摘要:通过布鲁克公寓项目,谈谈被动式建筑设计的几个常见的手段。本篇不谈美学思想和情怀,只谈技术。我们不当建筑界的罗永浩。

【科普向】不谈情怀,只谈技术:布鲁克公寓与被动建筑设计-建筑师之死设计: Peter Ruge Architekten
地点:浙江省湖州市长兴县
建筑面积:2200平方米
建成时间:2014
摄影: Jan Siefke

说到在中国活跃且能搞出点名堂的德国建筑师其实屈指可数。Peter Ruge应该算其中一个。

德国建筑师的一大优点就是重视技术。这种思路上的差别给他们开拓中国市场造成了一定的阻力:中国建筑界存在几个普遍问题,如施工水平较低,工期过快和造价低廉(当然在那些样板高楼大厦里预算又高得吓人),无形地限制了精细建筑技术的实际运用。有一些外国建筑师选择了妥协,比如只做最粗浅的概念方案,甚至有些沦落为“洋专家”式的木偶。但Peter Ruge却做了一些有意义的尝试。【科普向】不谈情怀,只谈技术:布鲁克公寓与被动建筑设计-建筑师之死【科普向】不谈情怀,只谈技术:布鲁克公寓与被动建筑设计-建筑师之死2013年,Peter Ruge事务所发布了一组平淡无奇的效果图——一座2200平的公寓楼,位于浙江湖州长兴县。在结构和具体技术上,合作方为上海朗诗集团。公寓内部包括36个单间,6个两套间和2个三套间。这个设计的独特在于:它可以比同类建筑节省95%的能耗。

是的,这是一座被动房,准确说是一座按照中国绿建三星、德国DGNB(可持续建筑委员会)和美国LEED三重认证标准严格施工的超级被动房。更独特的是这个项目的盈利模式:它用以给一些被动式建筑的潜在业主临时居住,体验被动式建筑对生活实实在在的好处,借此拓展朗诗集团在中国的用户群。被动房(Passivhaus), 这个概念在德国已然不是什么新鲜事物。2008年,德国已经有17%(近两万座)的新建筑采用了被动建筑标准。而在中国,Peter Ruge设计的这座朗诗-布鲁克公寓则是实实在在的第一座被动建筑。

什么是被动式建筑?简单说,就是在设计阶段便采用各种节能手段,不依靠太多外部能源便能良好运转的超低能耗建筑。比如在设计之初便控制朝向、阳光入射率以及体形系数,以及在细构设计中采用良好的外墙/屋顶隔热设计,选用合适的隔热材料和玻璃等等。题外话是,德国的建筑学教育从一开始就非常重视这方面的建筑细构设计,墙头屋顶和外墙保温的做法对于每一个过了本科第四学期的学生来说都应该闭着眼睛都能画,且能做到自行设计。从这一点看,德国的建筑学显得相当务实。

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比方说遮阳板的尺寸,在布鲁克公寓的设计中经过软件模拟,可使控制直射阳光的入射率和室内采光之间达到最优的平衡。这也是被动建筑设计的常用手段之一。从上面的立面细构(算是画得比较粗的细构)还可以看出,陶制外立面杆件也为外墙阻挡了相当部分的阳光,并利用与保温层之间的空气层自然通风散热,减轻了隔热层的负担。

下面我们来谈谈技术细节。

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被动式建筑的认证标准只有一个,即:能耗。当然有时候也会见到关于室内气密度的限制。

而为了保证足够少的能耗,在设计的最初阶段就要采用相应的手段。比如选择合适的建筑朝向。在德国或者中国东北这种维度较高的地区,南北向自然最好,因为需要冬季大量阳光照射来辅助取暖采光。但布鲁克公寓则位于湖州,需要面对的还有夏季制冷的问题,因此采用了东西朝向,同时利用尺寸正好的遮阳板控制夏季阳光照度,在自然采光与减少阳光热辐射之间达到平衡。这两种手段在上图中归纳为1、4、7.

