能力，向室内输入能量的方式仅限于内扰。而在建筑物投入使用之前，除了日射部分，其它内扰均未发生。因此建筑物在投入使用初期，室温从初始的接近室外温度状态升到正常室温需要极为漫长的时间。在此期间，所有开始使用后的内扰热量，均被室内蓄热材料所吸收，而无法用于室内升温。这个问题对于间歇使用的建筑而言极为关键，如学校、办公楼、商场等建筑的周一上学、上班和开门时段的达温阶段。
对于可能经常出现此类情况的建筑而言，过长的达温阶段显然是难以接受的。而一旦采用其它的补热方式成为了经常性的使用需求，则电热器、其它低能耗、低品位的补热/ 供暖方式等需求必将出现。基于此现象考虑技术经济性，可能会动摇被动式节能理念的根基。
7 德国被动房技术与夏季内外扰成因及消除方法的理念冲突
如上所述，被动式节能理论所诉诸的通过热平衡保持室内温度舒适的手段，是假设在供热季内外扰所形成的热流为相反方向，从而可以通过改变围护结构的热工性能，使得外扰不大于内扰，从而在理想（设定）条件下相互抵消，以此完全取代供热能耗。
但内外扰所形成的热流在供冷季并非是反向的，而是同样作为“得热”而最终形成冷负荷。在此情况下，室内并无如供热季外扰所形成的建筑物由内向外的热损失（或可称为“冷扰”），而是均为“热扰”。在“热扰”叠加的情况下，内外扰相抵的情况无从发生，从而使得被动式节能的原理在供冷季无法实现。
由于室外温度在供热季和过渡季处于低于室温的情况（θ外 ≤ θ内），因而存在着一个持续的自然冷源，引入新风可以作为一个抵消过热的外扰（冷扰）来运用。因此对于供热季主要季节的气候区域，过热问题可在某种程度上通过开窗或机械引进新风来消除。
但一旦室外温度持续高于室温的情况出现，则必须由外部输入冷量来消除热扰。此时，德国被动房技术通过围护结构提升热工性能所能做到的上限，无非是提高热阻和增强遮阳以使外扰无限小。然而即使外扰为零，由于内扰的原因，冷负荷仍然存在。此时由于室外温度大于等于室温（θ外≥θ内），不再存在自然冷源，故开窗或机械引进新风的方式也不再有效。
8 过渡季所期待的内外扰相抵效应发生的不利变化
几乎所有需要维持室温的气候区域都存在或长或短的过渡季，其定义是在供冷和供热之间无需提供任何人为干预室温手段的时段，一般而言为春秋季时段。不同的气候区域过渡季长度和气候条件有所不同，不排除出于“行为节能”而人为停止干预的“强制过渡季”，如中国北方的供暖期与欧洲设定室外温度 15℃为限之间的时间段。在该时间段中，一方面室外气候条件基本能满足人体舒适的要求，另一方面，出于行为节能，人们主动放弃对室温的精准控制。
但过渡季的一个特征，则是室外温度在室温（26℃）上下波动；另一个特征，则是日照得热与供热季相比开始大幅增加，即内扰（热扰）实际上相比冬季是有所增加的。
由于围护结构和室内蓄热材料的热惰性，外扰和内扰将以滞后的方式形成负荷，即室内的温升将落后于内外扰的发生，从而使得室温的波动趋于平稳。但最终减少室内温度波动的因素，是在一个波动周期内的室内热平衡。如果在周期之内热平衡无法实现，则室温终将偏离。
与供热季相比，过渡季节的总得热（热扰）是增加的，而冷扰则开始大幅下降（26℃ ≥θ外≥15℃）。此时能够维持热平衡的条件，只能通过维持较高的冷扰来达到。尽管与供热季室温相比所设定的室温较高（26℃），同时允许室温有限的波动，但可资使用的自然冷源品位也大幅下降，考虑到日夜波动及周期性升降，该自然冷源也无法全时段满足需求。即在过渡季的首要任务，变成了增大冷扰的能力，从而达到周期性的热平衡。
在过渡季可用于热平衡的冷扰，主要有围护结构散热和新风换气两部分。但两部分在过渡季都是周期性的在冷热扰之间的反复波动。而围护结构散热能力则正是与保温能力相矛盾的热工性能：所有围护结构的保温性能提高，都意味着散热能力的丧失。
