寒冷地区被动式超低能耗居住建筑工程实践

1 项目概况该示范项目位于山东省聊城市，地下两层储藏室，地上17层住宅，建筑高度为51.30 m，总建筑面积约13 500 ㎡。聊城具有显著的季节变化和季风气候特征，属于建筑气候分区中的寒冷B区。2 高保温隔热性能被动式超低能耗建筑采用以能耗为控制指标的性能化设计方法，最大限度地减少建筑的能源消耗，其核心要素是高保温隔热性能、高气密性能的围护结构和高效热回收的新风系统。除了夏热冬暖地区，屋顶保温厚度、外墙保温厚度对能耗影响分别占70 %和10 %，应优先考虑。山东省被动式超低能耗居住建筑相关的能耗数据表明，采暖期能耗主要集中在围护结构，占比约89 %。经模拟计算，聊城市示范项目采暖期围护结构能耗18.59 kWh/（㎡ · a），通风能耗1.72 kWh/（㎡·a），围护结构能耗占比约92 %。以聊城市示范项目为例，仅对外墙和外门窗的传热系数修改，其余工况不变，能耗模拟数据的变化明显。由此可见，高保温隔热性能的围护结构对降低能耗指标的作用显著。热桥对建筑平均传热系数影响明显，被动式超低能耗建筑应严格控制热桥的产生。基于此，聊城市示范项目保温层遵循整体包裹的原则，连续完整、无间隙，结合实际施工情况，还采取了延长保温层、填塞保温材料、阻断热桥等措施。在外墙、屋顶的热桥部位分别采用相同厚度的保温措施，避免结构性热桥。保温系统采用阻断热桥的固定件，降低系统性热桥的影响。地下室为非空调房间，采取保温层沿墙体向下延长的措施。管道穿外围护结构部位预留套管，并填塞保温材料。外围护结构固定支架时采用阻断热桥的措施（图1）。（a）