另一个在最初阶段采用的手段是控制体型系数,即外壳面积与室内体积的比值。建筑的外壳不止有墙,还有玻璃。建筑与外界绝大部分热量交换都必须通过建筑外壳,因此外墙面积越小,室内体积越大,则对节能来说更实惠。简单说,就是体型越紧凑,就越节能。至于节能与建筑空间的艺术性之间怎么取舍,则是见仁见智的问题。

好了,现在我们已经在草图上大致勾勒了一个节能建筑。现在可以进入具体的设计阶段了。平立剖自不用说,1:50的大样(细构设计)才是见真章的地方。

现在要谈的第四种节能手段就是外墙保温。在这里要引入一个参数“外壳传热系数K”,单位是W/m^2·k,简单说就是外壳有多隔热。在一般无节能措施的建筑中,外墙的K值大约在1.5~2,玻璃的K值约3~6——而在采用优秀节能构件的被动式建筑中,外墙K值最高不超过0.18,玻璃不超过0.8.也就是说,在例如布鲁克公寓这种被动建筑中,窗子摸起来都比一般建筑的墙要暖和一点。

至于具体手段,除了加厚外墙保温层以外,还需要注意的是保温层铺设方式的问题。例如避免(在德国画细构时)最不可饶恕的错误:画出“热桥”

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什么是热桥?简单说就是保温层照顾不到的地方,导致热量集中流失的现象。例如上图的墙头部分就是典型的设计错误,根据热力图可以看到室内的墙角处温度会大大低于有保温层照顾的地方。除了能量损失之外,热桥还会带来一个严重的问题:墙角(或者窗框)凝露,然后迅速长霉。而德国人普遍认为霉菌孢子会弄死人。例如我现在住的屋子在窗框上就有严重的热桥问题,倘若一天不开窗子,露水就会顺着窗台流到桌子上。结果就是必须每周喷除霉剂。
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 而正确的墙头保温设计应该是这样的。

再拉上去看看那张示意图下面的墙体大样。在布鲁克公寓中,外立面构件——也就是那些彩陶棒,被固定在钢架上,而钢架只有少量固定点穿过保温层,并和柱子连接,最大限度的避免了潜在的热桥问题。

第五种节能手段则简单的多:选窗户。根据估计,在冬季,建筑内部大约有三分之一的热量是通过窗户损失的。正巧最近有朋友问我关于这篇文章中提到的玻璃窗的问题。其实“节能窗”并不只是比普通窗多了两个字而已——首先是玻璃的区别。近年来在中国新建的建筑上双层或双层真空窗已经取代单玻成为主流。这里还得再次引入K值:单层玻璃的K值约为6,而双层真空玻璃也只不过下降到3,还不能说是真正的节能窗。更何况根据我的观察,国内很多廉价的双层玻璃窗都普遍存在漏气进水的问题。便宜无好货。

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一般认为最基本的节能窗还应该在双层真空玻璃的基础上再加一层LOW-E金属镀膜。LOW-E膜能有效隔绝红外辐射和其他形式的热辐射。这种窗子的K值便可以降低到1.4左右。更高端一些的产品还会在夹层中充进惰性气体,把K值降低到0.9。在布鲁克公寓设计中,采用的便是一种双层Low-E窗。

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当然也有更高端的产品,例如上面这种三层玻璃,两层LOW-E镀膜,内充惰性气体的节能窗,其K值可以低于0.7,在节能和隔音性能上都非常不错。而且如我在《绿色瀑布》一文中所说,还能防盗(因为很难砸开)。

同时在上面这张图中也可以看到节能窗窗框的截面特点:塑钢或发泡材料,多腔体。这种样式和厚度的窗框结合节能玻璃,整体K值在1.1以下,便可称之为“节能窗”。另外,在被动式建筑的施工中,为了保证窗口的节能性,窗户的安装也不是打发泡剂和抹灰那么简单。这里不做展开。

有了结实的窗子,达到建筑内部的有效气密性便是节能的第六个常用手段。隔绝空气流通,便能有效阻断自然通风带来的大量能量损失。与一般节能建筑每个房间单独气密不同,布鲁克公寓在设计阶段便是建筑内部整体气密的设计,这虽然能把节能效率最大化,但也对设计和施工带来了更高的要求。除了一般的门窗气密之外,各种穿墙管线的气密性也是一个很大的问题。在施工图阶段,合理规划集中管线,并在穿过隔热层的地方预埋套管,最后在套管中做气密,是解决问题的有效做法。完成后的布鲁克公寓气密性甚至比德国被动房标准要求的还要高上50%。

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当然必须承认,“气密”这事听起来有些不合常理,仿佛有一种把人闷在罐头里的窒息感。人在建筑中要健康的生活,通风是必不可少的。而气密设计其实只是集中通风系统的基础——集中通风,形象的说就是在通风策略上的资产集中制,杜绝个人挖墙脚,集体统一管理出入账——或者说是由集中的通风系统管理空气中的热量。所以对于被动建筑来说,第六个常见节能手段是整体设计的热回收通风系统。简单说,就是在冬天吸入新鲜的冷空气,加热,输送到各个房间,然后从室内将脏空气吸出,在排出之前用其中的剩余热量继续加热吸入的新鲜空气,从而形成一个热量损失很小的空气循环——如果是在夏天,热量传递方向就反过来。另外,这种集中通风还有一个好处,就是能有效调节建筑内部的空气湿度。【科普向】不谈情怀,只谈技术:布鲁克公寓与被动建筑设计-建筑师之死

