1.被动房的起源

被动房最初是指在寒冷的气候条件下，建筑不需要采暖设备，仅通过围护结构保温就能实现较舒适的室内环境。按照该理念实现的第一件作品是1883年在挪威建造的弗拉姆（Fram）号极地考察船（图1）。这艘35m长、用橡木建造的考察船，载重量为800t，配有三桅风帆和220马力的柴油动力螺旋桨，曾是当时世界上深入极地最远的考察船。在南极、北极极度寒冷气候条件下，该船不需要开启采暖火炉，即可保持船体内较为舒适的温度。实现这一效果主要依靠优秀的保温构造，船壁和甲板构造厚度达40～50cm，由多层材料组合而成，窗户由3层玻璃构成。如今，这艘船作为一座博物馆在奥斯陆被保护下来。

图1挪威弗拉姆（Fram）号极地考察船，资料来源www. timbowden.com.au

在欧洲寒冷地区，建造一栋不用采暖就能过冬的房子，对很多人来说是梦想也是挑战。20世纪，在北欧和英国，有建筑师、工程师小范围地尝试建造不用采暖设备就可以过冬的住房。1973年，位于哥本哈根的丹麦科技大学建造了一栋试验性被动房建筑，实际上它还没有达到被动房的水平，只能被称作低能耗建筑，但它为后来被动房技术体系的完善积累了宝贵的经验。早期的被动房实践暴露出许多问题，缺少高性能窗户，人们没有意识到建筑气密性的重要性，不少项目采用了复杂的技术设备和构造机关，使建筑后期使用围护复杂且成本高。人们在不断摸索，尝试各种技术组合，进行理论研究、模拟计算，但还是没能找到最佳技术组合。为减少热能损失，必须提高建筑气密性，提高气密性就必须通过新风系统保证室内空气质量，而根据当时的技术，仅维持室内新鲜空气一项就需要35kWh/m².a的电能，高于现代被动房采暖能耗标准的2倍以上。

德国经过几十年的努力与实践，建筑节能技术和标准大幅提高。德国低能耗建筑根据建筑能耗水平划分为3个等级。在达到相关规范所要求的建筑室内舒适度和健康标准的前提下，建筑物对一次性能源的需求量如表1所示。

表1 不同建筑一次能源需求量

除此之外，还有两个重要的概念，零能耗建筑（zero energy building）和产能建筑（plus energy building）。零能耗建筑通常是通过被动设计，使建筑的能源需求量降到很低，进一步采用可再生能源（太阳能、生物质能等），覆盖所需能源，建筑不依靠外部能源；产能建筑采用可再生能源（太阳能、生物质能等），覆盖所需能源之外，建筑向外部输出能源。

需要注意的是，这里的能耗是指一次性能耗（primaryenergy），房屋采暖使用的能耗为终端能耗（end energy），一次性能源（石油、煤、天然气等）经过燃烧和输送才能把热能送到房间里，这一过程中有相当的损耗，因而，如果房间里采暖使用1kWh的能源，则需要大于1kWh的一次性能源供应。如果使用电加热，使用1kWh的电则大约需要消耗3kWh的煤炭，是一次性能源消耗量的3倍。

德国2014版节能条例于2014年5月1日生效。新版节能条例在2009版节能条例的基础上，提高了建筑节能要求，分两步共降低建筑一次性能源消耗量25%。执行新版节能条例后，建筑采暖能耗约为50kWh/m².a，即德国新建建筑都必须达到低能耗建筑的标准。

德国要求自2021年起新建建筑达到“近零能耗建筑”（nearly zero-energy building）标准。“近零能耗建筑”是指建筑物具有非常高的节能性能，建筑物在运行过程中按照欧盟指令2010/31/EU附件1方法计算出的运行所需的一次性能源消耗几乎为零或非常低，而这部分能源消耗的大部分由建筑自身或附近生产的可再生能源提供。

德国《节能法》（EnEG2013）要求自2019年起新建政府公共建筑达到近零能耗建筑标准、2021年起所有新建建筑达到近零能耗建筑标准、2050年所有存量建筑改造成近零能耗建筑。采用被动房超低能耗建筑技术体系和提升可再生能源使用比例是德国实现上述宏伟目标的主要技术路线。

