气密性是实现被动式低能耗建筑的关键因素

1、气密性是实现被动式低能耗建筑的关键因素中国建筑科学研究院刘月莉 杜争河南理工大学 孟青山摘要：被动式超低能耗建筑的设计理念是最大限度地降低建筑物热损失,致力于降低冬季的供暖能耗。提高建筑围护结构的热工性能和建筑物气密性能,是实现被动式建筑的关键所在。关键词： 被动式建筑 气密性 能耗注：本文由北京市科技计划课题高性能建筑外窗系统产品开发与示范提供支持。1、关于被动式低能耗建筑1.1被动式建筑理念的提出被动式超低能耗建筑的概念是在20世纪80年代德国低能耗建筑的基础上建立起来的,1988年由瑞典隆德大学的阿达姆森教授和德国的菲斯特博士提出,其定义为:不需要设置传统的供暖和空调系统,就能够在冬季和

2、夏季均实现舒适室内物理环1.2“被动式建筑”发展的历程1991年，世界上第一座被动式建筑“春天”在德国达姆施塔特市的克莱你斯坦社区问世（图1）。该建筑在投入使用后的20多年里，一直在10kWh/（m2a）的超低供暖能耗状况下运行，节能效果显著。1996年，菲斯特博士组建了德国被动式建筑研究所，并在三年后，采用太阳能光热和光电利用技术提供采暖、生活热水和照明用电，建造了建设成本仅为传统建筑的107%且运行成本很低的一幢木结构住宅（每户90/户）。目前，继被动式办公建筑energon和北美第一个获被动式建筑认证的美国明尼苏达州的Waldsee Biohaus等后，德国、奥地利、瑞士和意大利等欧洲国

3、家投入使用的被动式建筑已有1万幢以上。当前，欧洲许多国家、美国和韩国都制定了被动式建筑的设计标准。同时，欧盟各国及美国均确定了建筑节能发展目标。各国的被动式建筑发展目标见表1.表1欧盟各国及美国建筑节能发展目标一览表国别计划时间建筑节能目标备注丹麦2020年建筑能耗较2006年降低75%欧盟建筑能效指令EPBD芬兰2015年执行被动式建筑的标准法国2020年建筑需可对外供能德国2020年运营无需化石燃料匈牙利2020年达到零碳排放爱尔兰2013年达到零能耗荷兰2020年达到零能耗挪威2017年执行被动式建筑的标准英国2016年达到零碳排放美国2020年零能耗住宅市场化奥巴马于2009年签署了第

4、12314号总统行政命令2025年零能耗商业建筑在低增量成本下运营2030年新建联邦建筑全部达到零能耗标准1.3被动式建筑在中国自20世纪80年代中期开始，我国建筑节能工作经历了快读发展，低能耗建筑技术的研究和推广受到了各界的广泛关注。1986年，建设部与瑞典建筑研究委员会签订了中瑞科技合作协议利用被动太阳能技术开展“节能住宅”设计技术研究。首次引进了被动式建筑的概念。从20世纪90年代开始至2006年，建筑节能工作得到了快速发展，全国各气候区的建筑节能设计标准逐步完善，建筑节能的要求不断提高。近年来，结合国情，考虑不同地区的气候特征对供暖、空调和通风的要求，建筑节能技术在工程实践中得到了大量

5、的应用推广。2010年，住房和城乡建设部和德国交通、建设和城市发展部共同签署了关于建筑节能与低碳生态城市建设技术合作谅解备忘录，进一步推动了被动式建筑在中国的发展。截止目前，国内已有秦皇岛“在水一方”、哈尔滨“辰能溪树庭院”、乌鲁木齐“幸福堡”、长兴朗诗布鲁克、廊坊威卢克斯办公楼、汉堡之家和北京“CABR近零能耗示范楼”等被动式建筑相继落成并运行使用，见图2。2建筑热工与被动式建筑2.1被动式建筑的围护结构热工性能在已建成的被动式建筑中，多数项目的设计理念是最大限度地降低建筑物热损失，主要致力于降低冬季的供暖能耗。目前，在欧洲国家获得被动式建筑的认证，必须满足两个必备条件：建筑物的供暖能耗15