（b）（c）

（d）（e）

（f）图1 外围护结构采用的阻断热桥措施示意（a）女儿墙；（b）外窗；（c）雨篷；（d）设备基础；（e）出屋面管；（f）室外空调支架普通节能建筑空调能耗中大约20 %~50 %由玻璃门窗等外围护结构消耗。山东省被动式超低能耗居住建筑相关的能耗数据表明，制冷期能耗主要集中在外门窗，占比约83%（表1）。由此可见，外门窗是被动式超低能耗建筑的关键部件。表1 制冷期能耗参数kWh/（㎡·a）外门窗对玻璃和窗框要求都很高，不仅要满足传热系数和遮阳系数要求，还要满足得热系数和采光系数要求。玻璃的配置应考虑层数、镀膜、填充气体和边部密封等措施，窗框应采用塑料、木材、铝木复合等保温性能较好的型材。外门窗采用Low–E玻璃时，应对传热系数和太阳得热系数综合考虑，不应盲目降低传热系数而忽略太阳得热系数。镀膜层数越多，传热系数会越小，但是同时太阳得热系数也越小，会影响冬季太阳热能的利用。聊城市示范项目的围护结构热工设计见表2。表2 围护结构热工设计基于控制能耗的考虑，外门窗要求夏季遮阳系数小，遮挡阳光直射，降低空调能耗；冬季太阳得热系数大，获得太阳辐射，降低采暖能耗。但是外窗太阳得热系数和外窗遮阳系数存在明确的正比关系，不能同时满足冬夏两季的要求，采取遮阳设施可以很好地解决这一矛盾。根据欧洲遮阳组织（TheEuropeanSolarShadingOrganization）的实验数据显示：采用建筑遮阳设施能够有效降低建筑能耗，冬季采暖能耗降低10 %，夏季制冷能耗降低25 %。在相同的条件下，外遮阳系统有约15 %的热量进入室内，内遮阳系统则有近50 %的热量进入室内。基于此，建筑遮阳设施主要采用外遮阳设施。与固定外遮阳设施相比，可调节外遮阳设施可以更好地兼顾夏季遮阳和冬季太阳辐射得热需求，宜优先采用。当然，也可以结合设计方案采用建筑自遮阳，但是建筑自遮阳需要形体有较大变化才能实现，存在一定的局限性。低层、多层建筑及高层建筑的底层部分还可采用种植高大落叶乔木实现建筑遮阳，更自然环保。3 高气密性能在普通节能建筑中，门窗缝隙的冷风渗透会产生大量的能耗。相关研究表明，空气渗透引起的热损失占建筑热负荷的25 %~50 %。提高气密性对减少供暖能耗有明显的作用。山东省冬季室外平均风速都比较高，普通节能建筑冷风渗透的风速并不低，导致室内存在冷风吹的不舒适感，温度不均衡，对室内的热环境影响显著（表3、表4）。由此可见，高气密性的围护结构非常重要。表3 温度参数℃表4 风速参数m/s气密性的设计包括气密层和外门窗两个要素。气密层应连续包裹整个外围护结构内侧，外门窗应采用气密性等级高的产品。气密层主要采用一定厚度的抹灰层、气密性套环以及气密性薄膜，门窗洞口、电气接线盒、管线贯穿处等关键节点应进行重点处理。抹灰层对于提高建筑的密封性非常重要，抹灰厚度不小于15 mm，气密单元的屋面板、外墙、楼板、门窗洞口均要进行无断点的抹灰处理。填充砌块与主体结构交界处的抹灰，由于基体材料不同，线性收缩也不同，容易开裂，应铺设耐碱玻纤网格布增强拉结。室内电气接线盒安装时，先用粘接砂浆填充孔位，再将线盒底座挤压入孔洞，然后用密封胶填充线缆周边空隙。管线贯穿处采用PU发泡胶填缝，并用专用胶将管道的密封套环粘在洞口四周，密封后做气密层。聊城市示范项目按户型设置气密单元，将气密层和保温层分开处理，能够简化设计，降低施工难度。4 高效新风热回收被动式超低能耗建筑围护结构具有良好的气密性，能够有效减少空气渗透产生的能耗，但也使室内出现污染物浓度过高，必须由机械系统提供一定的新风。与传统通风方式相比，带高效热回收的新风系统可节省空调新风负荷64 %以上。以聊城市示范项目为例，仅对新风系统是否热回收修改，其余工况不变，能耗模拟数据的变化明显（图2）。图2 热回收与建筑能耗的关系由此可见，高效热回收新风系统是被动式超低能耗建筑不可缺少的组成部分。高效新风热回收系统回收排风能量增加了热回收装置，会增加风机能耗，因此需要综合考虑系统的回收能量和增加的风机能耗。当室内外温差较小时，可能出现回收能量小于风机能耗的情况，所以在过渡季节应采用旁通模式，经过过滤的新风通过旁通管直接进入室内。当然，凉爽的夏季夜晚也可以使用。室内气流组织采用下送风方式易产生吹风感，采用上送风方式易形成涡流死区，侧上送风更接近自然通风，可保持室内气流贯通。通过共用风管将空调风与新风通过主要居住房间的侧上方送风口送到各个房间，在房间门下方预留20 mm缝隙用于回风，在餐厅和客厅设置集中回风口，使室内形成“上送下回”的环形气流。厨房采用带有止回装置的抽油烟机，在外墙设置专用补风器，与抽油烟机联动，同时启停。卫生间采用带有止回装置的机械排风系统，门下方预留20 mm回风缝隙。聊城市示范项目采用专用能源环境机组，室内机放置在阳台，室外机放置在邻近空调板上。机组同时输送新风，进行送回风热交换及室外空气净化，过滤器对于不小于0.5 μm的细颗粒物的一次通过计数效率高于80 %。5 施工与检测被动式超低能耗建筑对施工的工序和质量有着严格的要求，施工工艺也更加复杂，需要更精细的施工。施工工序应为：主体结构、门窗工程、气密层、保温工程、室内装修。施工单位应严格按照图纸进行选材、施工，并制订专项施工组织方案。施工前应组织理论学习，建造样板间专项展示施工节点，明确各道工序做法。各系统中材料应兼容匹配，配套材料由供应厂商统一提供，尤其是外门窗密封系统，防水隔气膜、防水透气膜和密封胶相容性差，容易导致热桥和气密性问题。被动式超低能耗建筑外门窗应紧贴外墙外侧外挂安装，在室内外两侧进行防水膜施工，将室内侧防水隔气膜与窗体四周进行紧密粘贴，滚压严密后，固定外门窗，最后粘贴室外侧防水透气膜。洞口的侧面及室外侧200 mm范围内，表面应光滑平整，可以采用高标号水泥抹面。基于对经济性和施工平整度考虑，保温层通常按双层设置。双层错缝粘贴，避免通缝产生的热桥。第一层保温板采用点框法粘贴，其厚度与外门窗凸出墙面的厚度一致，第二层保温板采用满粘法。室内电气接线盒、管线贯穿处针对气密性要求选择相应的材料密实处理。被动式超低能耗建筑施工过程中有大量的热桥控制措施和气密性控制措施，这些措施与传统工艺差异很大。传统建筑施工企业质量控制相对粗放，容易出现问题，应对这些部位重点进行检测。热桥控制的检测采用热成像法，气密性控制的检测采用鼓风门法。经检测，气密性控制措施符合要求；墙体和门窗的热桥控制措施符合要求，无热工缺陷，屋面细部存在一定的问题。机房外墙在出屋面的部位存在温度突升现象，说明机房外墙与屋面交接处出现保温通缝，雨水口处存在温度突升现象，说明水落口找坡层保温厚度不足，结构性热桥影响严重。通过在板缝间填塞切割好的保温条和聚氨酯发泡封堵，修复后合格。室内环境质量经检测，温度、CO2浓度、PM 2.5浓度、噪声均符合要求，但是室内噪声存在一定的改进空间（表5、表6）。通过表6可以看出，客厅噪声明显高于主卧和书房，原因是机组到主卧和书房距离大，噪声沿风管衰减明显。通过在机组内部敷设25 mm吸声玻璃棉和在通风管道穿墙处填塞玻璃棉，使客厅室内噪声降至32 dB，可得到一定优化。表5 室内环境检测数据表6 室内噪声检测数据（夜间）dB（A）经过回访，在被动式超低能耗居住建筑使用过程中，出现过室内温度不舒适、用户电费过高等问题，分析原因，除去初期入住率低外，用户的一些生活方式和行为习惯需要注意。比如，在制冷季和采暖季不应开窗通风，在过渡季和室外条件适宜的夏季夜里鼓励自然通风，达到降低能耗的目的；室内家具布置考虑自然通风的要求，有利于形成穿堂风；室内铺设地毯时留出门下缝隙