被動式超低能耗建筑工程設(shè)計應(yīng)用

田琪 丁沫 蔣航軍

中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司

被動式超低能耗建筑是以更少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境并滿足綠色建筑基本要求的建筑。本項目位于北京市通州區(qū)，用地面積71 341m2，地上建筑面積163 790m2，控制高度45m，建筑密度30%，綠地率35%（圖1）。項目1#、2#、3#、4#樓采用被動式超低能耗技術(shù)建設(shè)（圖2），建筑面積共31 203m2。該組團位于地塊東北側(cè)，含兩種戶型單元，設(shè)計滿足《北京市超低能耗建筑示范項目技術(shù)要點》（以下簡稱《技術(shù)要點》）的要求。

1 超低能耗設(shè)計目標

項目按照《技術(shù)要點》中商品住房相關(guān)技術(shù)要求及關(guān)鍵部品性能參數(shù)進行超低能耗技術(shù)設(shè)計，主要包括室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和建筑性能參數(shù)。

1.1 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境是超低能耗建筑的基本前提。為滿足較高的熱舒適水平，項目室內(nèi)環(huán)境參數(shù)按表1執(zhí)行。

1.1.1 空氣溫度

空氣溫度是影響熱舒適的主要因素。ASHRAE 55標準標定的舒適區(qū)為至少滿足80%人群的熱感覺，其冬季舒適溫度區(qū)為19.5～23.0℃，夏季為22.6～26.0℃；ISO 7730通過預(yù)測人體熱感覺指標PMV（Predicted Mean Vote）給出的冬季舒適溫度區(qū)為20.0～24.0℃，夏季為23.0～26.0℃；我國《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50019）也提出了舒適性設(shè)計參數(shù)選用范圍（表2）。

表1 超低能耗建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

北京地處N39°54’，1月平均氣溫-4.5℃，7月平均氣溫26.4℃，極端最低溫度-27.4℃，極端最高溫度40.6℃。通過氣候適應(yīng)模型得出，北京地區(qū)人群舒適溫度范圍為15.8～29.1℃。本項目溫度參數(shù)設(shè)置綜合考慮節(jié)能和舒適原則，將冬季供暖溫度設(shè)定為20℃（在北方集中供暖溫度18℃基礎(chǔ)上調(diào)高2℃），將夏季室內(nèi)制冷溫度設(shè)定為26℃，符合北京地區(qū)人群舒適溫度范圍。

1.1.2 相對濕度

相對濕度對建筑室內(nèi)環(huán)境的影響也十分明顯（表3）。ASHRAE標準建議室內(nèi)相對濕度為30%～60%，高于70%為高度潮濕狀態(tài)；世界衛(wèi)生組織（WHO）認為室內(nèi)適宜相對濕度在40%～70%之間，45%～65%的環(huán)境最為舒適。本項目設(shè)定相對濕度限值區(qū)間為30%～60%。

表2 人員長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

1 鳥瞰效果圖

2 超低能耗技術(shù)示范范圍

1.1.3 室內(nèi)新風(fēng)量

ASHRAE 62標準給出的規(guī)定設(shè)計法是分別計算人員污染和建筑污染所需的最小新風(fēng)量，建筑室內(nèi)所需最小新風(fēng)量即為兩者之和；《日本空調(diào)設(shè)計手冊》對每人所需新風(fēng)量的推薦值和最小值都有規(guī)定，新風(fēng)量按每平方米地板面積的新風(fēng)量指標進行計算；英國建筑規(guī)范通風(fēng)設(shè)計對住宅新風(fēng)量和排風(fēng)量都有要求，最小新風(fēng)量根據(jù)人員密度來決定，不同功能房間的排風(fēng)主要是為了消除室內(nèi)氣味；我國《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736）參照AHSRAE 62標準，綜合考慮人員及建筑污染，根據(jù)換氣次數(shù)給出了所需最小新風(fēng)量，居住建筑設(shè)計最小換氣次數(shù)見表4。

本項目通過自然通風(fēng)和機械通風(fēng)結(jié)合向室內(nèi)提供新風(fēng)。當室外空氣質(zhì)量適宜時（如過渡季），可進行自然通風(fēng)；當室外空氣不適宜時（如溫度過高或過低、霧霾嚴重等），機械通風(fēng)系統(tǒng)可向室內(nèi)提供充足健康的新鮮空氣，保證室內(nèi)空氣品質(zhì)。

1.1.4 室內(nèi)噪音量

WHO對室內(nèi)噪聲限值規(guī)定為臥室等效聲級夜間≤30dB（A），晝間≤35dB（A）；美國環(huán)保署（EPA）規(guī)定住宅室內(nèi)晝、夜等效聲級≤45dB（A）；我國《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3096）規(guī)定的聲環(huán)境要求最高的區(qū)域，等效聲級晝間≤50dB（A），夜間≤40dB（A）；《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》（GB 50118）中對高要求住宅的臥室、起居室（廳）允許噪聲級為晝間≤40dB（A），夜間≤30dB（A），詳見表5。本項目根據(jù)高標準確定室內(nèi)允許噪聲級：晝間≤40dB（A），夜間≤30dB（A）。

