作为处于经济飞速增长阶段的发展中国家，2019年，中国能源消费加速增长，一次能源消费增长占全球净增长的3/4以上，是最大的能源驱动力[1]。能耗的3个主要组成部分是工业、交通和建筑。2018年，中国建筑运行总商品能耗约为10亿吨标准煤，约占全国能耗总量的22%,建筑运行的碳排放总量为20.9亿吨CO2,占全国能源碳排放总量的20%[2],建筑建造能耗和运行能耗如图1所示。同时，建筑又是节能减排潜力最大的行业，因此建筑节能是降低能源消耗、减少CO2排放的关键环节。作为节能建筑的被动式建筑，相比传统建筑可节能80%～90%以上，提升建筑性能5～10倍，是减少建筑能耗、降低碳排放量、提高建筑舒适性的最有效途径[3]。

被动式建筑的概念是20世纪80年代德国在低能耗建筑的基础上逐步建立起的[4]。德国被动房研究所拥有其商标知识产权。欧洲围绕“被动式建筑”所开发的建造业已形成庞大完整的产业供应链体系，已建成各类被动式建筑超过10000栋。2000年以后，随着被动房的标准化，被动房开始在世界范围内推广。2008年，中国正式开展被动式建筑项目，开始探索中国被动式建筑的技术和发展路线[5]。

中国地域辽阔，气候复杂，被动式建筑的研究与应用有其自身特色。围护结构是被动式建筑的技术重点，有必要对其进行分析研究，为中国被动式建筑的研究和发展提供清晰的思路。本文首先介绍了中国被动式建筑的发展状况，然后介绍了中国被动式建筑围护结构方面的研究成果，最后提出了在被动式建筑发展过程中存在的难点以及未来的发展方向。

1、中国被动式建筑的发展

被动式建筑是被动式超低能耗建筑的简称，也称被动房、被动式住宅，属于近零能耗建筑，是适应气候特征和自然条件，通过高保温隔热性和高气密性的围护结构，利用高效的热回收技术，尽可能地降低建筑供暖供冷需求，充分利用可再生能源，用更少的能耗满足绿色建筑基本要求并提供舒适的室内环境的建筑[6]。20世纪90年代，中国开始出现有关被动式太阳房的研究，例如张新范等[7]根据农村实际建设经验总结了被动式阳光房的施工要求；王万江等[8]提出了中国发展被动式太阳房的应用性分析。这些研究为中国被动房的发展奠定了基础。但总体来说，中国被动房研究起步较晚，发展滞缓。直到21世纪又才开始涌现被动房相关研究，中国被动房的发展进程见表1。近年来，在政府陆续出台相关政策和经济鼓励方案的支持下，被动房发展迅速，建设了大批被动式建筑示范项目。

截止2019年底，中德共同实施建成被动式超低能耗建筑示范项目共计41个，建筑总面积超过74万m2,覆盖中国4个气候区12个省(直辖市),其主要分布在山东省和河北省内[14]。

可见，中国被动房从与德国合作开始起步，随着国家对建筑节能的不断重视，中国被动房建设发展稳健，在政府支持下，相关政策、规划相继出台，呈现出良好的发展势头。

2、中国被动式建筑围护结构优化

被动式建筑就是综合利用被动式节能技术的建筑，导则[6]中提出被动式建筑的主要技术特征有保温隔热性能更高的非透明围护结构、保温隔热性能和气密性能更高的外窗、无热桥的设计与施工，建筑整体的高气密性，这些都是对围护结构系统的要求。通过围护结构的热损失能耗占建筑运行总能耗的50%以上。总之，围护结构是最重要的被动式技术，它是室内外环境隔绝的屏障，其隔热保温能力、蓄放热能力不仅决定了室内热环境的舒适度，还是影响建筑运行能耗的主要因素。

