被动式超低能耗建筑关键技术与案例分析

被动式超低能耗建筑关键技术与案例分析陈小净;原瑞增;白卉;李冉【摘要】本文系统介绍了被动式超低能耗建筑的六大关键技术，包括高效的保温隔热系统、高性能的门窗系统、无热桥结构设计、良好的气密性、高效的新风热回收系统、利用可再生能源辅助供冷和制热，并对〃在水一方”C15#楼和布鲁克被动房进行了分析，最后在文章结尾对被动式超低能耗建筑的发展提供了思考和建议.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷)，期】2016(035)005【总页数】3页(P97-99)【关键词】被动式;超低能耗建筑;关键技术【作者】陈小净源瑞增;白卉;李冉【作者单位】郑州大学综合设计研究院有限公司;河南省建筑科学研究院有限公司;河南省建筑科学研究院有限公司;河南省建筑科学研究院有限公司【正文语种】中文被动式超低能耗建筑起源于20世纪80年代的德国，是利用自然通风和采光、建筑内部得热等各种被动式节能技术，高效能的围护结构节能技术，加上太阳能、风能和地热能等可再生能源的使用等结合建造而成的低能耗建筑。目前德国被动房的核心认证指标包括：1)供暖能耗＜15kWh/(m2-a)或热负荷＜10W/m2，当采用空调时，对供冷能耗的要求与供暖能耗一致；2)建筑一次能源用量＜120kWh/(m2・a);3)气密性满足n50＜0.6;4)超温频率＜10%。其采暖需求＜15kWh/(m2・a)，相当于被动式房屋的采暖能耗低于每年每平方米标准煤1.84kg,仅相当于我国65%节能标准的1/4~1/10。近年来被动式超低能耗建筑随着中德两国建筑节能项目〃在水一方”、“辰能•溪树庭院”等的推进而逐渐兴起。截至2015年初，我国河北、黑龙江、山东等8个省共计有41个项目近31万平方米的示范项目，横跨严寒、寒冷、夏热冬冷和夏热冬暖4个气候区。被动式超低能耗建筑以其舒适度高、能耗指标低、施工功法完善和技术体系先进等优点而被人们所接受和重视，并被视为建筑节能未来的发展方向。与传统建筑相比，被动式超低能耗建筑并不是高端技术和产品产物，而是先进适用技术和常规成熟技术的协调配合而实现的。被动式超低能耗建筑的关键技术主要体现在以下六方面：一是高效的保温隔热系统，二是高性能的门窗系统，三是无热桥结构设计，四是良好的气密性，五是高效的新风热回收系统，六是利用可再生能源辅助供冷和制热［1］。1.1高效的保温隔热系统高效的保温隔热系统包括外墙，屋面，地下室外墙、散水和顶板、排气管道保温隔热等。夕卜墙外保温主要采取厚度为200~250mm厚的模塑聚苯板(EPS)，控制传热系数小于0.15W/(m2K)。屋面除做保温层之外还加防潮层，通常采用防水性能和抗压强度更好的挤塑聚苯板(XPS)等材料。同时屋面的防水保温一直延伸到女儿墙顶部，并加盖特殊构造的金属盖板，防止雨水进入保温系统。地下室的防水和保温层要做到冻土层以下至少500mm。地坪以上300mm处应铺设防潮、耐腐蚀、耐压的泡沫玻璃等保温材料。散水一般采用砾石和鹅卵石。排气管道和风道保温至顶部，穿过楼板部分应加强保温和防水，进入房间的管道外包保温隔音层，避免各种热损失。1.2高性能的门窗系统被动式超低能耗建筑的门窗、幕墙等透明围护结构均要求采用高效节能门窗，不仅要求其整窗U值必须小于0.8W/(m2K)，而且要求总能量穿透率G值小于50%。当前常用的高效窗户主要是多腔木框或塑料型材，填充高效的发泡芯材保温，采用三玻两腔Low-E玻璃，玻璃间充氪气或氩气等惰性气体或采用真空玻璃。施工时窗户固定在主体外墙外侧，并加装窗台板、隔热片和防水密封材料等部件，解决外窗的能耗高、保温气密性差等问题。1.3无热木桥结构设计建筑围护结构中墙角、梁柱、穿透口、阳台、金属支架等部位极易增加热损失，形成热桥效应。被动式超低能耗建筑设计的一个基本原则是〃无热桥结构设计”，衡量标准是热桥系数<0.01W/(mK)。被动式超低能耗建筑通过在热桥设计方面采取可行的构造和构件，如采用预制阳台构件外挂或阻断热桥的专用构件，空调、热水器和雨水管等金属支架进行保温处理等措施，实现对建筑外围护结构全方位、无死角的被包裹在保温层里。1.4良好的气密性良好的气密性是建筑物能效提升的重要指标之一。德国被动房对气密性的要求是n50<0.6。