被动式建筑是一种对建筑能源效率有着严格标准的建筑。它的外围护结构有着极低的传热系数，因此相比于一般的建筑，被动式建筑对供暖供冷的需求降低了很多。被动式建筑的概念起源于德国，现在在包括挪威在内的北欧国家得到了广泛的发展。 被动式建筑有着出众的围护结构，主要优点包括紧凑的设计（低面积体积比）、高度绝热的外墙、小的热桥和低 U 值的窗户（通常是 3 层窗户）。

在冬天，被动式建筑通过高效的运作能够很大程度地减少热流失。太阳能和日光能够帮助减少供暖的电能消耗。而且，高度绝热的墙体可以利用房间本身的热容来减少室内空气温度波动。在通风系统方面， 被动式建筑应该有着较低的空气循环率和较高的热回收效率（80%~85%）。

正因为有着如上一些特性，被动式建筑的简化供暖（减少建筑的供暖终端）也成为了可能。比如，可以在某个公寓的位于中心的房间安装一个供暖终端，同时在浴室安装地暖，即集中式空气采暖。这个供暖终端可以是木材炉，也可以是低温暖气片。这个解决方案可以帮助减少供暖系统的投资和工作中管道的热流失，但在理论上减少热舒适性。比如在简化供暖中，并非每个房间都有暖气片，因此很难独立控制每个房间的温度。

本案例的研究对象为两个基于被动式建筑标准 NS3700的被动式公寓。两个公寓都位于挪威的特隆赫姆，配备了简化的水循环供热系统，每个公寓进行了 2 次时长分别为 2 周的测量（分别在2015 年 11 月 12 月、2016 年 3 月 4 月），同时，对公寓住户做了定性访谈。在测量的基础上，使用室内环境模拟软件 IDA-ICE 建立并修正动态仿真模型。通过修正后的模型测试了不同情境下的空间加热需求量和热舒适性。

一、 项目描述

1 、被动式公寓

本案例研究的两个被动式公寓位于挪威的特隆赫姆（63°25′N，10°23′E），属于 Milj248;byenGran229;sen，是整个挪威最大的被动式建筑群，总共由 430 个住宅组成，总面积达 34,000 m ² 。Milj248;byenGran229;sen 由 Heimdal Bolig 建造，同时这个项目也是 EBLE 的一部分。两个公寓的结构一样，见图 1。每个公寓有约 80 m ² 的供暖区域（阳台并未供暖），1 个包括厨房的客厅，2 个卧室，1 个储藏室，1 个通风装置室。低温暖气片安装在走廊，浴室安装了地暖。新风在经过热回收器加热后还能够被加热线圈加热（如果温度不够的话），从客厅和卧室进入公寓，从浴室和厨房排出。因为浴室的门大部分时候是关闭的，所以浴室的地暖对整个公寓的影响是很有限的。

整个建筑的隔热主要采用矿物棉。外墙的 u 值为0.17 W/ m ² K，公寓之间墙壁的u值为0.25 W/ m ² K，内墙使用了 7 cm 厚的矿物棉，u 值为 0.49 W/ m ² K，因此内墙也有一定的隔热能力。因为阳台属于不供暖区域，所以客厅和阳台之前的墙属于外墙。同时，公寓东侧面对的楼梯区域也并未加热，但是由于该区域属于建筑内部，所以该区域的温度处于公寓温度和外环境温度之间。 根据设计标准，卧室和房间的新风流速为 41.5 m ³ /h。设计的空气循环率为1.5 m ³ /(h· m ² )。每个公寓配备了独立的空气处理机组，其热回收效率为85%。 1 kW的加热电池位于热回收器后。用户可以通过安装在客厅的一个操作面板来控制新风温度。

2 、 测量方案

每个公寓共做 2 次测量，每次测量时长 2 周。 第 1 次测量时间在 2015 年 11 月和 12 月，只在公寓中安装了温度传感器。第 2 次测量时间在 2015年 3 月和 4 月，在公寓中除了安装温度传感器外，还安装了门窗传感器，用以记录门窗的开关状态。

测量中使用的温度传感器的精度为±0.5 ℃，在公寓的不同位置共安装了 32 个传感器。 每个房间放置至少 1 个传感器（约 1.4 m 高度处），分别在客厅、厨房和走廊同一竖直平面放置 3 个温度传感器来测量温度的垂直分布。在新风入口端放置了传感器，在北面、南面和东面的外墙放置传感器来测量室外温度和楼梯区域温度。在暖气片的控温阀、流入管道、流出管道、暖气片表面放置了传感器。住户被要求记录控温阀的档位。在后 1 次的实验中，门窗的开关状态被门窗传感器记录了下来，门窗传感器只记录开关的状态但并不记录打开的幅度。

