[原创]新型节能住宅建造在德国

民智一郎 于 2011-2-23 19:17:37 发布在 凯迪社区 > 猫眼看人

 

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新型节能住宅建造在德国

 

衣、食、住、行，是人们最基本的四大行为活动。

 

围绕着居住方面，民智一郎认为，有四条基本原则：安全坚固，健康舒适，节约能源，运行经济。

 

“新型节能住宅建造在德国”这个话题，与上述四项原则中的后三项原则，密切相关。

 

下面的内容，实际上是对前段时间，一些学习情况的阶段性小总结。

 

欧美日等一些西方发达国家，在住宅科技创新领域方面的研究，比如，如何在住宅建造中，充分利用自然能源，等等，有许多值得我们思考、学习和借鉴的地方。

 

民智一郎，愿与对小建筑、小住宅、小别墅方面感兴趣的朋友们，一块分享见识，交流心得。

 

阅读目录

 

一、“被动式住宅”的应用

（一）“被动式住宅”的显著特点

（二）什么是“被动式住宅”？

（三）单户家庭住宅——独立住宅，热量损失示意图。

二、自然能源在独立小住宅上的应用

（一）太阳能的利用

1、太阳能发电

2、太阳能热水

3、被动式太阳房

（二）浅层地表土壤中热量的利用

1、地源热泵技术的应用

2、室外空气经过地埋管吸入室内的应用

（三）小型家用风力发电机组的应用

（四）准自然能源-生物发酵沼气的应用

三、使用天然木材，或者是使用天然植物建造独立小住宅的情况。

四、三例德国典型新型节能住宅建造过程图解

 

正文

 

一、“被动式住宅”的应用

 

（一）“被动式住宅”的显著特点

 

关于“被动式住宅”，简单地说，就是一种无需暖气系统或者空调系统，仅仅是通过刻意设计住宅的坐落和朝向，选择不同的建造材料，以及采取特殊的建筑构造，等纯“被动”的方式，就可以获得舒适室内环境的一种新型的现代节能住宅。

 

对于“被动式住宅”来说，无需额外高投资的能源供应设备，就能满足其供暖，24小时热水和家电能耗。一般“被动式住宅”的造价，比普通住宅来说，按照需求不同，仅高出10%-20%。而从长远来看，30年之内，一栋“被动式住宅”的总体建造和维修的花费，和普通住宅的平均水平是一样的，而其能耗，则仅为普通住宅的1/4。

 

从长远整体效果来看，“被动式住宅”，实际上要比传统建造方式的普通住宅便宜得多。

 

在越来越多看重节俭和节能的德国，按照“被动式住宅”标准建造，竣工以后，又经过社会专业机构的检测，取得“被动式住宅”认证的房屋，已成为德国许多家庭购置新房的首选。

 

需要特别指出的是，“被动式住宅”，对于体型较小的独立住宅来说，效果是比较明显的。

 

（二）什么是“被动式住宅”？

 

“被动式住宅”，通俗地讲，可以说是“仅仅靠住宅本身的构造设计，就能到达舒适的室内温度，满足‘冬暖夏凉’的要求，不需要再单独另外安装供暖设施的住宅，即，不需要‘主动’提供能量的这样一种房屋”。

 

其实，也可以这样简单地理解，所谓“被动式住宅”，就是一种设计思想理念来自西方世界，采用现代保温隔热技术，现代吸气、排气通风技术，等手段，来建造的新一代的节能住宅。

 

（三）单户家庭住宅——独立住宅，热量损失示意图。

 

一座规则的独立小住宅，可以简单地划分有6个面组成，即：上面、下面、左面、右面、前面、后面。

 

下面，借助2幅 图片，来简单地说明独立小住宅，通过外部围护部分，热量散失的所占比例情况。从中也可以看出，住宅保温隔热方面，哪些地方是需要重点进行处理的部位。

 

独立住宅热量损失示意图1

 

Heat Losses 热量损失

 

roof  屋顶部分（大约占总损失热量）25%～30%

 

walls 25%～30% 墙体部分（大约占总损失热量）25%～30%

 

floor 10%～20% 地面部分（大约占总损失热量）10%～20%

 
（door）windows 25%～30% (门)窗洞部分（大约占总损失热量）25%～30%

 

