被動(dòng)式超低能耗裝配式建筑光伏屋面的冷熱橋處理方法

劉義猛，董泊君，張晨晨，蒲林東，姜旺，謝春成，劉玉峰

[中建六局（天津）綠色建筑科技有限公司，天津300451）]

0 引言

根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的“被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）”（建科[2015]179號），被動(dòng)式超低能耗建筑被定義為適應(yīng)氣候特征和自然條件，通過保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，最大程度地降低建筑供暖、供冷需求，充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，并能滿足綠色建筑基本要求的建筑。被動(dòng)式建筑因其突出的優(yōu)勢，如更加節(jié)能舒適，提供更好的空氣品質(zhì)及質(zhì)量保證，逐漸進(jìn)入了人們的視線并流行起來。

GB/T 51129—2017《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中對裝配式建筑的定義是由預(yù)制部品部件在工地裝配而成的建筑。裝配式建筑也因建設(shè)周期短、施工污染小、節(jié)省現(xiàn)場勞動(dòng)力等優(yōu)勢，在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[1]。

光伏屋面建筑是具有獨(dú)立電源、自我循環(huán)的新型建筑[2]。太陽能發(fā)電技術(shù)減少了溫室氣體的排放、環(huán)境影響小、發(fā)展?jié)摿Υ?、?yīng)用方便，尤其在被動(dòng)式建筑領(lǐng)域中應(yīng)用廣。

本文根據(jù)天津市胡張莊零能耗改造項(xiàng)目為例，分析被動(dòng)式超低能耗裝配式建筑光伏屋面存在的問題及解決方案，提供一種綠色建造的屋面做法。

1 被動(dòng)房的基本原則

被動(dòng)房的基本原則是從根源降低建筑的主動(dòng)冷暖需求，最大限度地降低一次能源消耗量。最大限度地減少建筑的熱量損失是被動(dòng)房設(shè)計(jì)理念的核心思想[3]，通過7個(gè)關(guān)鍵措施保證被動(dòng)式零能耗的標(biāo)準(zhǔn)：保溫措施、門窗節(jié)能、氣密性措施、無熱橋處理、熱回收新風(fēng)系統(tǒng)、可再生能源利用以及其他創(chuàng)新性措施。建筑外圍護(hù)系統(tǒng)示意見圖1，外墻保溫及門窗細(xì)部節(jié)點(diǎn)做法見圖2。

由圖1可見，被動(dòng)式建筑的保溫層及氣密層覆蓋建筑全部外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

由圖2可見，門窗節(jié)點(diǎn)位置內(nèi)部設(shè)置隔氣膜，外部設(shè)置透氣膜，且門窗上下兩端均由保溫板覆蓋。通過完整的保溫層、合理的保溫厚度及門窗等構(gòu)件細(xì)部節(jié)點(diǎn)的合理處理，以保證整體的保溫性能、氣密性能、門窗節(jié)能性能等。

對于裝配式光伏屋面，主要措施在于保溫、氣密性、無熱橋及可再生能源利用。除此之外，干式施工也是裝配式建筑的前提。因此，在設(shè)計(jì)被動(dòng)房時(shí)，要盡量避免起保溫作用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中斷。如果必須中斷，需要采取相應(yīng)措施，如使用熱阻極低的材料或者減小穿透截面，并且有氣密膜和保溫的代替物。

2 被動(dòng)式超低能耗裝配式建筑研究實(shí)例

天津市胡張莊零能耗項(xiàng)目為天津市第一個(gè)被動(dòng)式超低能耗裝配式建筑，對本領(lǐng)域研究具有重大意義。本文從項(xiàng)目概況、為達(dá)到零能耗標(biāo)準(zhǔn)采用的設(shè)計(jì)方案、光伏屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面逐一進(jìn)行分析。

2.1 項(xiàng)目概況

胡張莊零能耗改造項(xiàng)目位于天津市東麗區(qū)胡張莊村，建設(shè)內(nèi)容以原有建筑保留改造為主，局部加建單層建筑，總建筑面積為597.56 m2。房屋地上1層，無地下室，基礎(chǔ)埋深1.1 m，建筑高度6.85 m。結(jié)構(gòu)形式為膠合木框架剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼框架平臺，獨(dú)立和條形基礎(chǔ)?？拐鹪O(shè)防烈度為8度。工程均采用被動(dòng)式隔熱型材門窗、鋼坡屋面和木坡屋面，其中木坡屋面上鋪設(shè)光伏板。圖3為工程的渲染圖。

2.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式超低能耗裝配式建筑的特點(diǎn)，本項(xiàng)目具有以下區(qū)別于傳統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

