夏熱冬冷地區(qū)裝配式零能耗建筑技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用*

李旻陽，李國建，周建中，朱清宇，徐 亮，袁 琦，王思功，汪少波，趙碧波，張 歡，蔡 倩，謝 超

(1.中建科技集團(tuán)有限公司，北京 100070； 2.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 蘇州 215131；3.蘇州城億綠建科技股份有限公司,江蘇 蘇州 215000； 4.蘇州二建建筑集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215122)

0 引言

自GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]頒布實(shí)施以來，我國已在各地區(qū)推行和探索超低能耗建筑并取得不錯(cuò)的節(jié)能效果，在超低能耗的基礎(chǔ)之上，零能耗建筑的探索與研究逐漸成為我國建筑節(jié)能重點(diǎn)。2016年3月“十三五”規(guī)劃將裝配式建筑列為發(fā)展方向，充分發(fā)揮建筑產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢，在保障工期和質(zhì)量的基礎(chǔ)上做到綠色生產(chǎn)、綠色建造。

美國、英國、歐盟等國家對零能耗建筑的研究及推廣起步較早，已制定相關(guān)政策法規(guī)并有實(shí)際項(xiàng)目落成，如英國的貝丁頓零能耗社區(qū)[2]、美國的道格拉斯零能耗住宅、德國的千萬屋頂計(jì)劃[3]等。目前我國對夏熱冬冷地區(qū)該技術(shù)體系的研究較為有限，宋德萱等[4]介紹夏熱冬冷地區(qū)近零能耗建筑技術(shù)體系，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行適宜性分析；吳向陽等[5]介紹夏熱冬暖地區(qū)裝配式零能耗建筑的設(shè)計(jì)方法，并通過仿真軟件計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)目標(biāo)驗(yàn)證。

本文以某新建PC構(gòu)件項(xiàng)目3號綜合樓為例，探討夏熱冬冷地區(qū)裝配式零能耗建筑的設(shè)計(jì)方法，以被動節(jié)能技術(shù)結(jié)合建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)新并適應(yīng)氣候的技術(shù)路線，將被動式建筑技術(shù)、主動式建筑技術(shù)、可再生能源技術(shù)與裝配式建筑技術(shù)進(jìn)行耦合應(yīng)用，并通過軟件模擬完成計(jì)算驗(yàn)證。

1 工程概況

某新建PC構(gòu)件項(xiàng)目3號綜合樓位于蘇州相城區(qū)望亭鎮(zhèn)，建筑功能為辦公，總建筑面積9 063.02m2，地下1層為機(jī)動車庫，地下建筑面積3 179.52m2；地上4層，地上1層為展廳，2～4層為辦公區(qū)，地上建筑面積5 883.5m2。

2 零能耗建筑技術(shù)路線

零能耗建筑是近零能耗建筑的進(jìn)階表現(xiàn)形式，以節(jié)約能源為首要目標(biāo)，目前許多綠色建筑雖達(dá)到近零排放標(biāo)準(zhǔn)并獲得評級，但主要依賴大量新能源產(chǎn)能平衡建筑本身的能量消耗，并不環(huán)保。零能耗建筑強(qiáng)調(diào)建筑氣候環(huán)境適應(yīng)性，以被動式優(yōu)先、主動式優(yōu)化為設(shè)計(jì)原則，最大幅度降低建筑本體能耗需求，并充分利用場地內(nèi)及周邊可再生能源，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)要素間的整合化，通過技術(shù)集成創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)建筑在滿足人員及環(huán)境需求的同時(shí)，降低建筑能耗，達(dá)到相應(yīng)節(jié)能目標(biāo)。

夏熱冬冷地區(qū)裝配式零能耗建筑實(shí)施的關(guān)鍵在于裝配式結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、高效保溫隔熱外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高氣密性設(shè)計(jì)，同時(shí)還需考慮新風(fēng)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)及可再生能源系統(tǒng)應(yīng)用等。本項(xiàng)目綜合考慮該氣候區(qū)氣候特點(diǎn)、建筑使用功能及周邊資源條件等，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3 零能耗建筑專項(xiàng)技術(shù)