被动式建筑围护结构包括非透明围护结构和透明围护结构，非透明围护结构即外墙、屋面和地面，透明围护结构即外门窗，其具体性能参数要求见表2。通过表2可以看出，纬度越高的气候分区，要求围护结构的传热系数越小，而SHGC即太阳得热系数越大。综合考虑冬季采暖和夏季散热要求，在炎热地区，围护结构侧重隔热，而在寒冷地区则以保温为主。为了实现以上性能要求，被动式建筑围护结构主要从结构、材料两个方面开展研究。此外，针对不同热工气候分区，围护结构整体综合设计优化研究也至关重要。

2.1 非透明围护结构

在现有建筑中，外墙和屋面的热量损失约占围护结构总热损失的70%～80%。因此，提高外墙和屋面的保温隔热性能是建筑节能的最有效方式。影响外墙和屋面保温隔热性能的主要因素是其结构设置和所使用的材料。

从结构上看，被动式建筑外墙主要是设置保温层，通过增加保温层厚度来提高保温隔热性能。被动房屋面除了设置保温层外，往往还设置上下2层防水，在增强保温隔热性能的同时，还能提高气密性[15]。此外，还有一些针对特殊结构和新结构提出的研究，为被动式建筑非透明围护结构的发展提供了新的研究思路，如曹双梅等[16]还介绍了单一墙体材料的外墙自保温系统，该系统与墙壁内保温系统相结合能较方便地实现更高的节能要求，是中国墙体节能保温的一种发展趋势。余九如等[17]研究了集热蓄热墙作为被动房主要得热部件后提出，该类型外墙构造简单、运行可靠、热效率高及节能效益显著。

陈滨等[18]提出了在特朗贝墙内安装卷帘可减少夜间热损失，使墙体温度提升近2℃,并总结了最佳安装位置的计算公式，对提高室内热舒适具有积极意义。陈其针[19]提出了结合相变墙体的被动式太阳能建筑的改进方案，并验证了改进方案能有效改善冬季和夏季室内热舒适性。Wang等[20]在华北地区被动式太阳能房屋中设置了水蓄热墙体，将其与传统墙体作对比发现，可降低8.6%的年能耗，提高室内热舒适度评价指标12.9%。Zhu等[21]研发了“变色采暖降温太阳墙”技术，解决了目前太阳房集成热利用过程中出现的夏季过热及运行过程中风机风门手动控制不方便等瓶颈问题。

从材料上看，被动式建筑的外墙主要采用以模塑聚苯板(EPS)为保温材料的保温系统[15]。屋面保温则采用抗压强度和防水性更好的保温板(如XPS)。除保温层材料外，围护结构本身采用新型建筑材料，能更大程度地提高被动式建筑的保温隔热性能。这方面的研究有很多，如马斌齐等[22]开发出的调湿建筑材料，对调控被动式居住建筑室内湿度有很好的效果。张群力等[23]对使用相变材料的被动房进行了研究，提出被动式相变蓄能建筑与常物性蓄能建筑相比可显著提高相变温度附近的自然室温保证率。陈超等[24]通过模拟实验分析出应用复合相变墙体材料的被动式太阳房有更明显的太阳能储能作用，可提高房间壁面温度的稳定性，减少房间空气温度的波动。

国内学者的相关研究主要集中在墙体结构和建筑材料两个方面，不仅通过实验分析对现有结构和材料进行了性能验证，还开发出了新的结构和材料，对被动房围护结构的研究进行了补充和发展。建议可结合最新纳米材料技术等进行研究，进一步提高围护结构性能。

2.2 透明围护结构

透明围护结构中，外窗系统是影响围护结构保温、防水和气密性的关键部分，其热损失可达围护结构总热损失的20%～30%,因此必须采用高效节能的外窗系统。

被动房的外窗常用5～6腔木框或PVC塑料型材，填充高效的发泡芯材保温，采用双Low-E三玻两腔中空玻璃，玻璃间充惰性气体(氩气或氪气)或采用复合真空玻璃[15]。整窗的U值≤0.8W/(m2·K),太阳能吸收系数维持在50%左右。被动式建筑的外窗是目前市场上性能最优最节能的窗户，综合考虑了窗户的传热系数、玻璃的太阳能总透射比(g值)、玻璃的选择性系数等多个控制性参数，既能保温隔热隔声，同时还不影响自然采光。