表3 相對濕度對室內(nèi)環(huán)境的影響

表4 居住建筑設(shè)計最小換氣次數(shù)

1.2 建筑性能參數(shù)

本項目超低能耗性能參數(shù)的確定主要考慮在現(xiàn)有節(jié)能建筑基礎(chǔ)上，節(jié)能水平大幅提高，實際能耗大幅降低，所以不采用傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)。建筑圍護結(jié)構(gòu)和設(shè)備的性能參數(shù)滿足《技術(shù)要點》的要求（表6，7），并用于節(jié)能設(shè)計計算和建材設(shè)備選型。

2 建筑節(jié)能規(guī)劃設(shè)計

2.1 總平面設(shè)計

總平面設(shè)計充分保證室內(nèi)外的日照環(huán)境、采光、通風(fēng)和綠地率等技術(shù)要求。戶外活動場地采用喬木、構(gòu)筑物遮蔭，道路路面、屋面的太陽輻射反射系數(shù)均≥0.4，有效降低了熱島效應(yīng)。利用CFD對室外風(fēng)場進行模擬，場地內(nèi)無渦流及滯風(fēng)區(qū)域。夏季、過渡季建筑前后壓差≥1.5Pa，冬季除迎風(fēng)面外建筑物前后壓差≤5Pa，人行區(qū)域風(fēng)速＜5m/s，50%以上的可開啟外窗室內(nèi)外表面風(fēng)壓差＞0.5Pa。

2.2 建筑形體

本項目建筑形體設(shè)計簡潔，有利于減小體形系數(shù)以降低能耗，便于節(jié)點設(shè)計。各樓層高均為2.9m，建筑體形系數(shù)分別為0.26、0.26、0.27、0.28。戶型設(shè)計（圖3）考慮形成室內(nèi)風(fēng)對流通道，利用自然通風(fēng)降低夏季及過渡季能耗。建筑北向主入口設(shè)置門斗，降低冬季冷風(fēng)滲入，提高舒適度。

3 戶型平面圖

表5 室內(nèi)噪聲允許值標準dB(A)

表6 性能參數(shù)表（圍護結(jié)構(gòu)）

表7 性能參數(shù)表（設(shè)備）

4 建筑北立面效果圖

5 建筑南立面效果圖

2.3 自然采光

通過戶型優(yōu)化，減少建筑進深，增加開敞空間，提高室內(nèi)采光系數(shù)。東、西、南向外窗全部設(shè)置活動遮陽，在降低夏季制冷負荷的前提下，冬季盡量引入太陽輻射得熱（圖4，5）。

2.4 窗墻比控制

嚴格控制窗墻比，東、南、西、北向窗墻比均滿足現(xiàn)行居住建筑節(jié)能設(shè)計標準的要求（表8）。

3 圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)

3.1 非透明圍護結(jié)構(gòu)

3.1.1 系統(tǒng)性能參數(shù)及材料選擇

系統(tǒng)性能參數(shù)及材料選擇見表6。由于各樓棟建筑高度＞27m，外保溫采用燃燒性能A級的材料，無需采用耐火窗。塑鋼型材被動窗的耐火完整性＜0.5h，因此保溫統(tǒng)一采用巖棉板。

表8 各立面窗墻面積比

3.1.2 外墻、屋面及地面構(gòu)造

（1）外墻（圖6）

外墻氣密性處理措施：氣密性由20mm厚內(nèi)抹灰保障；預(yù)制混凝土墻板和樓板之間的縫隙、設(shè)備管道穿外墻處預(yù)留套管、外遮陽穿外墻線管內(nèi)部均用氣密膠帶封堵。

斷熱橋措施：保溫固定采用斷熱橋錨栓；托架采用不銹鋼材質(zhì)；空調(diào)板采用挑梁式構(gòu)造以降低線性熱橋，且上下及兩側(cè)都包有100mm厚保溫；立面線腳使用燃燒性能為A2級的保溫板制作。

（2）屋面（圖7）

斷熱橋措施：女兒墻底部挖空以降低線性熱橋，內(nèi)側(cè)和頂部分別包裹200mm厚和100mm厚保溫板；出屋面排氣管包200mm厚擠塑板；太陽能集熱器基礎(chǔ)不破壞保溫層；檐口造型由保溫材料制作。