3.1 全裝配式預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用快速裝配式組合結(jié)構(gòu)體系，綜合運(yùn)用預(yù)應(yīng)力、空心樓板、預(yù)制疊合、鋼管混凝土等技術(shù)，集成各自優(yōu)勢并形成完整的建筑結(jié)構(gòu)體系(見圖2,3)。該結(jié)構(gòu)體系具有以下特點(diǎn)：①抗震性能好 梁柱節(jié)點(diǎn)采用鋼結(jié)構(gòu)連接，具有良好的滯回曲線；②高度工廠化預(yù)制生產(chǎn) 預(yù)制裝配率>70%，現(xiàn)場作業(yè)少，減少揚(yáng)塵及噪聲；③成本可控 采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力筋，減少材料用量；④安裝方便 新型大跨度疊合樓板四邊不出筋，解決目前常見的梁板鋼筋碰撞問題；⑤快速施工 鋼結(jié)構(gòu)連接、多層預(yù)制柱一次安裝，操作時(shí)間只有濕法連接的1/10，整體施工速度提高20%；⑥大跨高效 同等截面跨度較普通混凝土梁跨度提高20%，預(yù)應(yīng)力大跨度板無次梁可使辦公區(qū)凈高提高300mm以上。

圖2 結(jié)構(gòu)體系

圖3 結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

3.2 非透明外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夏熱冬冷氣候區(qū)以夏季隔熱為主，兼顧保溫，根據(jù)性能化模型的設(shè)計(jì)、當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱托袨榱?xí)慣、裝配式構(gòu)件技術(shù)水平等條件，采用預(yù)制輕鋼龍骨外墻、預(yù)制木龍骨外墻和預(yù)制混凝土夾心保溫外墻，平均傳熱系數(shù)≤0.40W/(m2·K)。木龍骨墻板因結(jié)構(gòu)骨架采用木料，比金屬龍骨的熱工性能更優(yōu)異、質(zhì)量更小，也更容易滿足零能耗建筑保溫要求，并且具有快捷方便的施工方式，因此，2～4層優(yōu)先選用預(yù)制木龍骨作為外圍護(hù)墻板，木龍骨墻板如圖4所示。預(yù)制木龍骨外墻板采用SPF木材Ⅱ級制造，墻骨柱間距406mm，與混凝土接觸的底梁板采用防腐處理，保溫材料采用140mm厚巖棉，相比鋼龍骨墻板，熱橋顯著降低。

圖4 木龍骨墻板

考慮到建筑首層易受潮氣及蟲蟻蛀蝕影響，南北外立面采用耐候性更好的預(yù)制混凝土夾心保溫外墻板，夾心保溫層為100mm厚XPS保溫板，墻板板縫間采用無熱橋設(shè)計(jì)，并采用FRP連接件，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)保溫裝飾一體化設(shè)計(jì)和施工。東西外立面采用輕鋼龍骨一體化外墻板，中間填塞140mm厚保溫巖棉，輕鋼龍骨墻板輕質(zhì)高強(qiáng)，自重最低可至120kg/m2，根據(jù)需要可做到大板幅跨度，整個(gè)墻板平均傳熱系數(shù)滿足≤0.40W/(m2·K)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。鋼龍骨墻板如圖5所示。

圖5 鋼龍骨墻板

3.3 氣密性設(shè)計(jì)

氣密性是零能耗建筑的重要性能參數(shù)。根據(jù)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對夏熱冬冷地區(qū)公共建筑氣密性不做要求，為良好控制供冷季和供暖季的能耗，將氣密性指標(biāo)定為N50≤1.0次/h。氣密層設(shè)置于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)側(cè)，包含所有外墻室內(nèi)側(cè)、地面室內(nèi)側(cè)、屋面室內(nèi)側(cè)及樓地面，氣密層連續(xù)并包圍整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，局部有穿透及打斷氣密層部位，使用氣密性材料粘貼斷層處，保證氣密性連續(xù)(見圖6)。

圖6 氣密區(qū)范圍

3.4 門窗和遮陽設(shè)計(jì)

基于該辦公樓的零能耗設(shè)計(jì)，門窗節(jié)能設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，影響門窗熱工性能的主要因素有傳熱系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)、氣密性、可見光透射比等。本項(xiàng)目外窗窗框采用穿條式隔熱段熱橋鋁合金型材，3層玻璃2層中空玻璃窗，整窗傳熱系數(shù)為1.80W/(m2·K)，采用整體內(nèi)嵌式安裝，窗與墻體縫隙處粘貼防水透氣膜，采用密封膠將防水透氣膜與窗框、墻體粘貼嚴(yán)實(shí)。