 

独立住宅热量损失示意图2

 

Winter heat loss 冬季热量损失

 

Ceiling 25～35% （屋顶）天花板/顶棚 大约占 25～35%

 

Walls 15～25% （非保温的）墙体 大约占 15～25%

 

Windows 10～20% 窗子 大约占 10～20%

 

Floor 10～20% 地板 大约占 10～20%

 

Air leaks 15～25% 漏气 大约占 15～25%

 

二、自然能源在独立小住宅上的应用

 

大自然中天然的自然能源，跟人工制造的能源不同。人类如果对自然能源，不加以充分开发和利用的话，自然能源，最终也会是白白地浪费掉。

 

而人造能源的过度生产与利用，一方面，需要耗掉地球上的一些不可再生的一次能源，另一方面，还会对人类居住的共同家园——地球的环境，产生越来越巨大的伤害。

 

在普通民众建造房屋的过程中，积极充分地利用大自然中的一些自然能源，不仅是符合全球倡导低碳生活的流行趋势，更是一种绿色环保的善举。从大处来说，对人类的生存环境有利，从小处来说，对家庭个人也有好处。

 

使用自然能源的住宅室内，冬暖夏凉，空气清新，健康舒适，同时，也能够减少家庭在能源上的一些消耗，降低家庭在耗能方面的一些开支。

 

（一）太阳能的利用

 

太阳，给地球带来光明和温暖，源源不断地向地球提供巨大的能量。

 

在晴天时间，将这些清洁能源，充分地吸收和利用，有着非常重要的现实意义。

 

在某些国家，前几年的时候，为了鼓励使用绿色环保清洁的新能源，对购买使用太阳能利用设备，政府会有比较大的资金方面的补助。

 

事实上，目前的太阳能技术还不够完善，太阳能设备的售价相对还比较高，太阳能系统的相对使用寿命也还比较短。

 

对于太阳能发电系统而言，不同的太阳能电池板寿命是不一样的，其中，电池寿命就短多了，大约三年到五年。

 

比如，国内有些乡下农村，安装太阳能路灯，在使用一段时间以后就不能用了，原因就是需要再另外花钱更换太阳能发电系统中的蓄电池部分。

 

1、太阳能发电

 

 

太阳能发电系统示意图1

 

Battery  (蓄)电池(组)

 

Inverter逆变器

 

补充材料：

 

太阳能直流发电系统，是由太阳能电池板、充电控制器和蓄电池等组成。

 

太阳能交流发电系统，是由太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成。

 

太阳能直流发电系统中不包括逆变器。

 

逆变器是一种电源转换装置，主要功能是将蓄电池中的直流电逆变成交流电。

 

Cooler 冰箱 Cell Phone 移动电话 Spotlight 聚光灯 Fan 风扇 Sump Pump 水仓泵 Laptop 笔记本电脑

 

Fluorescent Lighting 荧光灯 Television电视

 

 

太阳能发电系统示意图2

 

Grid-Connect并网连接

 

AC Main Panel and Meter 交流电主配电箱和电表

 

AC Disconnect （Utility Accessible）交流电断路器 （无障碍功能）

 

Inverter逆变器

 

DC Disconnect 直流电断路器

Junction Box接线盒/接线箱

 

Solar Array太阳能电池阵列

 

 

太阳能发电系统示意图3

 

微型太阳能发电系统示意图4

 

 

太阳能发电系统示意图5

 

 

Solar panel太阳能电池板

 

Solar charge controller太阳能充电控制器

 

12V DC 12伏特直流电

 

Saving lamps节能灯

 

Inverter逆变器

 

Lead-acid Battery铅酸蓄电池

 

 

太阳能发电，分光热发电和光伏发电两种形式。

 

通常情况下，人们所指的太阳能发电，往往指是太阳能光伏发电。

 

光伏发电，是根据光生伏打效应原理，将太阳光能，直接转化为电能。

 

太阳能光伏发电，最基本元件，是太阳电池(片)，有单晶硅，多晶硅，非晶硅和薄膜电池等多种形式。

 