（3）首層樓板（圖8）

斷熱橋措施：保溫錨栓采用斷熱橋錨栓，保溫與內(nèi)、外墻相交處以100mm厚巖棉板沿墻兩側(cè)向下延伸1m。

3.2 外窗及外門

3.2.1 外窗

外窗采用塑鋼型材，整窗傳熱系數(shù)Uw≤0.8W/（m2·K）。采用三玻兩腔Low-E充惰性氣體暖邊玻璃，具體參數(shù)要求見表6。外窗采用內(nèi)平開內(nèi)倒開啟，窗框與窗扇間采用3道耐久性良好的密封材料密封，每個開啟扇設(shè)2個鎖點。同時采用窗框內(nèi)表面與結(jié)構(gòu)外表面齊平的外掛安裝，以減小安裝熱橋。窗框內(nèi)側(cè)使用防水隔汽膜，外側(cè)使用防水透氣膜進行密封處理，安裝角鋼和木墊塊在外側(cè)使用防水透氣膜進行密封處理（圖9）。

3.2.2 單元門

6 墻體構(gòu)造圖

采用低檻門，傳熱系數(shù)Ud值≤1.0W/（m2·K）。門上玻璃采用三玻兩腔Low-E充惰性氣體暖邊玻璃，傳熱系數(shù)Ug值≤0.7W/（m2·K）。外門氣密性等級≥8級、水密性等級≥6級、抗風(fēng)壓性能等級≥9級。外門采用門框內(nèi)表面與結(jié)構(gòu)外表面齊平的外掛安裝，以減小安裝熱橋。外門內(nèi)側(cè)使用防水隔汽膜，外側(cè)使用防水透氣膜進行密封處理。安裝角鋼和木墊塊在外側(cè)使用防水透氣膜進行密封處理。

3.2.3 地下層樓梯間、電梯間與相鄰房間之間的門

由于與上層超低能耗區(qū)域直接相連，樓梯間、電梯間和周邊房間之間的門有以下設(shè)計要求：傳熱系數(shù)Ud≤1.5W/（m2·K），氣密性等級≥8級；安裝時必須進行氣密性處理，內(nèi)側(cè)使用防水隔汽膜，外側(cè)使用防水透氣膜進行密封處理；安裝角鋼和木墊塊在外側(cè)使用防水透氣膜進行密封處理。

3.2.4 遮陽措施

東、西、南向外窗配備電動外遮陽設(shè)備，為金屬卷簾形式，以角鋼固定于基墻上。由于建筑朝向接近正南北向（南偏東約4°），北向外窗受到的陽光輻射小，無需配備遮陽設(shè)施。

4 關(guān)鍵部位熱橋處理

4.1 外窗

為削弱窗框與外墻間熱橋而采用外掛式安裝，與墻體的連接由防水透氣膜、防水隔汽膜和密封膠完整密封連接（圖9）。

4.2 空調(diào)板

采用挑梁式構(gòu)造，以兩根鋼梁挑出，上方搭板，板與外墻完全斷開，以降低線性熱橋。在鋼梁四周進行保溫噴涂，以削弱點熱橋影響。

4.3 女兒墻

屋面每隔2.5m設(shè)250mm×250mm方柱支撐女兒墻，方柱間女兒墻底部挖空，與屋面板完全斷開，以便屋面保溫和外墻保溫連續(xù)，變線熱橋為少量的點熱橋。內(nèi)側(cè)和頂部分別包裹200、100mm保溫層，檐口造型主要由保溫材料制作。

7 屋面構(gòu)造圖

4.4 出屋面管井

出屋面管井在室外包裹200mm厚擠塑板，在頂層和次頂層室內(nèi)包裹50mm厚保溫層，以削弱冬季冷風(fēng)滲入。管井在屋面頂板內(nèi)側(cè)，粘貼50mm膨脹珍珠巖保溫板。

4.5 首層與非采暖地下層相鄰的樓板

樓板下側(cè)設(shè)置200mm厚巖棉板，與內(nèi)外墻交接處以100mm厚巖棉板沿墻兩側(cè)向下延伸1m。首層外墻墻基外側(cè)粘貼200mm厚擠塑板，并深入地下至少1m。

4.6 進風(fēng)管和排風(fēng)管

新風(fēng)系統(tǒng)的進風(fēng)管和排風(fēng)管包裹100mm厚橡塑保溫材料。風(fēng)管穿外墻空隙處填充不小于50mm厚發(fā)泡聚氨酯。

