綠色建材在被動式超低能耗建筑中的應用研究

田學勤 秦 杰

(中國建筑材料工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100035)

被動式超低能耗建筑是指適應氣候特征和自然條件，通過采用保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護結構，高效新風熱回收技術，最大程度降低建筑供暖供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供舒適室內環(huán)境并能滿足綠色建筑基本要求的建筑[1]。中共中央辦公廳、國務院辦公廳在《關于推動城鄉(xiāng)建設綠色發(fā)展的意見》中提出“推動高質量綠色建筑規(guī)?；l(fā)展，大力推廣超低能耗、近零能耗建筑”；國務院在《2030年前碳達峰行動方案》中提出“推動超低能耗建筑、低碳建筑規(guī)?；l(fā)展，加快推進綠色建材產品認證和應用推廣”；住房和城鄉(xiāng)建設部、國家發(fā)展改革委在《城鄉(xiāng)建設領域碳達峰實施方案》中提出“推動低碳建筑規(guī)?；l(fā)展，鼓勵建設零碳建筑和近零能耗建筑”?？梢?，發(fā)展被動式建筑已形成政策共識。

綠色建材是指在全生命周期內可減少對天然資源消耗和減輕對生態(tài)環(huán)境影響，具有“節(jié)能、減排、安全、便利和可循環(huán)”特征的建材產品。被動式超低能耗建筑對建筑材料的質量和性能提出了更高的要求，綠色建材能夠為被動式超低能耗建筑提供高效節(jié)能、綠色環(huán)保、安全便利的建筑材料，是發(fā)展被動式超低能耗建筑不可或缺的材料。研究綠色建材在被動式超低能耗建筑中的應用，符合國家政策要求，對推動被動式超低能耗建筑具有重要的現(xiàn)實意義。

1 被動式超低能耗建筑的特征與構成

1.1 特征

建筑必須在年熱能需求、熱負荷、空氣密度和基本能源需求等方面符合特定的標準，才能稱為合格的被動式超低能耗建筑。被動式超低能耗建筑具有優(yōu)良的外圍護保溫、高效節(jié)能門窗產品、熱回收新風系統(tǒng)、優(yōu)良的建筑整體氣密性以及無熱橋設計5個特征。被動式超低能耗建筑示意如圖1所示[2]。

圖1 被動式超低能耗建筑特征示意圖

1.2 產業(yè)構成

被動式超低能耗建筑高度依賴關聯(lián)產業(yè)的支撐，通過與傳統(tǒng)建筑產業(yè)體系進行對比分析，圍繞被動式超低能耗建筑產業(yè)鏈構成，重點對具備代表被動式超低能耗建筑的特征、密切的產業(yè)支撐配套特征的產品進行歸納和分類，被動式超低能耗建筑產業(yè)主要包含綠色建筑功能材料、裝配式結構構件、被動式門窗系統(tǒng)、環(huán)境調節(jié)設備與系統(tǒng)等四類產品。

綠色建筑功能材料：主要包括高性能防水密封材料、高效保溫材料、結構保溫一體化系統(tǒng)和功能涂料。

裝配式結構構件：主要包括裝配式混凝土結構構件、結構保溫一體化墻板和裝配式鋼結構構件。

被動式門窗系統(tǒng)：主要包括節(jié)能門窗、遮陽系統(tǒng)、節(jié)能玻璃、節(jié)能門窗型材和建筑門窗用五金件。

環(huán)境調節(jié)設備與系統(tǒng)：主要包括空氣源熱泵、地源熱泵、新風凈化系統(tǒng)、環(huán)境一體機、光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能光熱系統(tǒng)和導光管采光系統(tǒng)。

2 綠色建材應用研究

圍繞被動式超低能耗建筑的特征與構成，應用于被動式超低能耗建筑中的綠色建材產品主要包括高性能防水密封材料、高效保溫材料、功能涂料、裝配式混凝土結構構件、結構保溫一體化墻板、裝配式鋼結構構件、被動式門窗、遮陽系統(tǒng)、節(jié)能玻璃、節(jié)能門窗型材和建筑門窗用五金件等。

2.1 高性能防水密封材料

高性能防水密封材料是保障被動式超低能耗建筑氣密性和水密性的關鍵材料。被動式超低能耗建筑內每個居住單元應具有包繞整個建筑采暖體積的、連續(xù)完整的氣密層。選用高質量高壽命的防水密封材料，建立高效的防水密封系統(tǒng)，已成為被動式低能耗建筑標準配置[3]。被動式超低能耗建筑涉及的高性能防水密封材料包括防水卷材、防水隔汽膜、防水透汽膜等產品。