对被动式建筑外窗系统的研究，主要是从窗墙比和玻璃配置两个方面进行。在窗墙比研究方面，不同朝向的最佳窗墙比不同，不同气候分区各朝向的最佳窗墙比也各不相同。Han等[25]对安徽南部传统建筑进行了被动式改造，将窗墙比从20%提高到30%之后，建筑能耗显著降低。

在玻璃配置方面，被动式建筑玻璃配置可考虑的因素较多，如玻璃层数、Low-E膜、真空层、惰性气体等都是提高玻璃保温隔热性能的有效措施。Liang等[26]对北京农村住宅建筑进行了被动式改造，用双层玻璃取代单层玻璃后，年供热能耗明显降低。黄护林等[27]通过数值模拟研究了南向有大面积窗后添置透明蜂窝时室内热环境的变化，提出蜂窝的低热损和低太阳高度角时较高的透过率可使冬季房间热环境维持相对较高温度，夏季维持相对较低温度。

中国被动房透明围护结构的研究主要集中在外窗系统的窗墙比和玻璃配置两个方面。影响窗墙比设置的因素有很多，不同气候分区、不同朝向的窗墙比设置都有差别，具体案例需要具体分析。被动房的玻璃配置形式多样，国内学者对不同玻璃配置在节能和室内舒适度方面的影响进行了大量研究。

2.3 围护结构综合设计优化

中国幅员辽阔，地形复杂，气候跨度大，在《民用建筑热工设计规范》(GB50176—93)[28]中，以最冷月平均温度为主要指标，将中国分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区五类建筑热工分区。Schnieders等[29]通过动态热湿模拟表明，包括中国上海在内的5个典型城市所代表的世界上所有相关气候区，均可实现被动房。

中国面积与欧洲整体面积近似，可以参考欧洲各国的经验对中国相应气候分区进行被动房建设[4]。但中国不同气候区对被动房性能需求的影响比欧洲更为强烈，因此对不同热工分区需要制定针对性方案。部分学者对围护结构各方面参数综合优化，研究针对具体气候区的最佳设计方案。如Wang等[30]以天津住宅公寓为模型，提出了一种适应于寒冷地区的被动房设计三阶段多目标优化方法，对外墙、屋顶、外窗的性能参数和窗墙比进行了优化，使得节能率可达88.2%。Yan等[31]对以内蒙古为代表的严寒地区农村住宅进行了被动式改造，通过设置XPS保温板、3层中空玻璃来降低围护结构传热系数，可实现74.8%的节能率。

即使各种被动式技术组合起来对舒适度贡献程度一致，不同气候区，单项技术之间也会有明显差异[32]。因此，部分学者依据热工气候分区进行了被动式设计分区研究。夏伟[33]计算了中国200个城市的数据，建立了中国全气候区的被动式技术适用性分区的方法模型。杨柳[34]根据不同地区被动式太阳能采暖有效利用时间，提出了中国被动式设计分区，包括5级，9个设计区，并提出各设计分区的设计原则及具体措施。Gong[35]提出了一种基于正交阵法和列表法的无源节能优化法，对中国25个城市的被动式技术进行了优化，包括墙体厚度、屋面保温厚度、外墙保温厚度、朝向、窗墙比、玻璃类型、阳光房深度、悬挑深度，并确定了7个具有相同优化组合和被动设计特征的被动式设计分区。

国内对被动房围护结构综合设计优化的研究主要分为具体研究和综合研究两类。具体研究是针对具体气候分区提出的具体优化设置，具有针对性，考虑参数较多且具体，节能效果直观。综合研究是根据全国不同热工分区的气候特征，建立被动式技术适应分区，具有普适性，但具体参数设置笼统，仅为各地被动房设计提供方向。中国被动房围护结构综合设计优化研究面广，内容复杂，目前研究未成体系，仍需发展。