二、住户调研结果

第 1 个公寓的住户刚开始认为客厅的温度太低（约 22℃），住户认为理想的温度是 24℃ ，同时，客厅和走廊有着明显的温差。之后，住户安装了 1个更大的暖气片，同时，客厅和阳台之间的滑动门在第 1 次测量时存在密封性问题，在第 2 次实验之前这个问题已被修好。在第 2 次实验时住户认为公寓的状态比之前要更好，但是无法确定之前相对较差的状态是暖气片尺寸过小造成的还是由滑动门气密性的问题造成的。然而，之前暖气片尺寸的不足导致住户将新风温度调节到 20℃ 以上。在大多数人看来，由于部分房间没有暖气片，因此有些房间的温度会低于住户的期望温度。可是住户访谈的结果却与之相反，住户抱怨卧室的温度过高，而16℃ 至 18℃ 为理想的温度。因此住户会在睡觉前将卧室的窗户打开一段时间来降低卧室的温度。

第 2 个公寓的住户总体来说满意室内环境，然而住户也觉得在冬季客厅的温度低于他理想的温度（22℃）， 他未采取任何措施来改善这个问题。同第 1 个公寓的住户一样，他也认为卧室的温度过高，而他采取的解决方案是：除了在最冷的时候，在冬季的大多数时间，他都将卧室的窗户打开来保持卧室相对较低的温度。对他来说，12℃ 至 15℃是理想的卧室温度。

这些访谈结果与 BERGE的研究比较吻合。BERGE 对 Milj248;byen Gran229;sen 的 62 户别墅（无公寓）住户进行了问卷调查。尽管房屋的类型不同，但是房屋有着一定的共性，比如都是用简化供暖，卧室无暖气片，因此调查的结论还是很有价值的。结果显示，大部分住户对客厅和浴室的热舒适性很满意，但是对于卧室的满意度较低。事实上，50%的住户认为卧室的温度过高。同时，值得注意的是，大部分对卧室温度不满意的住户对新风温度的设定较高，使得在冬季的大部分时间，新风系统中的加热电池都处于工作状态。调查结果还显示，50%的住户在冬季每天会将卧室的窗户打开几个小时，而控制（降低）卧室的温度则是这一行为的原因。

三、实地测量结果

1 、房间温差

测量结果显示，各个房间的温度变化趋势相同，但是在整个测量期间，走廊和卧室一直存在一定的温差（走廊的温度更高）。公寓 1，走廊与卧室 1 和卧室 2 的平均温差分别为 4.72 ℃和5.11 ℃，公寓 2，走廊与卧室 1 和卧室 2的 平 均 温 差 分 别 为 4.03 ℃ 和 1.47 ℃。同时，后两次的测量结果显示，在大部分时间走廊和卧室 1 的门都是处于关闭状态。

对于 A1(2nd)，图 2 为走廊卧室的温度以及两房间的温差。在第 74 天到第 76 天，住户调高了暖气片的设定温度，之后走廊的温度很快上升到 25.5 ℃ 并维持了 2 天。在这段期间，走廊和卧室1 的温差突然增加然后缓慢降低，在第2 天末基本降低到了初始的温差值，这一现象说明了被动式建筑有着良好绝热性和高热容。然而这个特性在简化供暖下有时也是一个缺点，那就是当住户想要通过调高走廊暖气片的设定温度来提高卧室温度时，这将花费很长的时间，除非住户打开走廊和卧室之间的门。

2 、分层现象

由于空气的受热膨胀因素，在大空间中会有垂直方向上的温度分层现象，这一现象也会影响室内环境的热舒适性。测量结果显示，公寓 1 的客厅和厨房的温度分布较为均匀，地面与 1.4 m 高度的平均温差基本不超过 1.1 ℃。而对于安装了暖气片的走廊，除了 A2(2nd)以外，地面和 1.4 m 高度的平均温差达到了 1.3 ℃ 至 1.5 ℃，根据测量结果，公寓 1暖气片在整个测量期间一直在运作，这也是整个期间走廊温度分层现象较明显的原因，而公寓 2 的第2 次测（A2(2nd)），在大部分时间暖气片并未运作，所以走廊垂直温差较小。