目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池主要是用于一些小系统和计算器辅助电源等。

 

在过去，欧美发达国家，大都制订了“阳光计划”，并采取措施，鼓励居民安装太阳能发电系统。比如，部分赠款，无息贷款和“种子基金”等，并以高出普通电价几倍的价格，购买居民家中多余的太阳能电量。

 

但是最近，《纽约时报》有报道称，2011年初，美国第三大太阳能电池板制造商，常青太阳能公司，正在关闭其主要的美国工厂，并将生产转移到位于中国武汉的合资企业。

 

《纽约时报》报道称，常青太阳能公司总裁麦克尔·艾尔-希洛曾，在一次声明中，解释了将公司整体迁移到中国的原因。

 

麦克尔称，公司决定关闭在美国马萨诸塞州的德文斯工厂，是为了应对太阳能电池板价格的暴跌。近3年来（2008年、2009年、2010年），太阳能电池板的全球价格，已降低了2/3，仅在2010年的第四季度，价格就出现了10%的大幅下挫。

 

麦克尔认为，在价格下跌的市场行情下，美国制造商，将持续处于不利境况，将工厂迁往中国，则能使安装成本快速下降。因为在中国，不仅产品的制造成本较低，制造商还能获得中国政府和国有银行的帮助。

 

目前，欧美国家，削减新能源补贴已成趋势。

 

而中国的情形却有很大不同。近日有消息称，正在审批中的国家《新兴能源产业发展规划》称，2011年~2020年的规划期内，全国新兴能源产业将累计增加投资5万亿元，其中，可再生能源2万亿至3万亿元，风电1.5万亿元，太阳能2000亿至3000亿元。

 

此外，有业内人士认为，目前规模尚小的中国新能源市场，存在巨大的发展空间，国际太阳能巨头的进入，更多是在提前布局，为即将大发展的市场做准备。

2、太阳能热水

 

 

平板型太阳能集热器示意图

（太阳能系统，内部的热传导介质，一般不是水体，而是具有防冻效果的乙二醇/丙二醇等液体。

通过热交换箱罐，配合电热水器，燃气锅炉，等，综合配套，供应生活热水。）

 

 

平板型太阳能集热器示意图

 

 

平板型太阳能集热器示意图

 

 

平板型太阳能集热器示意图

 

 

 

平板型太阳能集热器示意图

 

 

真空玻璃管内部有金属吸热体的太阳能热水器

 

 

普通全玻璃真空管太阳能热水器

（真空玻璃管吸收太阳热，直接传给未经处理的普通水体-硬水，

随着长期使用，真空玻璃管内壁上，会结一层水垢，将会降低太阳能系统的热效率。）

 

3、被动式太阳房

 

“被动式太阳房”和“被动式住宅”，是两个意义不同的概念。

 

什么是“被动式太阳房”？

 

天空中的太阳，向地面上的住宅室内，传递能量，不需要借助机械动力，也不需要专门的蓄热器、热交换器、水泵或风机等设备。而是完全由自然的方式（辐射、传导和自然对流）进行，故称为被动式太阳房。

 

被动式太阳房，在大多数情况下，集热部件与建筑结构是融为一体的，房屋的结构构件能够达到一物多用。比如，南面的窗子，既是房屋的采光部件，又是太阳能系统的集热部件；墙体既是房屋的围护构件，又是太阳能系统的集热蓄热部件。

 

“被动式太阳房”，也存在有诸多缺陷，比如，室内温度波动会比较大，室内的舒适度也比较差，在夜晚，或者是在室外温度较低，或者是连续阴雨天气时，室内需要增加辅助热源，才能维持适合人们在内居住的温度。

 

在现代住宅的设计建造中，只是单纯使用一项新型技术，已无法满足“冬暖夏凉，健康舒适，节约能源”的建造目的。

 

因此，“被动式太阳房”，只有与其它先进住宅建造技术相结合，比如，“被动式住宅”技术，“能量回收通风系统ERV”技术，地埋管进气技术，屋顶太阳能利用技术，现代保温隔热技术，等等，综合运用，才能取得比较好的效果。

 

 