尤其是被动式节能技术的原理，实际上就是将原来发生在过渡季节的室内外热平衡时间段，通过改善围护结构热工性能移到了供热季。而在此情况之下，过渡季与供热季的外部条件变化，除了目标温度（室温）升高了6℃（20℃——26℃）外，热扰（部分时段外扰）大幅增加，冷扰（部分时段）则同步大幅减少。
与此同时，还需要考虑到传热的驱动温差。由于过渡季的冷源（室外空气）温度与室温之间的温差大幅减少（q £ 26℃ - 15℃），在同样的传热系数 / 比热容前提下，单位面积围护结构的传热能力和单位体积新风的显热携带能力均与供热季有大幅的下降。即在过渡季同样面积围护结构所能获得的单位冷量或许只有供热季的几分之一。
而实际的单位面积传热能力还要小于上述比例。由于外墙结构及保温材料所造成的温度梯度影响，小于5℃的室内外温差很可能使围护结构处于近似“绝热”的状态，即通过围护结构的热流几乎可以忽略不计。
因此，在过渡季的热平衡几乎难以实现，以至室内会频繁地出现温度过高的情况。而此时由于新风携带冷量的能力大幅下降，使得通过新风实现热平衡需要通过放大3 倍的风量来实现，而这会带来室内气流组织的问题。在被动式节能技术要求大幅度减少冷风渗透的情况下，开窗成了唯一可行的手段。而开窗的极限经常难于满足热平衡的要求，同时还需要面对全面开窗所带来的相关问题（如室外空气污染、噪声污染、室内风速过高等）。
由于室内人员在过渡季对室内舒适度的期待与供热季有所不同，对室内过热的耐受能力不如供热季。如在供热季，在人员出入室内外阶段，除了身上衣着、所携带的物品等会带入部分未计算在内的“外扰 / 冷扰”，从而减轻室内过热外，室内较高温度所带来的“烘烤感”，也是较为受欢迎的。偏高的室温（≥20℃），能较快地提高进入到室内的人员的体感温度。而在过度季节，较高的室温则容易引起人体的不适。
9 结论
按以上分析的结果，以德、奥两国为背景发展而来的德国被动房节能技术的适应范围局限于与德、奥相似的气候区域，即中国建筑气候分区中的寒冷地区。而其它地区则由于气象条件的差异，需要对被动式节能技术进行技术路线的思考、检讨及修正。而“近零能耗技术”[9]则更加能够适应多种气候区域和不同季节。
参考文献
[1] 李雪光. 伟大节能房: 被动式技术在夏热冬冷地区的应用[J]. 建设科技,2015,(15):78-79
[2] 沃尔夫冈·菲斯特, 郭凌, 盛巳宸等. 中国的被动房发展——健康、舒适、经济与可持续 [J]. 动感( 生态城市与绿色建筑),2016,(03):31-37
[3] 彭梦月. 欧洲超低能耗建筑和被动房的标准、技术及实践[J]. 建设科技,2011,(05):41-47+49
[4] 卜晖 , 王志勇, 喻鹏等 . 夏热冬冷地区被动房可行性研究[J]. 湖南城市学院学报, 2019,1(28): 53–57
[5] 程晓金. 被动式超低能耗建筑设计理论及实践研究[J]. 建筑节能,2017,(4): 143–144
[6] 马浩天. 夏热冬冷地区被动式办公建筑围护结构与自然冷却节能潜力的研究[D]. 南京师范大学, 2019
[7] 王浩宇. 夏热冬冷地区被动式居住建筑能耗与气密性指标研究[D]. 南京师范大学,2017
[8] 徐伟, 孙德宇. 中国被动式超低能耗建筑能耗指标研究[J]. 动感( 生态城市与绿色建筑),2015,(01):37-41
[9] 中华人民共和国住房和城乡建没部: 近零能耗建筑技术标准. 中华人民共和国国家标准, GB/T 51354 一2019. 北京：中国建筑工业出版社，2019