2.1.1 高性能防水卷材

高性能防水卷材是被動式超低能耗建筑所必須的關鍵基礎材料，應用于被動式超低能耗建筑屋面、地下室、廚衛(wèi)、墻體等的防水工程，主要產品有改性瀝青防水卷材和高分子防水卷材。其中，改性瀝青防水卷材主要分為彈性體改性瀝青防水卷材和塑性體改性瀝青防水卷材，它已替代傳統(tǒng)防水卷材產品，成為防水卷材的主導產品；高分子防水卷材主要有TPO、EPDM、PVC、HDPE等，是未來防水卷材發(fā)展的主流，市場需求將逐漸提高。

2.1.2 防水隔汽膜、防水透汽膜

防水隔汽膜和防水透汽膜是被動式超低能耗建筑專用的核心材料，應用于被動式超低能耗建筑門窗洞口接縫的室內、外側，可防止室外水分進入門窗與結構的縫隙，同時使結構內水汽可自由蒸發(fā)，在加強建筑氣密性、水密性的同時，解決結露發(fā)霉問題，保護圍護結構熱工性能，達到節(jié)能降耗目的，同時延長建筑的使用壽命。

高性能防水密封材料應用案例：青島國際院士港研究院6號樓、9號樓項目。該項目建筑面積1.2萬m2，通過外墻內側抹上20mm厚砂漿、在幕墻立柱、防火鍍鋅鋼板與實體墻連接處使用防水隔汽膜、穿墻洞口與墻體連接處使用防水隔汽膜和氣密膠帶等方式在建筑物被動區(qū)域設置完整的氣密層，從而實現(xiàn)良好的氣密性。2021年，該項目獲得近零能耗建筑標識[4]。

2.2 高效保溫材料

保溫系統(tǒng)是建筑節(jié)能保溫的核心措施，高效保溫材料是被動式超低能耗建筑實現(xiàn)建筑節(jié)能的核心材料。我國被動式超低能耗建筑一般保溫層厚度為150mm～300mm，典型高層被動式超低能耗建筑所需的額外保溫層占用的面積約占建筑面積的2%～4%[5]。

按照我國建筑防火規(guī)范和被動式超低能耗建筑相關標準要求，目前我國被動式超低能耗建筑主要采用的保溫材料包括巖棉板、模塑聚苯板、擠塑聚苯板、石墨聚苯板、聚氨酯板、真空絕熱板和氣凝膠氈等。參考《綠色建材評價保溫系統(tǒng)材料》T/CECS 10032三星級標準要求，模塑聚苯板、擠塑聚苯板(帶表皮)、巖棉外墻板、聚氨酯板導熱系數(shù)分別能夠達到0.032W/(m·K)、0.025W/(m·K)、0.038W/(m·K)以及0.022W/(m·K)[6]，這些高效保溫材料的應用對提高被動式超低能耗建筑外圍護結構的保溫隔熱性能有重要作用。在我國獲得PHI認證的52個被動房項目中，多數(shù)項目采用巖棉和模塑聚苯板作為圍護結構保溫材料。

高效保溫材料應用案例：北京首開國樾·天晟項目。該項目位于北京密云新城，被動式超低能耗建筑示范面積達3萬平方米，是密云區(qū)第一個超低能耗建筑示范工程、北京市首個“超低能耗建筑示范社區(qū)”，獲得了中國超低能耗建筑認證、中國綠建三星認證、美國LEED金級認證、德國PHI認證等四大認證。該項目使用了高效保溫系統(tǒng)，在建筑外墻加裝隔熱墊塊并在其外側使用聚氨酯保溫板。聚氨酯板具有質輕、隔熱、保溫、吸聲和減震等優(yōu)良性能，機械性能好，不吸水，高溫下不產生有害氣體，是重要的建筑節(jié)能保溫隔熱材料[7]。

2.3 功能涂料

功能涂料是被動式超低能耗建筑內外墻不可或缺的材料，可為建筑或建筑部件提供防水、防腐、隔熱保溫、防火、裝飾等功能，對于延長被動式超低能耗建筑使用壽命具有重要意義。其主要產品包括防水涂料、反射隔熱涂料、保溫涂料、防火涂料及抗菌、防霉等功能涂料。