“被动式太阳房”建造一例

 

 

使用SIP承重断热板建造的一“被动式太阳房”断面示意图

 

综合运用多项先进技术的“被动式太阳房”建造一例

 

 

 

（二）浅层地表土壤中热量的利用

 

地表浅层，相当于是一个巨大的太阳能集热器，收集了接近一半的太阳能所发出的能量。

 

 一般情况下，地下土壤，一定深度范围内，会有一个相对恒定的温度。

 

 

1、地源热泵技术的应用

 

地源热泵，是利用地下水与土壤地能，进行冷热交换，作为水源热泵的冷热源。

 

冬季，把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；

 

夏季，把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。

 

地源热泵原理示意图1

 

地源热泵原理示意图2

 

 

地源热泵原理示意图3

  

地源热泵原理示意图4

 

地源热泵原理示意图5

 

地源热泵工作原理复杂示意图

 

 

2、室外空气经过地埋管吸入室内

 

在过去，建造住宅，因为没有采取过多的保温隔热措施，人们对于室外空气进入室内，没有去过多地考虑过。

 

而现在，住宅的建造，已经采取了比较高效的保温隔热构造措施，因而住宅的密封性能被大大提高。为了既能保证室内有一个健康清新的环境，又要考虑到减少室内通风换气，造成不必要的大量能源的消耗，人们在如何实施住宅内部的进气和排气的通风问题上，已经做了大量的试验性研究。

 

室外空气，进入室内，不是传统的形式，而是首先通过埋置在住宅外面，地坪下方的土壤中的总的进气管道，在管道内，与管道外面的地下土壤，进行第一次热量交换。

 

炎热的夏季，室外空气温度较高，在经过地下土壤中的降温处理以后，再送入室内的“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），进行二次热量交换处理。当然，夏季空气 ，遇冷之后会产生冷凝水的问题。

 

寒冷的冬天，室外空气温度较低，在经过地下土壤中的升温处理以后，再送入室内的“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），进行二次热量交换处理。

 

以上这些说法，通过下面的图片加以说明。

 

 

室外地下土壤中，安装地埋总进气管道，室内安装“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），

 

独立小住宅，三维立体剖切示意图。

 

 

室外地下土壤中，安装地埋总进气管道，室内安装“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），

 

独立小住宅，三维立体剖切示意图，相关说明。

 

 

 

住宅吸送风排气示意图

 

夏天，室外空气，经过地埋进气总管，吸入室内，温度变化情况示意图。

 

Air rejeté à 25 ℃ （法语）排出空气

 

VMC simple flux （法语）单流向的机械控制通风系统

 

法语VMC: Vventilation Mécanique Contrôlée机械控制通风系统。

 

所谓“单流向”，即，欲排出的室内废气中的热量没有回收。

 

Air insufflé à 23 ℃ （法语）注入23℃空气

 

Température du sol: 14 ℃ （法语）土壤温度：14℃

 

Air aspiré à 30 ℃ （法语）30℃空气吸入

夏天，或者，冬天，室外空气，经过地埋一段土壤中的进气总管，吸入室内，温度变化情况示意图。

  

几乎围绕住宅基础部分四周的，室外地坪下方，土壤中，地埋总进气管线，

 

以及室内“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），

 

三维立体剖切示意图。

 

 

Bouche d’aspiration 吸气口

（夏季室外温度：+30℃  冬季室外温度：-10℃）

 

Température du sol:：

（夏季土壤温度温度：+17℃  冬季土壤温度温度：+4℃）

 

Température de sortie d’air出口空气温度

（夏季出口空气温度：+24℃  冬季出口空气温度：+2℃）

 

 

室外地下土壤中，安装地埋总进气管道，室内安装“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），

 

独立小住宅，三维立体剖切示意图。

 

 

图中橙色的，几乎围绕房屋下部基础部分四周的，

 

为吸入室外空气，进入住宅内部的总进气管道的线路。

 

总进气管道，深埋在土壤中，

 

土壤中蓄含的热量，通过管壁直接与管道内的空气，进行热量交换。

 

在冬季，室外空气温度较低，通过与土壤中的热量进行之后，

 