1988年瑞典隆德大学（Lund University）的阿达姆森教授（Bo Adamson）和德国的菲斯特博士（Wolfgang Feist）在共同进行的低能耗建筑研究项目过程中，首先提出完整的“被动房”建筑技术体系，找到了被动房的最佳技术组合（图2）。阿达姆森教授和菲斯特博士都是建筑物理学家和工程师。1990年，在菲斯特博士的参与下，达姆施塔特克兰尼斯坦区（Darmstadt-Kranichstein）成功建造了世界上第一栋被动房试验建筑（图3～５）。这是一座4户连排私人投资建设的住宅，每户156m²，建筑师是Bott/Ridder/Westermeyer设计公司。项目受到德国黑森州政府的资助，这座被动房非常成功，至今一直有4个家庭居住在里面，多年实际运行监测数据显示，其采暖能耗小于12kWh/m².a。

图2 Bo Adamson（左）和Wolfgang Feist 1998/杜塞尔多夫在第二届被动房年会上，资料来源 PHI

图3 世界上第一栋被动房建筑德国Darmstadt-Kranichstein连排住宅，资料来源 PHI

图4 德国Darmstadt-Kranichstein连排住宅室内环境，资料来源 PHI

图5 德国Darmstadt-Kranichstein连排住宅剖面，资料来源 PHI

1996年，菲斯特博士在德国达姆施塔特创建了“被动房”研究院（PassiveHouse Institute简称PHI），该研究院作为独立的科研学术机构，是被动式建筑研究领域的权威机构，为世界上第一栋被动式住宅、第一栋被动式办公建筑、第一栋被动式学校建筑、第一栋被动式体育馆、第一栋被动式游泳馆、第一栋被动式工业建筑、第一栋既有建筑被动式改造等提供设计咨询、技术支持及后续跟踪研究。同时，被动房研究院编制出版了被动房设计手册（PHPP，Passive House Planning Package）、被动房计算软件、被动房评价认证标准、被动房部品认证标准，并不断进行设计方法和认证标准的维护和更新，并对达到被动房标准的建筑、建筑部品（门窗、保温系统、空调、新风设备等）进行认证。

图６德国被动房认证标识

4.1被动房的定义

在德国，被动房是指仅利用高效保温隔热、太阳能、建筑内部得热等被动技术和带有余热回收的新风装置，而不使用主动采暖设备、实现建筑全年达到ISO7730规范要求的室内舒适温度范围的建筑。

被动房舒适度核心指标包括：室内温度20～26℃；围合房间各面的表面温度不低于室内温度3℃；空气相对湿度：40%～60%；室内空气流速小于0.2m/s。室内表面不能出现凝结水和长霉。德国被动房标准不仅能耗超低，而且室内舒适度明显高于我国现行规范要求。

被动房核心能耗指标包括：被动房的采暖能耗量≤15kWh/m².a，一次能源总消耗量≤120kWh/m².a。

4.2被动房住宅建筑的设计（针对中欧地区气候条件）

被动房需要细致精心的设计与施工。设计建造被动房，需从以下几方面入手：紧凑的建筑体型系数，控制窗墙比，极好的外围护结构保温隔热性能（屋面、墙体、地面、门窗），适当的遮阳设施，严格的建筑气密性要求，带有高效热回收的通风换气系统（图7）。在设计过程中通常须满足以下要求：

（1）高效外保温：不透明的外维护结构的U值必须小于0.15W/m²k。即当室内外温差为10℃时，外墙散热量不超过1.5W/m²。

（2）高效外窗：透明的围护结构（窗户、幕墙等，含窗框）的U值必须小于0.8W/m²k，总能量穿透率G值小于50%。

（3）东西向窗（±50°）和水平窗（坡度小于75°）的窗地比小于15％，南向窗的窗地比小于25％，超过限值须设置遮阳系数大于75％的可移动式遮阳设施。

（4）舒适新风系统，保持室内有足够的新鲜空气，余热回收率75%以上。在室内出风口的送风温度不得低于17℃。必须保证均匀流过的所有领域和所有房间（通风效率）。通风设计应满足空气卫生要求（DIN1946）。通风系统的噪声值要小于25分贝。