功能涂料應用案例：惠州中建科工零能耗改造辦公樓項目。該項目是廣東省首座既有建筑零能耗改造辦公建筑，是零碳、零能耗、零排放、零廢水的“四零建筑”。建筑外墻采用真石漆外+反射隔熱涂料，墻體傳熱系數(shù)達0.47W/(m2·K)。改造后，建筑能耗由107kWh/m2·a降低至50kWh/m2·a，每年可減少22t二氧化碳排放[8]。

2.4 裝配式結構構件

裝配式結構構件是指具備節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水、降低噪音、綠色環(huán)保等功能的綠色建筑結構部件。被動式超低能耗建筑涉及的裝配式結構構件主要包括混凝土結構構件、結構保溫一體化墻板和鋼結構構件。

2.4.1 混凝土結構構件

裝配式混凝土結構構件廣泛適用于裝配式建筑的主體結構及內外墻工程，主要包括預制混凝土疊合板、預制樓梯、預制梁、預制柱、預制內外墻板、蒸壓加氣混凝土墻板、輕質墻板等產品。按照裝配式建筑的相關要求，可提前定制各種尺寸的產品，施工方便快捷，有利于節(jié)約資源能源、減少建筑垃圾、提升勞動效率。

2.4.2 建筑結構保溫一體化墻板

建筑結構保溫一體化墻板是集保溫功能于一體的建筑墻板，可直接進行現(xiàn)場拼裝，有效解決了墻體保溫工程施工工序多、工期慢、質量不易控制等弊端，可大幅延長保溫層壽命。

2.4.3 鋼結構構件

鋼結構構件是裝配式鋼結構建筑的主要結構構件，包括鋼梁、鋼柱、支撐和剪力墻等，具有自重輕、材料強度高、抗震性能良好，工業(yè)化程度高，現(xiàn)場裝配率高，加工及回收過程綠色環(huán)保,可重復利用等特點，是保障被動式超低能耗建筑穩(wěn)固性的關鍵構件。

裝配式結構構件應用案例：山西瀟河智慧建設運行總部A座項目。該項目是山西省首例集“近零能耗建筑+AAA級裝配式建筑+三星級綠色建筑”于一體的高科技智慧建筑。建筑采用了鋼框架結構體系、免支模金屬桁架樓承板、裝配式超低能耗復合外掛墻體體系、ALC輕質隔墻板以及裝配式機房等技術產品，外墻傳熱系數(shù)達0.20W/(m2·K)，整體裝配率達91.5%。作為標桿案例，該項目在裝配式建筑、綠色建造、超低能耗方面起到了很好的示范作用，2022年被山西省住房和城鄉(xiāng)建設廳認定為山西省首批綠色建筑創(chuàng)新項目[9]。

2.5 被動式門窗系統(tǒng)

被動式門窗系統(tǒng)主要包括被動式門窗、節(jié)能玻璃、節(jié)能門窗型材、遮陽系統(tǒng)和建筑門窗用五金件等綠色建材產品。被動式門窗能夠滿足被動式超低能耗建筑對其隔熱、 隔聲、 氣密性和水密性要求， 對于提升建筑節(jié)能水平， 降低建筑碳排放效果顯著；節(jié)能玻璃、 節(jié)能門窗型材和建筑門窗用五金件是節(jié)能門窗的重要組成部分， 是其達到透光、 隔熱、 隔音、 水密等性能要求的關鍵部件；遮陽系統(tǒng)是改善室內熱環(huán)境和舒適性的重要部件，屬于主動且有效的建筑節(jié)能部件。

2.5.1 被動式門窗

門窗既是建筑圍護結構的重要組成部分，也是外圍護結構中保溫最薄弱的環(huán)節(jié)，門窗能耗占建筑能耗的50%。因此，門窗節(jié)能性能是被動式超低能耗建筑達到節(jié)能指標的關鍵。被動式超低能耗建筑對門窗的采光系數(shù)、隔熱性、抗風壓性、水密性、氣密性、隔聲性均提出了嚴格規(guī)定。高品質被動窗產品抗風壓等級可達9級，水密性可達5級，氣密性可達8級，隔聲性可達4級，傳熱系數(shù)能夠低至0.8W/(m2·K)以下。高品質被動門產品氣密性可達8級，水密性可達6級，隔聲性可達3級，防盜性能可達丁級，防火性能可達丙級，傳熱系數(shù)能夠低至1.3W/(m2·K)以下。