进入“能量回收通风系统ERV主机”中的室外空气，被预先进行了预热处理；

 

在夏季，室外空气温度较高，通过与土壤中的热量进行交换之后，

 

进入“能量回收通风系统ERV主机”中的室外空气，被预先进行了预冷处理，

 

这样能够充分利用自然地热自源，减少独立住宅，因调节室内空气温度，

 

而开销的能源消耗。

 

 

 

室外地下土壤中，安装地埋总进气管道，室内安装“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），

 

独立小住宅，三维立体剖切分解示意图。

 

 

室外地下土壤中，安装地埋总进气管道，

 

住宅上部阁楼空间，安装“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），

 

独立小住宅，三维立体剖切示意图。

 

室外安装“地埋地热交换器”——“第一次热量交换”

 

室内安装“能量回收通风系统ERV”（ERV主机安装在住宅上部阁楼空间）——“第二次热量交换”

 

 

室外“地埋地热交换器”——第一次热量交换，

 

与

 

室内“能量回收通风系统ERV”——第二次热量交换，

 

连结关系示意图。

 

 

室外地下土壤中，安装地埋总进气管道，

 

住宅下部地下室空间，安装“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），

 

独立小住宅，三维立体剖切示意图。

 

室外安装“地埋地热交换器”——“第一次热量交换”

 

室内安装“能量回收通风系统ERV”（REV主机安装在地下室的设备间）——“第二次热量交换”

 

 

室外“地埋地热交换器”——第一次热量交换，

 

与

 

室内“能量回收通风系统ERV”——第二次热量交换，

 

连结关系示意图。

 

“地埋地热交换器”与“能量回收通风系统ERV”连结关系示意图详解

 

 

“能量回收通风系统ERV”主机安装在住宅的上部空间阁楼中

 

总进气管道与总排气管道，复合构造为一体，即，大管道的外圈层，为进气层，大管道的中心，为排气层。

 

整个系统，共有三次热交换的过程：

 

第一次——地下土壤与复合大管道的外层进气层之间，进行热量交换；

 

第二次——“能量回收通风系统ERV”主机中，进气与排气之间，进行热量交换；

 

第三次——“能量回收通风系统ERV”主机中排出的废气，仍然会残留一定的热量。复合大管道中心，即将排出的废气，与复合大管道的外圈层，进行热量交换。

 

实际上，在冬季，埋在地下土壤一定深度中的总进气管道，要吸收两部分的热量，即，吸收复合构造大管道外面土壤中的热量，又吸收复合构造大管道里层中心，欲排出的废气中的热量。

 

 

 

“能量回收通风系统ERV”主机安装在住宅的下部空间地下室中

 

 

室外地下土壤中，安装地埋总进气管道网，

 

住宅下部地下室空间，安装“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），

 

独立小住宅，三维立体剖切示意图。

 

 

室外地下土壤中，安装围绕房屋基础四周的地埋总进气管道，

 

住宅下部地下室空间，安装“能量回收通风系统ERV”（Energy recovery ventilation），

 

独立小住宅，三维立体剖切示意图。

 

 

室外空气，经过地埋管之后，进入室内，温度变化示意图。

 

Air à 9℃ （法语）空气9℃

 

Filtre à air（法语）空气过滤器 1,5m （离地1.5米）

 

Terre à 15℃ 土壤15℃

 

Récuperation de La condensation 凝结水回收

 

Turbine水轮机

 

VMC: Vventilation Mécanique Contrôlée机械控制通风系统

 

 

室外空气，经过地埋管之后，进入室内，温度变化示意图。

 

Schéma de principe - （法语）示意图

 

 

室外空气，经过地埋管之后，进入室内，温度变化示意图。

 

Extérieur （法语）外部

 

Filtre（法语）空气过滤器

 

Siphon（法语）虹吸管

 

Bypass（法语）旁通管

 

Centrale double flux（法语）中央双路（热交换机组）

 

Hâbitation（法语）房屋（底层楼板）

 

Air neuf（法语）清新空气

 

Air vicié（法语）浑浊的空气

 

Air d’échappement（法语）排气

 

 

中央双路（热交换机组）放大示意图

 

 