（5）每个居室、卧室等主要房间至少有一扇可开启窗户，尽量保证建筑对流通风降温。

（6）杜绝冷桥，所有建筑外围护结构，特别是阳台、挑檐、女儿墙、飘窗等出挑部件必须严格保温处理。

（7）建筑气密性达到0.6倍以下（在室内外50Pa压差情况，换气量小于每小时0.6倍）。

图7 被动房构成要素示意图，资料来源 PHI

4.3被动房核心技术指标

被动房的采暖一次能耗量≤15kWh/m².a，或采暖负荷≤10W/m²；制冷（含除湿）一次性能耗小于15kWh/m².a+0.3W/(m².aK)·TGH（Trockengradstunden）。或制冷负荷≤10W/m²，同时制冷需求≤4kWh/( m²·a K).ϑe+2x0.3W/(m²aK).TGH–75kWh/(m²·a)。但最高不超过45kWh(m²a)+0.3W/(m²aK)·TGH。按照被动房设计手册（Passive House PlanningPackage ，PHPP）计算方法计算。

其中ϑe：年平均室外温度℃，TGH：干度时数，指全年之中，露点温度和参考温度（13℃）的差值为正数时，所有时间的积分数值。

一次能源总消耗量不超过120kWh/m².a（含采暖、制冷、生活热水、家用电器，辅助电源、公摊用电等，按照被动房设计手册PHPP方法计算）；建筑气密性n50小于0.6/h（在室内外空气压差为50Pa的情况，换气量小于每小时0.6倍）。

4.4被动房设计计算模型边界条件

按照被动房设计手册（PHPP）的要求，被动房设计计算模型边界条件如下，采暖设计温度20℃，空调设计温度25℃，人员密度35m²/人，换气量20～30m³/h人，最小换气量0.3倍，室内CO₂含量小于1 000ppm，生活热水需求60℃，25L/人天，室内热源2.1W/m²，夏天室温超温频率（超过25℃时间）小于10％，等等。

此外，被动房的设计建造还需满足德国其他相关规范，如：

（1）舒适度标准：《适中的热环境—PMV与PPD指标的确定及热舒适条件的确定》（ISO7730）；

（2）外墙U值：EN6946；

（3）冷桥：ISO10211；

（4）外窗：ISO10077；

（5）玻璃Ug值：EN673、g-Wert EN 410；等等。

4.5德国被动房标准对既有建筑改造的评价和认证

对既有建筑改造的认证（EnerPHit）可以通过两种方法获得：

4.5.1计算方法：即按照被动房标准提供的计算方法和边界条件，通过计算，证明改造后单位建筑面积的采暖能耗值QH≤25kWh/m².a年。同时须满足外维护结构基本传热系数限值要求。

4.5.2建筑构件认证：通过使用获得被动房标准认证的构件系统，如外保温系统、外窗系统进行改造；或通过提供相关资料证明建筑构件达到相关要求。

主要技术要求如下：

（1）不透明外墙外保温，传热系数≤0.15W/m²K；

（2）不透明外墙内保温，传热系数≤0.35W/m²K。内保温系统只适用建筑外保温法规上被禁止使用，如历史保护建筑、或建筑构造上无法实施、或全寿命周期成本评估不经济的情况下；

（3）外窗传热系数≤0.85W/m²K（安装到建筑上的综合U值）；

（4）户门传热系数≤0.85W/m²K（安装到建筑上的综合U值）；

（5）所有采暖房间都须安装带有热回收设备的通风换气装置，系统热回收效率≥75%；

（6）气密性最低要求n50≤1.0/h，目标值n50≤0.6/h；

（7）采取适当的构造措施，保证建筑内墙不出现任何潮湿结露现象。

被动房是最初主要针对中欧地区住宅建筑而研发的技术体系（图7），其最大优点是相比其他低能耗技术体系建设投资少，运维成本低；有较高的热工舒适度，使用舒适方便，经久耐用、不易出现建筑损伤。

图8 德国弗来堡Weingarten-West 1960年代的高层住宅改造成被动式住宅项目，资料来源 PHI

目前被动房技术体系不断发展完善，除居住建筑以外，已扩展到其他建筑类型，包括办公、学校、酒店、体育馆、博物馆、工业建筑等，项目也拓展到其他气候地区：包括欧洲、亚洲、北美洲、南美洲、澳洲（图9、10）。