蘇州地區(qū)夏季持續(xù)時(shí)間長，過多的太陽熱導(dǎo)致建筑供冷負(fù)荷上升，考慮房間使用功能及窗口朝向等因素，采取適當(dāng)?shù)恼陉柎胧?。東南西向外窗設(shè)置可調(diào)節(jié)遮陽設(shè)施，天窗設(shè)置電動遮陽百葉，通過手動或自動控制遮陽簾遮光效果，調(diào)節(jié)入射太陽光總量，同時(shí)天窗可電動開啟，有利于過渡季自然通風(fēng)降溫。

3.5 熱回收新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目每層設(shè)置吊頂式全熱回收新風(fēng)機(jī)組，全熱回收效率≥70%，通過熱交換器回收室內(nèi)排風(fēng)中的冷(熱)量，大幅減少新風(fēng)負(fù)荷，對辦公室、會議室等均勻送風(fēng)，集中回風(fēng)口設(shè)置在機(jī)組附近，送風(fēng)各支管設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥，根據(jù)室內(nèi)CO2濃度控制新風(fēng)量。主要功能房間設(shè)置室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測溫濕度、CO2濃度、PM2.5等指標(biāo)，并與新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動，具備參數(shù)限值設(shè)定及超限報(bào)警功能。全熱交換器參數(shù)如表1所示。

表1 全熱交換器參數(shù)

3.6 可再生能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏熱冬冷地區(qū)位于太陽能資源一般區(qū)，陽光資源不充沛，通過擴(kuò)大太陽能資源采集面積、優(yōu)化陽光采集角度與朝向，最大化利用太陽能資源，選取辦公樓及部分鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面，鋪設(shè)安裝高效單晶硅光伏組件，裝機(jī)總?cè)萘考s390kW。基于廠房屋面結(jié)構(gòu)特殊性，采用專門的鋁合金夾具固定屋面板與光伏組件支架，然后在上面安裝鋁合金橫梁，用鋁合金壓塊固定光伏組件，此方案不破壞原有建筑結(jié)構(gòu)，也不需在彩鋼板上開孔固定，對屋面排水不產(chǎn)生影響。

混凝土屋頂利用光伏支架，以最佳傾角架設(shè)于混凝土平屋面上，并以水泥配重墩基礎(chǔ)抵抗風(fēng)荷載，支架及配重系統(tǒng)整體放置于水泥屋面上，并在原屋面防水層和水泥配重墩間鋪貼防水保護(hù)層，以保證屋面防水系統(tǒng)不被擾動和破壞?；炷廖菝婀夥M件安裝如圖7所示。

表4 對比近零能耗建筑能效指標(biāo)

圖7 混凝土屋面光伏組件安裝

4 零能耗建筑能耗模擬分析

為驗(yàn)證該示范建筑能否達(dá)到零能耗設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選用DeST模擬軟件分別建立該示范工程模型與基于GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的基準(zhǔn)模型，通過2個(gè)模型建筑負(fù)荷以及對比全年建筑能耗，計(jì)算節(jié)能指標(biāo)，如表2所示。參照《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對比零能耗與近零能耗建筑能效指標(biāo)，如表3，4所示。

表2 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 與零能耗建筑能效指標(biāo)對比

由表2可以看出，建筑本體和周邊可再生能源產(chǎn)能量達(dá)34萬(kW·h)/a時(shí)，整個(gè)辦公樓可不再使用一次性化石能源，光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量約390kW，按照蘇州當(dāng)?shù)毓夥到y(tǒng)最佳傾角進(jìn)行鋪設(shè)安裝，修正系數(shù)按0.83進(jìn)行估算，年均發(fā)電量約35萬(kW·h)/a，滿足建筑年終端能源消耗量需求，可實(shí)現(xiàn)全年零能耗運(yùn)行。

5 結(jié)語

本研究以某PC構(gòu)件項(xiàng)目3號綜合樓項(xiàng)目為依托，在裝配式結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上應(yīng)用的多項(xiàng)被動式建筑技術(shù)、主動式建筑技術(shù)及可再生能源利用技術(shù)，對夏熱冬冷地區(qū)裝配式零能耗建筑發(fā)展具有一定參考價(jià)值。由于本項(xiàng)目尚未竣工，本文僅從建筑設(shè)計(jì)角度進(jìn)行分析、模擬驗(yàn)證項(xiàng)目可行性，建筑運(yùn)行階段將進(jìn)行深入研究及分析，使建筑在運(yùn)行中達(dá)到真正的零能耗。