室外进气总管地埋，室内安装“能量回收通风系统ERV”，示意图。

 

Prise d’air géothermique地热（管）进气口

 

Entrée d’air neuf新鲜空气入口

 

Registre 寄存器

 

Duolix = VMC Double Flux – DUOLIX

 

机械控制通风系统DUOLIX牌，相当于“能量回收通风系统ERV”

 

Soufflage d’air neuf 吹入清新的空气

 

Extraction sanitaires提取健康（气体）

 

Extraction cuisine 提取厨房（气体）

 

Rejet 排出

 

室外进气总管地埋，安装有空气冷凝水收集池，

 

室内安装“机械控制通风系统VMC”或者“能量回收通风系统ERV”，示意图。

 

 

室外进气总管地埋，安装有空气冷凝水收集池，

 

室内安装“机械控制通风系统VMC”或者“能量回收通风系统ERV”，示意图。

 

 

室外进气总管地埋，安装有空气冷凝水收集池，

 

室内安装“机械控制通风系统VMC”或者“能量回收通风系统ERV”，示意图。

 

 

 

朝向太阳的“被动式太阳房”坐落设计，屋顶安装太阳能集热器，太阳能光伏发电系统，

 

四周采取保温隔热构造处理，进气总管地埋，

 

室内安装热回收通风系统HRV（Heat Recovery Ventilation），

 

安装微型备用加热器TBH（Tiny Backup Heater），

 

被动式住宅，

 

能耗仅相当于一台电热吹风机的功耗。

 

 

多项技术综合运用

 

“被动太阳房”技术+“被动式住宅”技术+“地埋管热交换进气”技术+“能量回收通风系统ERV”技术

 

独立小住宅，剖面分解示意图。

 

 

“地埋管热交换进气”大型管网施工现场

 

 

“地埋管热交换进气”系统中所使用的部分管道管件

 

 

“地埋管热交换进气”系统中所使用的部分管道管件

 

 

“地埋管热交换进气”系统中所使用的部分管道管件

 

 

“地埋管热交换进气”系统实际应用一例

 

 

冬季，住宅室内，安装有“机械控制通风系统VMC”，进气、排气，热量回收，示意图。

 

VMC机械控制通风系统

 

Séjour居室

 

Cuisine厨房

 

 

“能量回收通风系统ERV”主机部分三维立体剖解示意图

 

 

“能量回收通风系统ERV”主机部分三维立体剖解示意图

 

 

“能量回收通风系统ERV”主机部分三维立体剖解示意图

 

 

能量回收通风系统ERV（Energy recovery ventilation）核心设备，工作性能示意图。

 

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能量回收通风系统ERV（Energy recovery ventilation），核心设备，吸收欲排出室外的蓄含热量的室内废气（20℃）中的绝大部分热量，

 

预热吸入的室外新鲜低温冷空气（0℃），达到（18℃）后，送入室内各个房间。

 

 

住宅内部，安装“能量回收通风系统ERV”，示意图。

 

 

住宅内部，安装“能量回收通风系统ERV”，冬季，示意图。

 

 

 

住宅内部，安装“能量回收通风系统ERV”/“机械控制通风系统VMC”，主机附近，

 

连接安装，实物现场。

 

 

住宅内部，安装“能量回收通风系统ERV”/“机械控制通风系统VMC”，主机附近，

 

连接安装，实物现场。

 

 

住宅内部，安装“能量回收通风系统ERV”/“机械控制通风系统VMC”，主机附近，

 

连接安装，实物现场。

 

 

住宅内部，安装“能量回收通风系统ERV”/“机械控制通风系统VMC”，主机附近，

 

连接安装，实物现场。

 
图中右端设备，为“地源热泵系统”。

 

住宅内部，安装“能量回收通风系统ERV”/“机械控制通风系统VMC”，主机附近，

 

连接安装，实物现场。

 

 

住宅内部，安装“能量回收通风系统ERV”/“机械控制通风系统VMC”，主机附近，

 

连接安装，实物现场。

 

 

住宅内部，安装“能量回收通风系统ERV”/“机械控制通风系统VMC”，主机附近，

 

连接安装，实物现场。