图9 2012年落成的世界上最大规模的被动式办公建筑，维也纳RHW2办公楼，使用面积21 000m²资料来源PHI

图10 维也纳RHW2办公楼门厅（上）及室内（下），资料来源 PHI

被动房的成本增量，主要体现在增加的外保温、消除冷桥构造、高性能门窗、带热回收的新风装置和提供气密性的建筑措施。根据欧洲低成本被动房标准（CEPHEUS，Cost-Efficient Passive Houses asEuropean Standards）提供的数据，被动房的成本增量为建筑造价的5%～8%，但30年使用运行下来，考虑前期成本增量和资金成本，对照30年节约能源的效果，二者经济效益基本持平。而被动房可以获得更好的室内舒适度，更好的抵抗能源价格浮动的风险，更好的环境效益。

被动房如果设计得好，可以节省常规建筑的采暖设备投入，包括冷热源设备和末端设备的投入。这部分成本基本可以抵消被动房的成本增量，这种情况下，在30年的使用运行中，被动房节约能源部分的成本就非常可观了。

在德国，复兴银行（KreditanstaltFuerWiederaufbau）为被动房提供低息贷款。此外，还有很多联邦州的区域财务资助计划。

奥地利对被动房的资助力度更大。国家最高资助可达被动房建造成本的10%。在蒂罗尔州（Tirol）为被动房提供最高14个点额外的资助，满足资助条件的住房每平米每个点可获得8欧元的资助。例如一个4口之家，最高可补贴建筑面积为110m²，即880欧元每个点，14个点相当于12 320欧元的补贴（数据时间：2007年6月）。

在福拉贝格州（Vorarlberg），如果满足要求（包括收入、建筑平面、家庭人数等），对被动房子的资助最高可达1 100欧元/m²，最大面积150m²，最大支持力度为165000欧元。资助形式为长期低息贷款，贷款时间可达30年，利率极低，因而这种贷款对于年轻家庭和建筑业具有强烈的刺激作用。

欧洲被动房技术发展到今天，经历了漫长的路径，有众多的机构、科研工程技术人员的参与其中。随着技术的进步与突破，特别是能源价格的增长和建筑环保压力的增大，以及政府相关经济资助政策的扶植，才有欧洲今天被动房建设项目的大规模实施。

虽然大规模被动房项目的建设大幅降低了建筑采暖能耗，改善了室内热舒适度。但被动房技术对建筑节能和环境保护方面的贡献程度在西方国家存在一定争议。对被动房的批评，也集中在支持被动房一方所宣传的被动房的优点：

（1）相关被动房的节能量计算，常常以二战以前没有节能措施的老房子为比较对象，因而得出被动房所带来的巨大的节能效果。对比最新节能规范要求下的新建住宅，节能量并没有那么大。

（2）经济比较计算时，没有考虑现实情况，即被动房项目增量成本超过70%是由银行提供贷款支持，利息成本往往没有考虑在计算中。

（3）被动房所增加的保温和其他技术设备没有在建筑全寿命周期生态评价指标性能（Oekobilanz）中反映出来。

（4）带热回收的通风装置、三层双中空玻璃窗等技术已越来越多地用在节能住宅项目上，并不是被动房的专用产品。

被动房室内舒适度标准，相当于德国“全空调”（vollklimatisiert）室内环境标准，由此带来的问题是：舒适的室内环境需要精心设计、安装的通风系统。内部功能需要调整时就不那么简单。常规住宅如果将储藏间改成卫生间，只需要改变使用方式，增加开窗通风习惯或增设一个排风扇即可，而被动房可能不能轻易改动、否则技术系统就被破坏了。

有人认为，与被动房技术相比，在低能耗建筑的基础上，结合太阳能利用，能够在同样投资规模下，达到同样能耗水平、获得一个可以根据个人需求可调节的室内舒适环境，而且运行成本还能更低。通过降低外保温厚度，还能够有效改善建筑的生态评价指标性能（Oekobilanz）。

