装配式超低能耗木结构建筑设计

1 项目概况山东省某轻型木结构建筑为独栋美式住宅，共3层，地上2层为轻型木结构，半地下一层为混凝土结构，基底面积178.5 m2，总建筑面积487.6 m2，其中地下108 m2，地上379.6 m2，建筑高度为9.647 m（室外地面至檐口与屋脊的平均高度）。2 建筑技术方案2.1 建筑节能规划设计建筑朝向为南北朝向，主入口设置在西向，主要房间避开了冬季主导风向（北北东），如图1所示。夏季主导风向为（南南西），夏季和过渡季可采用开启门窗方式自然通风。南北朝向设计也有利于冬季获得日照，从而降低采暖能耗需求，减小全年东西向日晒，从而降低制冷能耗需求。图1 建筑首层平面示意2.2 外围护结构作法本项目被动区域包括（半）地下1层，地上2层以及阁楼层。地下室外墙作法：以200 mm厚防水混凝土作为基层墙体，采用厚110 mm的挤塑聚苯板保温。地上外墙作法：采用轻型木结构木骨架组合墙体，38 mm×140 mm墙骨柱间距406 mm，内填玻璃棉，内侧设置60 mm的设施层（38 mm×30 mm的木龙骨纵向与横向交错布置），用于管线布置，以减小对气密层破坏，同时可进一步填充玻璃棉，增加墙体的保温性能。木骨架组合墙体外侧做石墨聚苯板外保温，采用长螺钉固定在墙骨柱上，外挂装饰挂板（水泥纤维板贴石材或文化砖）。外墙构造由外向内为15 mm厚装饰挂板、25 mm通风间层、厚100 mm模塑聚苯板、防水透气膜、厚12 mmOSB板、玻璃棉、防水隔汽膜、厚9.5 mmOSB板、厚30 mm竖向木龙骨、厚30 mm横向木龙骨、双层12 mm防火石膏板（图2）。（a）（b）图2 外墙作法示意（a）外墙作法剖面1；（b）外墙作法剖面2面层保温作法：屋架内填充玻璃棉，外侧做通风屋瓦屋面。地下室地面：采用挤塑聚苯板内保温。楼地面保温：首层楼面采用现浇混凝土楼板铺设挤塑聚苯板，首层以上木结构楼面采用轻型木结构楼板，在木搁栅内填充玻璃棉。保温材料保温性能：外墙外保温采用的石墨聚苯板导热系数为0.032 W/（m·K），玻璃棉导热系数为0.035 W/（m·K）。外窗采用铝包木型材3层中空玻璃，配置暖边间隔条，气密性为8级，水密性6级，防风压性9级。外门为被动式专用门。围护结构各部位的节能措施见表1。表1 围护结构节能措施2.3 建筑气密性措施采取建筑气密性措施的意义包括改善节能和提高居住舒适度两个方面：对于节能来说，首先通过降低冬季冷风渗透和夏季非受控通风达到降低供热/供冷需求的目的；其次，避免随空气带入的湿气侵入造成建筑发霉、结露和损坏，同时也减少室外噪声、空气污染等因素对室内环境的影响，从而提高居住舒适度。对于木结构建筑，如果长期含水率过大，不仅会影响保温材料的保温性能，还会造成木材发霉影响结构性能，所以气密性对木结构建筑实现超低能耗尤为重要。轻型木结构建筑外围护构件建筑气密性能对于实现超低能耗目标非常重要，气密性措施设计：外墙内侧采用15 mm防火石膏板，屋面吊顶内侧采用双层12 mm防火石膏板，石膏板拼缝处贴专用密封胶带。建筑内侧保证连续的气密性设计，如图3所示。图3 连续气密层示意2.4 防潮设计轻型木结构建筑围护结构的防潮设计根据项目所在热工气候带，一般采用防水透气膜和防水隔汽膜配合使用。本项目防水隔汽膜应用于屋面、外墙、外窗内侧，具有抗氧化、防水、难透气性；防水透气膜应用于外墙、外窗外侧，具有抗氧化、防水、易透气性。所选用的防水透气膜和防水隔汽膜主要性能指标见表2。表2 防水隔汽膜、防水透气膜性能指标2.5 隔声设计本项目主要房间的墙体、楼板的隔声措施有以下几种。（1）为了增强外墙的空气隔声性能，在内侧石膏板与龙骨之间安装了隔声金属龙骨，可以避免石膏板和紧固件接触墙体结构构件，有助于缓冲墙面板的振动。（2）选择密度较高的玻璃棉，增强隔声性能的同时，也利于提高保温性能。（3）外饰面材料应用的石材和文化砖石材有利于增加外墙整体的面密度，帮助提高隔声性能。（4）在木结构楼面上侧铺设40 mm细石混凝土层，提高了楼板的空气隔声性能和撞击声隔声性能。2.6 采光设计室内天然采光设计主要针对卧室、起居室、休闲室等主要功能空间，通过模拟结果调整优化外窗的位置和大小。