引言

当今建筑行业能源供应面临的挑战越来越多，气候变化的影响也日益明显，加剧了建筑业的能源安全问题。作为主要的能源消耗者，建筑界在不断探索通过实施现代技术和设计来实现环境和经济效益协同发展的多种路径，被动式建筑（Passive House）就在这样的探索中应运而生。

什么是被动式建筑？

被动式建筑（Passive House）是一种高能效建筑设计理念，旨在通过优化建筑设计和施工工艺，使建筑物在尽量减少能源消耗的情况下保持舒适的室内环境。被动式建筑主要依靠自然能量（如太阳能、地热能）和建筑自身的设计特点（如隔热、密封等）来调节室内温度和空气质量。

被动式建筑常见结构形式

相关专家研究分析了由德国达姆斯塔德被动房研究所、德国达姆斯塔德被动房研究所、IG Passivhaus Deutschland 和 iPHA（国际被动房协会）管理的被动房数据库。根据对节能被动标准中单户建筑实例数据库的分析，在超过85%的案例中，最常用的建筑类型是木结构（50.94%）和砖石结构（34.21%）。

基于数据库的被动式标准中节能住宅建筑的建筑类型划分

在被动式建筑标准中实现的单户住宅建筑分析数据库中建筑系统类型的百分比份额

木结构被动房外墙材料分析

研究团队利用他们的专业知识，对被动房数据库中记录的木结构被动式建筑进行了全面的案例研究，为符合被动式建筑标准的木结构被动房建筑绘制了三种主流的墙体截面图，分别为EW-T-01（被动式CLT节能木墙）、EW-T-02 （被动式板式节能木墙）和 EW-T-03 （被动式胶合木节能木墙），这三种木结构墙体也将作为本次的研究对象。同时，作为对照组，专家们也绘制了两种主流的被动式砖石结构墙体截面图，分别标记为EW-M-01 和 EW-M-02。

被动式木结构外墙横截面示意图及材料分析表

被动式砖石砌体结构外墙横截面示意图及材料分析表

根据研究可以得出结论，CLT板、定向刨花板、胶合木是被动式木结构建筑墙体三种最常见的主要材料，且这三种材料能够实现不同的结构组合，并通过适当的设计让墙体具有高热阻和消除热桥的能力，这也是木结构墙体减少建筑物能源需求的关键。据研究，采用这三种木结构节能木墙可显著降低供暖空间的年能源需求38-42%，并将制冷能源需求降低8-26%。在可持续建筑的背景下，具备优良绝缘性能且能够和其他生态绝缘材料合理结合的木结构被动式建筑，将是一种潜力无限的解决方案。

木结构被动房墙体传热系数分析

除了对墙体进行设计，关注墙传热系数也很重要。在计算传热系数时，需要注意的是，由于材料在通过绝缘层和木柱的横截面排列不同，在分析上，需要根据EN ISO 6946计算出标准的传热系数值，再通过有限元法（FEM）或使用有限元法执行的更精确的计算来近似计算。

注：

EN ISO 6946标准——建筑构件和建筑构件热阻和热透射率计算方法。（ISO：瑞士日内瓦，2017 年）

有限元法（Finite Element Method,FEM）——是一种数值分析方法，广泛应用于工程和物理科学领域，用于求解复杂结构、流体、热传导、电磁场等问题。FEM通过将复杂的连续体分割成有限数量的离散小单元（有限元），并通过这些单元的相互作用来近似模拟整体问题。

木结构墙体传热系数分析

根据研究可得，在相同的地域环境下，不同的木结构墙体的传热系数也有着细微的差别，而木材占比较多的墙体结构温度分布更均匀。这就意味着，在经历外部温度变化时，木结构墙体能够更好地调节墙体温度，不让室内温度变化过快过大，提高建筑的热舒适性。

木结构被动房墙体环境生命周期评估（LCA分析）

1、建筑隐含能源

在进行环境生命周期评估研究之前，必须要明确“建筑隐含能源”的概念。隐含能源是用于生产建造建筑的能源，是可持续建筑及其环境影响的关键因素。为了准确评估特定材料的能量消耗，必须跟踪从原材料提取到最终应用的整个能量消耗。

Venkatarama Reddy和Jagadish将其分为三部分：

用于生产基本建筑材料的能源

运输这些材料所需的能源

组装各种材料以建造建筑物所需的能源

在这三个部分中，建筑材料生产阶段产生的能源消耗是最大的，因此，专家们对生产阶段的建筑隐含能源进行了深入的研究。

生产阶段的 PENRT [MJ] 比较

根据研究得出结论， 被动式木结构墙体的隐含能量明显低于两种被动式砖石墙体。特别是EW-T-02（被动式板式节能木墙）的隐含能量最低，为425.70 MJ / kg，表明该木墙具有最出色的能源效率；EW-T-01（被动式CLT节能木墙）次之，为478.66MJ / kg。