3、中国被动房发展难点

中国被动式建筑发展迅速，特别是21世纪以来，与德国合作不断深入，建设了大批被动式建筑。但现阶段，中国被动房仍处于发展阶段，面临很大的挑战，同时由于社会经济发展的制约，中国被动式建筑也存在很多亟待解决的难题。

3.1 建造成本高，收益慢

从被动式建筑围护结构来看，对比传统建筑，其结构复杂，所使用的高性能建筑材料价格昂贵，需要较高的建造成本。从Su等[36]研究的建筑能耗和碳排放详细生命周期可知，从全生命周期来看，被动式建筑的总能耗和碳排放量比传统建筑低17.4%和22.7%,但在建造阶段，被动式建筑能耗相对较高，短期内无法收回建造成本。因此，被动房的发展过度依赖政府支持和财政补贴。

从彭梦月[5]介绍的中国被动房示范工程和成本效益可以看出，中国的被动房建设项目在全气候区分布不均衡，仅在推出了针对性的财政补贴方案的部分气候区数量较多，这导致南方能达到高节能率气候区的被动房建设项目数量反而没有北方多。各地对被动房的重视程度不同，而是否有当地被动房设计标准和支持政策的出台，势必会影响被动房的推广。

3.2 施工技术、建材标准要求高

为实现高保温隔热及气密性，一方面，被动房围护结构相较于传统建筑结构更加复杂，甚至需要建造一些特殊结构的墙体，因此被动式建筑对施工技术要求较高。彭梦月[15]介绍了被动房的关键技术和材料要求，比常规节能建筑在建筑构造、建材、热桥和建筑气密性处理方面要求更加严格。戴占彪等[37]研究了被动房保温系统复杂的施工工艺及无热桥施工技术。潘玉勤等[38]研究了提升被动房门窗性能的型材及结构。

研究表明，由于被动房标准对建筑性能的严格要求，与传统建筑相比，被动房的施工技术更加复杂，施工质量要求更高。另一方面，被动式建筑对建材的各方面性能要求更高，但目前没有明确的被动房施工和建材标准，施工质量和建材性能难以保证，这些都会对被动房的建设质量产生影响。

3.3 被动式技术综合应用困难

中国有多个气候分区，不同气候区的被动房建设要求不同。任志刚等[39]从气候方面研究了德国被动房在中国的适应性，提出中国被动房制冷和除湿需求大，不同纬度下的采暖需求不同。夏伟[33]和杨柳等[40]根据被动式技术的气候适应性分别提出了基于被动式技术的气候分区，为不同气候区的被动式技术综合利用提供了一种思路。单项被动式技术在不同气候区对被动房性能的贡献程度不同，不同被动式技术组合对被动房性能的贡献程度也不相同。因此，在众多被动式技术中，根据各气候区的性能要求，综合考虑成本和构造，选择合适的被动式技术组合是被动房建设的重点。

4、结论

被动式建筑与自然环境相结合，可最大程度地减少能源的消耗。被动式技术发展迅速，是最易实现、最具潜力的节能建筑。中国经济发展迅速，建筑规模不断扩大，处于建筑建设发展的高峰时期。同时，随着节能减排意识的不断普及，中国宽广地域上的老旧建筑节能改造市场也非常庞大。因此，被动房在中国的推广势在必行。中国被动式围护结构研究广泛，既有国际上通用的设计方案性能研究，还有自己的技术创新研究。

依据气候特点，对不同气候区的围护结构被动式设计综合利用优化研究较为深入。虽然理论研究较为丰富，但实际建成的被动式建筑项目较少，行业发展不充分，仍须注重加强中国被动房设计人才的培养及施工人员的培训，提高专业素养与能力，建立起属于中国的独立设计施工队伍。同时，应引进先进的被动房技术，提升被动房建材性能，建立起严格的行业标准和规范体系，为被动房在中国的发展夯实基础。

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文章来源：赵璐绮,林尧林,黄兴华.中国被动式建筑围护结构研究进展综述[J].四川建筑科学研究,2021,47(03):85-91.