8.被动房建设及应用情况

根据被动房权威网站（www.passivhausprojekte.de）2015年1月底的数据显示，已有3 145栋建筑获得被动房认证，包括居住、办公、学校、博物馆、工业建筑等类型，总建筑面积超过100万m²。相关资料和实地考察显示，还有许多建筑按照被动房标准建造，但没有申请被动房认证，如正在建设的德国海德堡铁路城（Bahnstadt Heidelberg），项目用地116hm²，包含居住、教育、研发、商业、工业的全部建筑；法兰克福欧洲新城区（Europavietel）和雷德贝格新区（Riedelberg）中相当数量的住宅建筑群都是按照被动房标准建设，但没有申请被动房认证。估计已建成的被动房建筑总面积已超过数百万平米。

被动房研究院每年举办一次世界范围的被动房年会。近年来被动房年会每年都有超过1 000多位代表参会，行业内影响可谓巨大，亦有不少部品厂家积极参与其中。

9.被动房案例分析

9.1法兰克福CAMPO被动房项目（CAMPO amBornheimer Depot）

图11 法兰克福CAMPO被动房项目，街区广场及商业，资料来源 PHI

图12 法兰克福CAMPO被动房项目，住宅内庭园，资料来源 PHI

图13 法兰克福CAMPO被动房项目总平面，资料来源 PHI

图14 法兰克福CAMPO被动房项目住宅平面，资料来源 PHI

随着地铁的发展，原有的有轨电车系统逐步被淘汰，在法兰克福波恩海姆区（Bornheim），原先的有轨电车车库和修理厂的荒废土地被整理出来成为建设用地。这里距法兰克福市中心不到5km，政府部门就此建设项目举行设计竞赛，最终由多家建筑设计公司分别完成设计。规划方案形成了传统地中海城市空间街道尺度，完善了这一区域的街道空间，保留了原有修理车间的等历史保护建筑，将其改造成超市、零售商店和小酒馆，购物和美食相结合，形成高质量的新城区（图11～14，表2）。项目包含当时德国内城规模最大的146套被动式住宅公寓。

表2法兰克福CAMPO被动房项目技术指标

9.2海德堡铁路城（Bahnstadt Heidelberg）

海德堡铁路城位于海德堡市中心，用地范围116hm²，是目前世界上最大的被动房建设项目。这里曾经是德国铁路系统编组、仓储用地，随着铁路运输式微，用地被腾出成为城市开发用地。2007年进行城市规划深化设计，2010年开始建设，整个项目将提供居住、研发、商业和文化的充满活力的综合城区。

整个城区规划并承诺按照被动房标准建造（表3），包括办公、实验室、商业、电影院、学校、幼儿园、大学生宿舍、住宅等建筑类型（图15～19）。海德堡城建部门与海德堡气候保护和能源咨询机构（Klimaschutz and Energieberatungsagentur Heidelberg）及社区联盟（Nachbargemeinden）合作，共同负责被动房的实施质量保障。

表3海德堡铁路城主要技术指标

图15 海德堡铁路城规划总图，资料来源

第一期开发用地：60hm²，其中包括：居住9hm²，产业研发16.5hm²，校园4.5hm²，开放空间16hm²，社会基础设施3hm²，道路用地11hm²，公共设施包括：2个幼儿园、1个小学，1个文娱中心，3儿童游戏场。城区远期通过可再生能源提供市政供暖。园区还将实行智能电网系统。

图16 海德堡铁路城被动房住宅，资料来源卢求摄

图17 海德堡铁路城被动房办公研发建筑，资料来源卢求摄

图18 海德堡铁路城被动房住宅内庭园，资料来源卢求摄

图19 海德堡铁路城被动房住宅，资料来源卢求摄

9.3德国斯图加特Leonberg产能别墅

这座别墅位于斯图加特附近的莱翁贝格(LeonbergWarmbronn)小镇，不仅达到了被动房水平，而且还是一栋成功的产能建筑。该建筑坐落在山坡上，可以远眺平缓的山谷和对面山坡上的景观（图20～25）。业主是费仕（Fisch）教授，德国节能建筑领域的著名专家。这栋建筑突破了人们关于被动式超低能耗建筑的传统观念。早期的被动式建筑相对比较封闭，建筑形象大多比较平庸，室内常有过于封闭的感觉。而这栋建筑优雅、现代的形象，潇洒地嵌入山坡树木景色之中，南向巨大连通的玻璃面使周围美景融入室内，造就了这栋梦幻般的德式别墅。