被動式門窗是被動式超低能耗建筑專用的核心部件，被動式門窗產品主要以鋁、塑、木三種材質為主。國外多以系統(tǒng)窗為主，技術成熟。國內主要以型材設計、加工和門窗的組裝生產企業(yè)為主，能實現(xiàn)自主研發(fā)的企業(yè)較少[3]。主要產品有木門窗、鋁合金門窗、鋁木復合門窗、鋁塑復合門窗、玻纖增強聚氨酯門窗等。我國獲得PHI認證的52個被動房項目中，被動窗的應用情況以墨瑟、森鷹居多，這兩個品牌的被動窗應用占比超過70%。

2.5.2 節(jié)能玻璃

節(jié)能玻璃屬于被動式超低能耗建筑的關鍵基礎材料。中空玻璃是針對低能耗建筑和被動房的專業(yè)性綠色建材產品，被動式門窗主要采用三玻二腔甚至四玻三腔中空玻璃，玻璃中間抽真空或充氬氣，玻璃本身使用低輻射鍍膜LOW-E玻璃或超白玻璃。這種結構能夠避免普通玻璃系統(tǒng)直接或間接地通過玻璃導熱傳聲、內部結霜浸水，降低整窗的傳熱系數(shù)，提升房屋整體節(jié)能水平。

2.5.3 節(jié)能門窗型材

節(jié)能門窗型材適用于各種被動式超低能耗建筑門窗，該產品保溫隔熱性強，能夠有效抵抗強紫外線，能為被動式超低能耗建筑提供更高的舒適程度。節(jié)能門窗型材主要包括鋁木復合、木塑復合、鋁塑復合、隔熱鋁合金等一系列產品。其中鋁木復合、木塑復合、鋁塑復合材質的被動門窗型材，因進入市場較早，相關標準及產品工藝較為完善，在國內市場占主要份額。

2.5.4 建筑遮陽系統(tǒng)

建筑遮陽系統(tǒng)是改善室內熱環(huán)境和舒適性極為重要部件，可調節(jié)室內可見光亮度和陽光傳熱，顯著降低建筑物夏季冷負荷需求，并具有一定的防盜和隔音性能，可分為內遮陽和外遮陽兩類，外遮陽的效果優(yōu)于內遮陽。屬于被動式超低能耗建筑降低能耗的輔助綠色建材產品。《綠色建材評價建筑遮陽產品》T/CECS 10033-2019要求外遮陽產品的綜合遮陽系數(shù)≤0.3，內遮陽產品的綜合遮陽系數(shù)≤0.5，內置遮陽中空玻璃制品的綜合遮陽系數(shù)≤0.3[10]。

2.5.5 建筑門窗用五金件

建筑門窗用五金件是建筑門窗安裝過程中使用的金屬和非金屬配件，是建筑門窗開啟、鎖閉的節(jié)點部件，對建筑門窗的氣密性、水密性和耐久性起到關鍵作用，是決定建筑門窗性能的關鍵部件。高品質門窗用五金件要求雙面執(zhí)手、合頁、滑輪力學性能≥30萬次，雙向地彈簧力學性能≥75萬次，單向地彈簧力學性能≥30萬次，對保障被動式超低能耗建筑門窗性能有重要作用。

被動式門窗系統(tǒng)應用案例：雄安新區(qū)城鄉(xiāng)管理中心綜合服務中心項目，該項目是超低能耗裝配式綠色示范項目,集超低能耗、鋼結構、裝配式、鋁板幕墻等多種技術體系為一體，滿足“綠色建筑三星”、“住建部超低能耗被動式示范項目”、以及“德國能源署示范項目”要求。該項目采用木索結構被動窗，使用三玻兩腔加暖邊充氬氣雙low-e中空玻璃以及鋁包木節(jié)能型材窗加暖邊，項目外門窗氣密性≥8級、水密性≥6級、抗風壓≥9級。項目南立面遮陽采用機翼遮陽板，能夠光感追蹤、根據(jù)太陽高度變化自動調節(jié)進入室內的太陽能量，以降低能耗；東、西外窗采用可調節(jié)電動活動鋁合金百葉外遮陽，外遮陽距離外窗>100mm，避免玻璃被加熱，以降低能耗；屋頂采光窗采用遙控活動外遮陽系統(tǒng)[11]。

3 展 望