6、kwh/（m2a），建筑总能耗（供暖、空调、通风、生活热水、照明和家电等）120kwh/（m2a）.同时，对建筑围护结构的保温性能提出更高的要求：外窗传热系数0.8W/(m2K),外墙、屋面传热系数0.15W/(m2K)，并应消除热桥；建筑物气密性能为在50Pa下，每小时换气次数0.6次。另外，全热回收新风系统的效率75%。 可见提高建筑围护结构的热工性能，是实现被动式建筑的关键所在。研究结果表明，我国被动式建筑节能技术发展的核心问题是：如何秉承“被动优先，主动优化，经济实用”的原则，在满足建筑物所在地的气候和自然条件下，通过合理平面布局、科学选择窗墙面积比、天然采光和自然通风良好和太阳能与建

7、筑一体化技术有机集成的基础上，尽可能提高建筑围护结构保温隔热性能和气密性能，采用太阳能光电光热利用技术及室内非供暖热源得热等各种被动式技术手段，实现舒适的室内物理环境。2.2我国建筑节能设计目前，我国各气候分区建筑节能设计标准中，均对住宅建筑门窗幕墙的气密性作出了规定，但并未对建筑物整体气密性能提出要求。而建筑物整体气密性关系到室内热环境质量和空气品质，对建筑能耗的影响至关重要。建筑物整体气密性能以换气次数作为衡量指标，换气次数指每小时室内外的通风换气量与房间体积之比值。建筑物整体气密性能与所采用的外窗自身气密性，施工安全质量以及建筑物的结构形式和建设年代有着密切的关系。如北方地区1986年以

8、前开工建设的居住建筑，外窗基本是木窗和钢窗，气密性很差；框架结构建筑物的粱、柱混凝土进行浇筑在前。围护墙体的保温砌块填充在后，因此，砌块与柱的连接处必然存在缝隙，施工中需认真封堵，才能避免大量的空气渗透热损失。清华大学和中国建筑科学研究院等单位对北方地区既有建筑进行了整体气密性调查。调查结果表明，我国90年代以前建成的建筑由于外窗质量不佳（钢窗变形等），房间密闭性很差，门窗关闭后仍有严重的漏风现象存在，换气次数可达1.5次/时以上。近年来，新建建筑采用节能门窗，气密性得到显著改善，部分建筑物的换气次数可达到0.5次/时以下，见图3.从图3可以看出，21栋建筑物的气密性能差别较大，在50Pa压差

9、下，2014年建造的住宅楼换气次数为0.68次/h，而1986年建造的住宅楼换气次数高达8.22次/h，基于20世纪80年代的居住建筑整体气密性能普遍较差。整体来看，北方地区既有居住建筑整体气密性能现状不容乐观。3建筑物气密性对能耗的影响北方地区之所以要采暖，是因为冬季室外温度低于维持人体生理需要的温度值。当室内外存在温度差时，热量就通过外墙、外窗以及屋顶从室内传递至室外，同时室外的地温控器也会通过围护结构的缝隙渗透到室内。因此，要维持室内的温度，就需要向室内提供热量（包括传热散失和加热新风的热量），即采暖供热量。通过围护结构缝隙渗入到室内来提供所需新风量是不合理的，为了保证室内空气品质，需要

10、从室外引入新风，但应当是在建筑围护结构气密性能良好的前提下，有组织地引入室内。在我国的气候分区中，严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区3个地区冬季的室外计算温度在-10-10之间，这些地区冬季室内都需要供暖。如果不考虑冬季围护结构的太阳辐射得热，综合围护结构的影响和通风换气的作用，可以得到单位建筑面积的供暖需热量Q。Q=室内外平均温差X（平均传热系数X体形系数+换气次数X0.336）X层高（W/m2）。式中的平均传热系数，是指外窗、外墙和屋顶的加权平均值。可以看出，建筑物的供暖需热量与围护结构的传热系数和体形系数、体积和换气次数成正比的关系。供暖需热量随平均传热系数和换气次数的影响而变化，与室内外