5 氣密性措施

本項目外墻為重質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)有20mm厚抹灰，具有較好的氣密性。但預(yù)制外墻板與現(xiàn)澆樓板之間可能由于灌漿不實而產(chǎn)生縫隙，影響外墻氣密性能。此處采用氣密膠帶進行封堵，內(nèi)側(cè)粘貼防水隔汽膜。外窗采用兩層氣密膜密封，在窗框與洞口之間使用防水隔汽膜，保證氣密層連續(xù)（從抹灰到防水隔汽膜再到外窗），防止室內(nèi)水蒸汽從安裝縫隙進入保溫層形成凝露；在窗框與基墻外側(cè)使用防水透氣膜，主要防止外界冷風(fēng)滲入，同時在室內(nèi)水蒸汽進入窗框與外墻縫隙時能較快蒸發(fā)排出。防水透氣膜完全覆蓋角鋼等窗框安裝件。電氣接線盒盡量安裝在內(nèi)墻上，避免對圍護結(jié)構(gòu)氣密性的破壞。穿過圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)備管道、熱水器排煙管、空調(diào)冷媒管及外遮陽電控線管進行氣密性處理，在室內(nèi)側(cè)使用氣密套管，外側(cè)用防水透氣膜粘貼。

8 首層樓板構(gòu)造圖

9 外窗構(gòu)造圖

10 單位套內(nèi)使用面積一次能源消耗量對比

11 平均每戶一次能源消耗量對比

12 單位套內(nèi)使用面積終端能源消耗量對比

13 平均每戶終端能源消耗量對比

6 高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)

本項目新風(fēng)量按照30m3/（h·人）設(shè)計，新風(fēng)機組分55%、80%、100%三擋運行。采用全熱回收裝置，設(shè)備焓回收效率≥70%，系統(tǒng)單位風(fēng)量耗功率≤0.45W/（m3/h）。全熱回收芯為高分子聚合物半透膜熱濕回收芯，防霜凍極限低溫為-15℃。

設(shè)置高效率空氣凈化裝置，送風(fēng)設(shè)置過濾等級為F7的過濾裝置，排風(fēng)設(shè)置過濾等級為G4的過濾裝置。新風(fēng)主機噪聲等級為43dB（A），置于吊頂中。進排風(fēng)均設(shè)置消聲裝置，使起居室、臥室噪聲小于25dB（A），廚衛(wèi)噪聲小于30dB（A）。

新風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)采用分戶式新風(fēng)空調(diào)一體機，每戶一個空調(diào)板，主機置于廚房吊頂中。冷暖和新風(fēng)由用戶自行控制。新風(fēng)系統(tǒng)送回風(fēng)組織方式為臥室、起居室、餐廳等功能房間只送不回，衛(wèi)生間只回不送，廚房既不送也不回。新風(fēng)送入功能房間，通過門縫進入過渡區(qū)，最后從衛(wèi)生間統(tǒng)一排走。新風(fēng)設(shè)備選用帶有旁通功能的全熱交換機，以降低過渡季機械通風(fēng)電耗，送、回風(fēng)干管設(shè)置消音器，位于室內(nèi)的新風(fēng)取風(fēng)管和排風(fēng)管使用100mm厚橡塑材料包裹。

7 照明及其他節(jié)能技術(shù)

本工程照明設(shè)計滿足《建筑照明設(shè)備標準》（GB 50034）關(guān)于照明功率密度和照度的要求，室內(nèi)使用LED燈，發(fā)光效率≥100lm/W，公共區(qū)域采用觸摸延時開關(guān)，雙燈頭高效節(jié)能燈具。

電梯采用具有節(jié)能拖動及節(jié)能控制方式的產(chǎn)品，且具有休眠功能。水泵、風(fēng)機等采用高效節(jié)能產(chǎn)品，并采用變頻控制等節(jié)電措施。

8 可再生能源利用技術(shù)

本項目由太陽能熱水器提供生活熱水，供給量占生活熱水年需求量的60%以上。太陽能集熱器總面積平均每戶大于2m2，全部采用板式集熱器，統(tǒng)一設(shè)置在樓頂。生活熱水采用集中集熱—分戶儲熱系統(tǒng)供給，當太陽能不足時，輔助燃氣熱水器加熱。本項目的供暖供冷主要依靠由電力驅(qū)動的環(huán)境熱能提供，空調(diào)能效等級達到“中國能效標識”1級。

9 能耗計算結(jié)果

本項目通過提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能、關(guān)鍵用能設(shè)備的能源效率等提升能效，并最終體現(xiàn)在建筑物的負荷及能源消耗強度上。項目75%節(jié)能標準和超低能耗標準的計算能耗對比如圖10～13所示。

10 結(jié)語

示范項目通過優(yōu)化平衡設(shè)計指標和參數(shù)，采用高效圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)、高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)及可再生能源，對關(guān)鍵部位的熱橋進行處理，強化氣密性措施等綜合手段，達到低能耗、高舒適度要求。項目計算能源消耗量值相比現(xiàn)行北京市75%節(jié)能標準，在運行期間平均每戶每年節(jié)約一次能源5 421kW·h，相當于減少碳排放2.3t，平均每戶每年節(jié)約終端能源4 697kW·h，其中電力消耗增加220kW·h，但也徹底避免了市政熱力的使用。