菏泽为Ⅲ级光气候区，按照GB 50035—2013《建筑采光设计标准》规定：住宅建筑主要功能房间卧室、起居室（厅）的采光系数标准值为2 %，室内天然光照度标准值为300 lx。模拟结果显示：所有卧室、起居室、书房、休闲室的室内采光系数平均值达到2 %的要求，采光照度达到300 lx的要求。控制眩光方面，主要功能房间满足GB 50035—2013《建筑采光设计标准》不舒适眩光指数DGI≤27的要求。2.7 设备技术方案在空调系统节能方面采用新风热回收技术降低新风供热供冷需求，设置热泵新风一体机，集制冷、制热、新风热交换、新风过滤为一体。新风量具有可调节功能，可根据室内二氧化碳浓度进行调节和控制，监测点设置在每户起居室。新风机组通风电力需求≤0.45 Wh/（m3·h），见表3。表3 新风机组技术参数3 建筑能源需求分析为分析建筑典型气象年的全年能源需求，首先进行建筑的负荷、能耗计算，计算对象为建筑整体，包括地下1层，地上首层、2层和阁楼层。

模拟软件采用由清华大学建筑技术科学系环境与设备研究所开发的Dest–c，该软件为动态能耗建筑模拟分析软件，可实现建筑热特性分析、建筑全年逐时负荷计算、建筑能耗计算等功能。3.1 室内参数设置人体、家电、照明的散热量形成的热（冷）负荷计算时，按空调连续运行考虑。室内参数设置见表4。表4 室内参数设置人员在室率、家电使用率、照明开关时间表参照DB37/T 5074—2016《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》的规定设置。3.2 新风参数设置空气渗透换气次数取0.042 h–1；新风量按换气次数取0.4 h–1。换气体积为套内使用面积×2.5 m。考虑人员逐时在室率变化，为了新风机组节能运行，考虑分时段新风量折减，见表5。表5 新风量设置3.3 空调系统设置每层划分为一个系统，采用新风空调一体机，全热交换效率75 %，显热交换效率88 %，通风电力需求0.45 Wh/m3，排风量为新风量的90 %。3.4 冷热源设置计算需求能耗与年供冷需求能耗时，按照DB37/T 5074—2016《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》的规定设置：空调机组冬季工况性能系数取2.0，夏季工况性能系数取值2.5。3.5 负荷及能耗计算结果根据DB 37/T 5074—2016《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》，菏泽供暖期自11月9日至翌年3月18日，供冷期为5月6日至9月30日。根据模型和参数设置，计算得到典型气象年建筑的逐时热负荷、逐时冷负荷。冬季考虑围护结构传热损失、通风失热以及内部热源得热，计算得到热负荷指标为15.91 W/m2。夏季考虑围护结构传热得热、辐射得热、通风得热以及内部热源得热，计算得到冷负荷指标为18.09 W/m2。建筑累计供暖、供冷需求指标，以及一次能源需求指标见表6。表6 年供暖（冷）需求指标、一次能源需求指标4 预制装配率计算项目主体结构、围护结构均采用工厂预制现场组装。内隔墙中管线、装修一体化施工，并采用管线分离技术。楼、地面、厨房及卫生间的顶面、墙面均采用干式工法。根据GB/T 51129—2017《装配式评价标准》计算，项目的预制装配率为83 %，达到AA级装配式建筑标准，即预制装配率76 %~90 %。由于木结构建筑具有主体结构部分全部采用预制构件、内隔墙与管线、装修一体化的特点，且项目采用了全装修，实现AA级装配式建筑较容易，为进一步提高装配率并达到AAA级要求，需增加干法施工应用部位。5 结束语以1栋2层木结构独栋建筑为例，通过能耗模拟技术进行建筑能源需求分析，满足DB37/T 5074—2016《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》对建筑累计供暖、供冷需求指标，以及一次能源需求指标的要求，项目同时达到了GB/T 51129—2017《国家装配式评价标准》AA级标准，对于寒冷气候区的类似项目具有一定的借鉴作用。装配式木结构建筑是符合现代建筑产