11、空气温度差成正比；并且若降低采暖能耗，需要降低【平均传热系数X体形系数+换气次数X0.336】值。而在一般采暖节能建筑设计时，建筑物的换气次数不小于0.5次/h，则【换气次数X0.335】为0.168，因此当平均传热系数与体形系数之积大于0.168W/（m2K）时，降低采暖能耗的关键为改善围护结构的保温性能，应降低【平均传热系数X体形系数】；而当上式第一项远小于第二项时，则应设法减少换气次数，以减少换气热损失。如，某住宅楼，当其体形系数为0.3m-1、平均传热系数为0.6W/（m2K）时，上式第一项为0.18，与0.168同一数量级，进一步提高保温性能可以产生节能效果；而当体形系数为0.2m-

12、1、平均传热系数为0.6W/（m2K）时，则第一项为0.12，远小于0.168，此时再进一步提高保温性能已无太大意义。但是，对于长江流域以及以南的住宅建筑，由于人们生活习惯的不同，门窗气密性都较差，换气次数很少低于1次/h，故外窗的平均传热系数对采暖能耗所起作用也相应提高。我们选择北京市一幢为体形系数为0.26的18层住宅建筑进行模拟计算，分析提高建筑物气密性能对建筑节能的贡献。该建筑物总建筑面积7163.46，层高为2.95m，每层二单元，围护结构各部位传热系数符合北京市居住建筑节能设计标准（节能65%和节能75%）的规定。表2为按照65%基恩给你设计标准规定的计算结果，图4为分别按照节能6

13、5%和节能75%设计标准设计的计算结果。表2 节能65%时不同换气次数对建筑能耗的影响换气次数（1/h）2.001.201.000.500.30累计热负荷（Kw）157.64130.97104.3177.6652.52建筑需热量减少比例（%）换气次数为（2-1.5）换气次数为（1.5-1）换气次数为（1-0.5）换气次数为（0.5-0.03）换气次数为（2-0.03）0.1691910.2035660.255430.3237710.666842计算结果表明，节能65%的居住建筑，当换气次数依次从2.0次/h减小到1.5次/h、从1.5次/h减小到1.0次/h、从1.0次/h减小到0.5次/h、

14、从0.5次/h减小到0.03次/h和从2.0次/h减小到0.03次/h，建筑供暖需热量约分别降低17%、20%、26%、32%和67%。4、结语建筑物整体气密性能的影响因素包括外窗产品的气密性能，外门窗与建筑物主体的安装质量以及外墙与屋顶等连接处的密闭性等。外窗是建筑围护结构中保温隔热性能最薄弱的构件，外窗本身的质量、密闭性、开启方式、五金配件以及玻璃的保温性能等方面存在较大差异，加之具有开关构造，气密性较差。1973年之前，建筑师在建筑设计时，主要考虑外窗能否满足采光、通风和美化立面的需求，以及利用通过外窗的太阳光线营造室内的光影效果，基本不关注外窗的保温、隔热和气密性能。自世界能源危机爆发

15、后，人们才从经济利益上意识到建筑节能的重要性，开始了建筑外窗节能技术的研究。科研单位积极开展建筑门窗保温隔热性能、隔声性能和气密性能技术研究，为门窗的节能性能、安全性能提供了基础理论研究。建筑门窗和玻璃企业积极开展建筑门窗节能技术研究和高性能玻璃（中空、真空和Low-E中空玻璃）研发，不断开发新型节能产品，应用于工程建设中，在实现建筑节能减排目标的同时，提高了室内热舒适度和空气品质以及建筑声环境质量。针对当前建筑外窗在传热和渗透热损失方面存在问题，从外窗的传热特点入手，对外窗材料和外窗特性进行分析。窗的结构形式、朝向对建筑物热损失的影响比重分析，玻璃的选用，多腔型材的构造优化，外墙窗框防风防水构造的研究，窗与墙体之间、玻璃与窗框之间的密封工艺，兼顾建筑外窗的保温性能、气密性、水密性和隔声性等物理性能的研究，传热系数1.5W/m2k新型节能窗产品已不鲜见，更高保温性能、气密性能及经济合理的复合窗（传热系数1.0W/m2k）产