图20 斯图加特Leonberg产能别墅，资料来源Fisch教授

图21 斯图加特Leonberg产能别墅，资料来源Fisch教授

图22 斯图加特Leonberg产能别墅餐厅，资料来源卢求摄

图23 斯图加特Leonberg产能别墅厨房，资料来源卢求摄

图24 斯图加特Leonberg产能别墅室外露台，资料来源卢求摄

图25 斯图加特Leonberg产能别墅起居室，资料来源卢求摄

我们听过许多类似的故事，早期建筑大师坚持自己的理念，为客户设计了全玻璃别墅，但盖好之后无法正常使用，夏天太热、冬天太冷，以至于业主与建筑师吵翻脸将建筑师告上法庭。可见大面积玻璃如果处理不当，建筑师要吃官司。但这栋建筑的业主本人就是一位出色的建筑机电设备工程师，经过精心设计、模拟计算，依靠先进的建筑材料和技术系统，使太阳辐射得到有效控制，建筑的采暖、制冷能耗需求很低。四口之家居住在这栋别墅里，一年四季的采暖、制冷、新风、照明、家用电器、生活热水、炊事等所有使用能源，全部来自于屋顶的光伏发电，业主不需要从城市购买任何能源，并且发电量还可为两辆私家电动汽车充电，满足日常交通能源需求。

建筑设计有完善的能源策略，通过先进监视系统，与建筑结合一体的光伏发电设施提供的太阳能（光伏发电和太阳能热）大于建筑总能源需求（采暖、生活热水、照明、通风、用电等）。大部分电能供建筑自己使用，多余的发电量通过智能管理并网（表4）。

表4 德国斯图加特Leonberg产能别墅主要技术指标

（注：发电余量相当于可以供一部中等电动小汽车行使65 000km的电量（17kW和/100km））

图26 斯图加特Leonberg产能别墅电动汽车，资料来源Fisch教授

10.中国被动房发展的思考

研究欧洲被动房技术发展及其应用实践，我们可以看出推动其发展的3方面主要动力。

首先是技术进步，理论研究的深入，计算机模拟技术提高，技术系统的完善与简化，高质量的门窗、保温材料、高效新风机组等产品的研发与量产。其次是经济动力，上述技术的进步、产品成本不断降低，节能标准的提高，导致增量成本相对更低，被动房的建设经济上有吸引力。第三方面是政府的推动和社会意识进步，社会范围环保意识的提高，摆脱对化石能源依赖的国家政策、政府资助政策都对被动房大规模发展起到重要推动作用。中国被动房超低能耗建筑的大规模应用和发展，也离不开高质量技术产品、市场经济吸引力和政府政策支持这三方面的动力。

德国被动房标准相当高，特别适用于当地的气候条件。中国幅员辽阔，有严寒到夏热冬暖等5个不同气候带，中国正在编制被动房标准。我认为中国必须建立与采暖度日数/空调度日数相关的中国被动房能耗标准，确立中国被动房室内舒适度标准和模拟计算边界条件，而不是一刀切地要求达到德国标准，采暖能耗≤15kWh/m².a。从科学角度来看，要求中国被动式建筑强制达到德国标准也不尽合理，例如哈尔滨的建筑采暖度日数大于德国，同样的被动式建筑维持室内同样舒适度，在德国法兰克福和中国哈尔滨的能耗肯定不一样；而广州的建筑制冷除湿负荷远大于德国，建造被动房建筑所面临的将是全新的挑战，在这里冬季保温不是主要问题，夏季遮阳、通风、散热成为主要矛盾，德国被动房标准没有在这样气候条件下大规模实践经验和成熟的解决方案，需要我们探索实践，建立相应的标准。

考虑到中国目前的建筑部品和技术水平，建议被动房标准分步实施。如初期3～5年时间，可定义为“中国被动房实验项目”，达到该级别的项目可授予“中国被动房实验项目认证”证书。这样可以降低成本，调动开发商和部品制造企业的积极性，大面积开展工作，积累数据，摸索经验。只要按照被动房理念设计建设的建筑，其节能性效果就会显著提高，对节能减排有积极作用。研究世界范围建筑节能发展的历程，对照今天中国面临的环境及能源问题的巨大压力和挑战，可以预见被动式超低能耗建筑是中国建筑发展的必然方向。

作者为洲联集团-五合国际副总，德国可持续建筑委员会（DGNB）国际部董事