2、全球变暖潜能值（GWP）

全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）是一个衡量不同温室气体对气候变暖影响的指标，在建筑LCA分析中，也是重要的评估环节之一。

生产阶段的GWP[kg CO2e] 比较

（GWP以 [kg CO2e]为单位，是指以二氧化碳为参考点，评估各种温室气体对温室效应的影响）

同样是针对生产阶段的研究，研究结果表明，三种被动式木结构墙体皆显示负CO2e 排放，这正证实了木材的碳封存功能。其中，EW-T-01（被动式CLT节能木墙）实现了 −55.51 kg CO2e的碳封存，为最高值，证实了CLT在碳封存方面的出色表现；相比之下，两种被动式砖石结构墙体的CO2e排放量居高，其中EW-M-01墙体的排放量最高，达到了90.59 kg CO2e。该研究结果强调了建筑材料选择对碳足迹的重大影响，也更加证实了木结构作为碳储存库在减少温室气体排放方面的重要作用。

3、水足迹（FW）

生产阶段包括建筑材料的原材料获取、生产和运输，这些阶段对淡水的使用有重大影响，并可能对人类、生态系统和水资源产生潜在影响。比较建筑生命周期（LCA）生产阶段的水足迹（FW）也至关重要。

在生产阶段FW的比较[m3]

同时，专家们对5种墙体在生产阶段的水足迹进行了研究分析。根据研究得出如下结论，三个被动式木结构墙体样本皆显示出较低的耗水量，这表明采用木结构是让水资源管理更可持续的有效方法。其中，EW-T-02（被动式板式节能木墙）显示了最低的耗水量，为0.08 m3，表明此类建筑的水资源管理效率最高；相比之下，被动式砖石结构墙体都有更高的耗水量。结果表明，在水资源管理变得越来越重要的当下，木结构建筑的低耗水值特征让其在可持续建筑中具备极大的潜力。

结语

通过研究证明，基于舒适性、心理方面和功能性等多面的考虑，木结构是被动式建筑最合适的选择。在全球积极应对气候变化的当下，木结构“被动式建筑”无疑是有效、可行并可靠的建筑解决方案，它们满足最严格的热要求，在低能耗和被动式建筑领域具备惊人的潜力，在未来拥有无限的发展空间，将引领人类建筑走上可持续发展的绿色道路。

常见建筑材料生产产生的排放

中林木结构 预建碳中和

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参考资料：《External Wall Systems in Passive House Standard: Material, Thermal and Environmental LCA Analysis》

部分参考文献：

·Banias, G.F.; Karkanias, C.; Batsioula, M.; Melas, L.D.; Malamakis, A.E.; Geroliolios, D.; Skoutida, S.; Spiliotis, X. Environmental Assessment of Alternative Strategies for the Management of Construction and Demolition Waste: A Life Cycle Approach. Sustainability 2022, 14, 9674. [Google Scholar] [CrossRef]

·Rodríguez, L.; Martínez, L.; Panameño, R.; París, O.; Muros, A.; Rodríguez, R.; Javier, R.; González, C. LCA of the NZEB El Salvador Building, a Model to Estimate the Carbon Footprint in a Tropical Country. J. Clean. Prod. 2023, 408, 137137. [Google Scholar] [CrossRef]

·Skaar, C.; Lausselet, C.; Bergsdal, H.; Brattebø, H. Towards a LCA Database for the Planning and Design of Zero-Emissions Neighborhoods. Buildings 2022, 12, 512. [Google Scholar] [CrossRef]

·Badescu, V.; Sicre, B. Renewable Energy for Passive House Heating. Energy Build. 2003, 35, 1077–1084. [Google Scholar] [CrossRef]

·Grossi, F.; Ge, H.; Zmeureanu, R. Life Cycle Assessment of the Environmental Benefits of Using Wood Products and Planting Trees at an All-Electric University Laboratory. Buildings 2023, 13, 1584. [Google Scholar] [CrossRef]

·Di Ruocco, G.; Gaita, A. Life Cycle Assessment from Cradle-to-Handover Approach to Greenhouse Gas Emissions Mitigation: Carbon Storage in Timber Buildings. Buildings 2023, 13, 1722. [Google Scholar] [CrossRef]

·Zhang, X.; Huang, W.; Khajehpour, M.; Asgari, M.; Tannert, T. Seismic Performance and LCA Comparison between Concrete and Timber–Concrete Hybrid Buildings. Buildings 2023, 13, 1714. [Google Scholar] [CrossRef]