而对于公寓 2 的第 2 次测量，暖气片只在最后3 天是活跃的。除此之外，走廊和客厅的温度非常接近，而且温度分层现象也非常有限。当暖气片开始工作后（暖气片开始工作的原因是住户将暖气片的恒温阀从 3 档调到了 4 档），走廊的垂直温差急剧增大。同时，由于走廊狭长的形状，暖气片和客厅的自然对流非常难以预测。

四、模拟结果及分析

1、模型的建立

本案例使用的室内环境模拟软件是 IDA-ICE。 基于建筑商提供的数据建立了模型，又通过测量的结果修正了模型。使用修正后的模型，测试了极端天气下的设计热负荷；各种不同工况（门窗的开关状态、建筑内部得热、恒温阀的设定温度、送风温度、热回收装置效率）对空间加热需求量和房间温度的影响。

2 、极端天气下的设计热负荷

模拟情境：室外温度-19 ℃，所有门窗关闭，新风温度 16 ℃，晴朗数 0%，无建筑内部得热。结果显示， 走廊的暖气片和空气处理机组中的加热电池供暖功率为 912.9 W，浴室的地暖供暖功率为 72.0 W。

3 、建筑内部得热

根据挪威被动式建筑的标准 NS3700，建筑内部得热的标准如表 3。

图 3 是不同比例的内部得热率对典型气象年的年供暖能源的影响，可以看出，当不考虑内部得热时或者只有20%内部得热率时，年供暖能源超过了2,000 kW·h，而当内部得热率为100%时，供暖能源消耗降低到 0%工况的 28%，只有 699 kW·h。这说明被动式建筑中，内部得热是一个非常重要的热量来源。

4 、暖气片设定温度对能源消耗的影响分析

图 4 表明了不同的暖气片设定温度对能源消耗的影响。其中(19/21) ℃ 的含义为，早上 6 点到晚上22 点温度设定为 19 ℃，晚上 22 点到早上 6 点温度设为 21 ℃。将 21 ℃ 公开作为对照组，假定该工况的能源效率为 100%，其它工况（实验组）的能源效率等于对照组工况能源消耗值与实验组的百分比。可以看出，18 ℃、(19/21) ℃ 和 21 ℃ 的能源消耗并无太大的差别，而当设定温度达到 24 ℃ 时，能源效率降低到 60.5%。

同时，在2周时长的模拟中，在(19/21) ℃和21 ℃的设定下，卧室 1 温度并无明显的差别，这也得益于被动式建筑的出色保温效果。而当暖气片设定温度设为 18 ℃，卧室 1 的温度有了明显的降低。

5 、门窗开关状态对能源消耗的影响分析

根据测量结果，卧室 1 窗户打开面积为窗户面积的 4%。图 5 表明了相比于卧室 1 和走廊的门一直关闭，在门一直打开的情况下，卧室 1 温度会增加约 1 ℃，在整个典型气象年的能源消耗基本没有什么变化。图 6 表明，若住户通过晚上打开窗户这一方法来保持卧室 1 的较低温度，年供暖能源消耗量将增加到890 kW·h。而当卧室1窗户一直打开时，年供暖能源消耗量增加到了 1,201 kW·h。

图 5 显示，当室外温度在在 0 ℃ 以上时，开窗状态下，卧室温度仍然会高于 16 ℃。可当室外温度低于 0 ℃ 时，开窗状态下的卧室 1 温度就会跟关窗状态差距明显增大，最低可至 11 ℃，很明显这个温度是不可接受的。

五、结论

通过实地测量、用户访谈和计算机模拟研究了被动式公寓的特性，结果如下：在内门大部分时间处于关闭的情况下，放置暖气片的走廊和没有暖气片的卧室有着 5 ℃ 左右的温差，公寓的温度空间分层现象不明显，相对较明显的走廊的地方和 1.4 m高度的温差也低于 2 ℃，不会对热舒适性造成太大影响。住户总体对被动式公寓的室内环境满意，但是认为卧室的温度略高，所以住户会通过打开卧室窗户来降温，但是很明显这一行为会增大公寓供暖能源的消耗。建筑内部得热在被动式建筑中扮演非常重要的热量来源，相比于 0%内部得热的情境，100%内部得热可以将供暖能源消耗降低到 28%。 暖气片的设定温度从 21 ℃ 增加到 24 ℃ 时，年供暖能源效率降低到 60.5%。卧室走廊之前的门打打开能够使得卧室温度上升 1 ℃ 左右，年供暖能源消耗基本不变，而常年打开卧室 1 的窗户将使得公寓的年供暖消耗从对照组的 699 kW·h 上升到 1,201 kW·h，当室外温度不低于 0 ℃ 时，开窗后卧室温度依然能够保持在 16 ℃ 以上。