如果我们把建筑内部的热量比如热风,热水等等看做一个整体,那么对于这个整体来说另一个重要的装置就是热泵。这个名词听起来比较陌生,其实它和空调的运行原理几乎是一样的,有压缩机,冷媒,或者说就是一种交换效率很高的空调。具体来说,热泵有空气源和地热源两种。而在布鲁克公寓中包括了两台空气源热泵,它的运作原理就是将空气中的热量抽进室内,用来加热室内空气和热水——对于热泵中的低温冷媒来说,即使零下一二十度的空气仍然是“热”的,所以即使在冬天,热泵也能抽取空气中的热量。而在夏天,热泵则可以将室内空气中的热量抽走,输送进中央热水器和空调系统。而热泵本身运行只需要很少的电能,却能输送耗电能量4~8倍以上的能量——而且在全世界范围内,热泵的发展非常迅速,效率更高的热泵机随时都可能出现。

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不过很显然,热泵这种神器在国内的认知率并不高。因为它有三个问题:贵,体积大,对单个家庭来说效率并不高。而且输送能量是耗能的六七倍,这听起来着实有些不可思议,所以很多知道热泵的人都对此有所怀疑。

这便是建筑师必须存在的理由了。当一座建筑有一台大型热泵和集中通风系统时,分摊到各个住户的支出便大大减少,体积也不再是问题,而且效率和性价比都陡然升高。这个道理和集中供暖比家庭自行采暖更节能是一致的。而在设计之初便将其纳入考虑,便是建筑师份内的工作。
【科普向】不谈情怀,只谈技术:布鲁克公寓与被动建筑设计-建筑师之死唐山市某建筑项目的空气源热泵机组

【科普向】不谈情怀,只谈技术:布鲁克公寓与被动建筑设计-建筑师之死但即使再省电,这些热泵机、通风系统,还有住户的日常用电如灯、冰箱、电脑等等各种电器,始终是需要用电的。因此在布鲁克公寓和其他被动式建筑中,屋顶成排的光伏板自然也是必不可少的了。根据我的了解,现在在国内一块光伏板大约只需要两三年时间发电总量换算成电费就能抵消其购买价格。因此当建筑在设计阶段就能规划一块光伏阵列的话,将会大大减少建筑对外的用电需求。但我始终存疑的是光伏板的各个原件在报废之后该怎么处理的问题——诸如单晶硅和背板都是不可降解不可回收的原件,是否反而会对环境造成更深远的危害?此处存疑,应当慎重。

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那么采用了这么一系列设计的被动式建筑,对于住户来说到底有什么看得见的好处呢?大体上来说就是两个字:省钱。在长江流域,冬天和夏天的气候都不是很舒服,因此一户家庭年用电量超过2000度也非常常见。倘若要达到一个全年舒适的室内环境,用电超过4000也并非不可能。而根据测算,布鲁克公寓可以比同类建筑节省95%的能耗,也就是说当一般家庭每年需要一千元电费支出时,居住在被动房中的家庭只需要50元。当然钱能解决的问题都不是问题。全年恒温,24小时室内通风,同时隔绝与外界的大部分噪音,这对生活品质的提高是钱很难衡量的。长远来看,被动式建筑对减少矿石能源消耗和碳排放、减少空气污染等问题都会有不错的效果。

但是也有从事绿色建筑推广的同行抱怨,被动房、零能源房等等一些先进设计方法,在很多建筑师眼里看来始终是一些奇技淫巧。这给绿色建筑的普及率也带来了障碍。

也有一些老师和教授对中国建筑教育的思路进行了批判:建筑不是平立剖就完事了的东西,更不是一张漂亮的效果图就能解释清楚的。而有些同行们从大学里就一直只盯着美学、表达、语言、形态、思想这些形而上学的东西,却忽略了建筑技术是建筑的根本——只有技术上去了,才有资格讨论上层建筑。至于被动房技术,连建筑师自己都不了解,不接受,怎么能让广大老百姓认识和接受呢?低科技,原生态,固然有味道,但保证不了幸福生活。建筑师不是雕塑家,建筑也不是建筑师孤芳自赏的玩物。建筑师不应该只谈情怀,否则,罗永浩就是前车之鉴。

部分引用参考:《Passive House Bruck

通过被动房之路推动中国建筑节能—德国被动房和低能耗建筑在中国适用性研究

深度探访我国首个获欧洲权威认证被动房:朗诗布鲁克