被动式超低能耗建筑通过在设计阶段尽早确定气密层，在施工阶段重视底层、夕卜墙、窗户和屋顶部分无断点的抹灰连接，采用专用构件连接和密封处理，避免穿墙管线对气密性的破坏等技术，减少气密性漏点，形成良好的气密性。1.5高效的新风热回收系统被动式低能耗建筑在冬季仅靠太阳辐射、室内设备和人体散热就可以满足90%以上的室内采暖需求，剩余采暖需求则通过带热回收的新风系统加以满足。为保证室内有充足的新鲜空气，满足良好舒适的室内环境，德国被动房要求新风系统热回收效率不低于75%，在室内出风口的送风温度不低于17^,并保证均匀流过所有房间。目前高效的新风热回收系统可分为分户式和集中式两种。1.6利用可再生能源辅助供冷和制热被动式超低能耗建筑中充分利用可再生能源辅助供冷、供热和照明，最大限度地降低对主动式供暖和制冷系统的依赖，从而大大降低一次能源的消耗，减少CO2、SO2等的排放，改善大气环境。利用生物质能可预热新风和为室内采暖补充热源;利用太阳能可用于生活热水、采暖和新风预热；地源热泵系统可用来供冷和供热。2.1秦皇岛〃在水一方”示范项目〃在水一方”C15#楼是我国寒冷地区第一个被动式超低能耗居住建筑示范项目，总建筑面积6467m2，于2013年竣工并获得德国被动房认证。其围护结构的外墙和屋面保温材料均采用导热系数为0.033W/(m2K)的石墨聚苯板，外墙传热系数控制在0.13W/(m2K)，屋面传热系数控制在0.10W/(m2K)。女儿墙的上部和内侧全部覆盖在防水保温层内，并安装有金属盖板。冻土层以下500mm地坪以上300mm处的地下室外墙粘结连续的沥青防水层，防水层上面铺设有泡沫玻璃。散水采用鹅卵石，便于及时渗水。标准层楼板采用60mm厚的EPS板，传热系数控制在0.38W/(m2K)，并铺设隔声垫。进入房间的排风道采用70mm厚XPS板，有效防止热损失。阳台和连廊与主体墙结构断开，用保温材料包裹。穿墙管线外包套管，套管与墙洞之间填充岩棉或发泡聚氨酯。各种金属支架与墙体之间安装隔热垫层，并覆盖保温层。建筑的地面、墙面等用水泥腻子刮一遍，加强气密性，各种穿墙套管和接线盒接口处用止水密封带或密封胶封堵。夕卜窗采用多腔塑料型材，采用三玻双Low-E中空(氩气)玻璃或中空加半钢化真空玻璃，整窗传热系数小于等于1.00W/(m2K)。每户安装有带热回收的新风系统和空气源热泵的复合系统，用于新风预热和辅助采暖、制冷。该项目还安装了分户式太阳能集热热水系统，可充分利用太阳能制备热水［2］。2.2布鲁克被动房示范项目布鲁克被动房是我国夏热冬冷地区第一个被动式超低能耗公共建筑项目，建筑面积2445m2，于2014年8月竣工并被德国被动房认证。布鲁克被动房除了考虑冬季采暖需求不超过15kWh/(m2・a)之外，还要考虑夏热冬冷地区的夏季防热要求。布鲁克被动房的墙体、屋面、门窗等外围护结构传热系数和室内环境均满足被动房的各项要求，并且部分指标要求更高，如屋面传热系数＜0.10W/(m2K),外门窗传热系数＜0.75W/(m2K),房屋气密性n50＜0.37。建筑物的保温层采取双层100厚的保温板错缝铺贴方式保证保温性能；锚固件是一种断热锚固件，而非传统的膨胀螺栓；阳台等外挑板与建筑本身进行隔离，采用铆钉锚固的方式实现无热桥处理。根据布鲁克酒店建筑的特性，夕卜、夕卜窗遮阳采用固定式外挂铝合金遮阳板，并依据夏至日和冬至日模拟结果定做尺寸；除此之外，夕卜墙部分还采用了彩色陶棒组成的竖向外遮阳帘幕，有效降低墙体夏季得热。通过采用3道胶条密封的门窗、严密的细部节点设计和施工过程控制，房屋的气密性得到了有效保证。暖通空调系统的冷热源采用风冷式热泵，并设有带热回收的机械通风系统满足室内品质要求和降低能耗［3］。被动式超低能耗建筑以其能耗低、舒适度高等优点成为未来建筑的发展趋势，但要在中国大规模的开展，还需要注意以下几个问题：一是关键技术集成问题。被动式超低能耗建筑所使用的关键技术并不全是高精尖技术或主动技术的大量堆砌，而是要因地制宜进行优化集成，在提升自身性能的前提下尽可能多的选取被动式技术。二是关键材料的性能问题。目前被动式低能耗建筑的许多关键材料均需从国外进口，而国内的研发水平、加工工艺均达不到高品质的质量要求，并且国内市场是一个“竞次”或〃劣币驱逐良币”的市场，急需改善。三是人才培养问题，目前我国高校中并没有与被动式超低能耗建筑相关的课程体系和培养计划，加上被动式建筑的设计和施工与传统建筑有很大不同，造成技术人才缺乏，制约了被动式超低能