2.2.1 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，預(yù)制裝配式建筑體系有構(gòu)件和結(jié)構(gòu)同步裝配體系、先柱梁結(jié)構(gòu)后外墻構(gòu)件裝配體系、預(yù)制構(gòu)件外墻模組合裝配體系[4]。本工程采用先柱梁結(jié)構(gòu)后外墻裝配體系，采用了預(yù)制混凝土柱、梁，預(yù)制木柱、木梁，預(yù)制鋼柱、鋼梁，預(yù)制鋼木屋架做為本項(xiàng)目的主體承重結(jié)構(gòu)。其中，鋼柱、鋼梁主要用于南側(cè)陽光房和北側(cè)鋼平臺，其目的是在陽光房頂安裝彩色薄膜玻璃（可發(fā)電）。木柱、木梁主要用于建筑中跨的承重，內(nèi)部不需裝修，保留木結(jié)構(gòu)原有觀感。預(yù)制混凝土柱、梁做為建筑其余承重結(jié)構(gòu)，具有施工速度快、節(jié)約資源和費(fèi)用、有利于環(huán)境保護(hù)的特點(diǎn)。

2.2.2 門窗節(jié)能設(shè)計(jì)

外門外窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能最薄弱的部件。建筑門窗采用真空玻璃被動(dòng)窗和被動(dòng)門，在設(shè)計(jì)階段根據(jù)胡張莊氣候條件特點(diǎn)，合理規(guī)劃建筑朝向及各向窗墻比[5]。增加了真空玻璃中氣體層厚度和Low-E膜反射率，有效降低了外窗傳熱系數(shù)，外門窗的傳熱系數(shù)僅為1.2 W/（m2·K），氣密性等級為8級。除加裝Low-E玻璃外，南側(cè)陽光房采用了彩色發(fā)電薄膜玻璃做為外遮陽，目的是保持冬夏兩季供暖和制冷需求之間的平衡。

2.2.3 暖通設(shè)備預(yù)留洞口設(shè)計(jì)

本工程新風(fēng)一體機(jī)設(shè)置在室外，存在很多暖通管線穿外墻位置。這些位置均做了預(yù)留洞口精細(xì)化設(shè)計(jì)[6]，在滿足相關(guān)規(guī)范的前提下，將外墻砌筑提前預(yù)留出暖通設(shè)備洞口。通風(fēng)管道安裝后，在管道與結(jié)構(gòu)之間采用保溫材料封堵。為了保證氣密性，在洞口外部粘貼防水透氣膜，內(nèi)部粘貼防水隔氣膜。并且在風(fēng)管安裝后，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，對建筑整體的氣密性和保溫性實(shí)現(xiàn)施工過程的管控。

2.2.4 無冷熱橋與氣密性設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)建筑超低能耗的目標(biāo)，建筑必須保證良好的氣密性且避免冷熱橋現(xiàn)象的產(chǎn)生。冷熱橋是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳熱能力強(qiáng)、熱流較密集的部位[7]，良好的氣密性對建筑節(jié)能具有重要意義。本工程在以下方面制定了氣密性施工的技術(shù)措施：

（1）屋面除了使用防火石膏板，還增加2層OSB板，并在OSB板上滿鋪氣密膜密封，板下接縫用100 mm寬氣密膠帶密封。在屋面與墻體的轉(zhuǎn)角處，氣密膜連續(xù)不斷。

（2）外墻砌體砌筑時(shí)，在保溫板與外墻之間設(shè)置水泥砂漿找平層作為氣密層。在砌筑外墻時(shí)，保證四面灰漿飽滿，不出現(xiàn)空腔，外墻也可以作為一層氣密保護(hù)。

（3）門窗安裝及洞口處理時(shí)，優(yōu)化管線設(shè)計(jì)，盡量減少管線穿外墻的次數(shù)。管線不得不穿外墻時(shí)，在洞口或門窗框與結(jié)構(gòu)縫隙處，外側(cè)粘貼防水透氣膜，內(nèi)部粘貼防水隔氣膜，加強(qiáng)氣密性。

（4）建筑地面零層板和保溫板之間滿鋪氣密膜，并在地面與墻體的交接處，使用密實(shí)砌體填塞。

2.2.5 零碳花園設(shè)計(jì)

本工程在中部位置設(shè)計(jì)了零碳花園（見圖4），一方面，可以作為屋面排水天溝的泄水位置，減少了屋面天溝的橫向距離，也減少了雨水滲漏風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，增加了室內(nèi)的采光和通風(fēng)效果，美化了室內(nèi)的環(huán)境，提高了使用者的舒適度。

2.3 光伏屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)討論

2.3.1 裝配式建筑光伏屋面需要滿足的條件

（1）光伏組件需與主體結(jié)構(gòu)有可靠、牢固的連接，屋面及結(jié)構(gòu)要能承受光伏組件的自身荷載和使用荷載，保證使用的安全性和耐久性。

（2）光伏組件與屋面結(jié)構(gòu)的連接要避免冷熱橋現(xiàn)象，有效地發(fā)揮其保溫、隔熱的特點(diǎn)。

（3）光伏屋面要有良好的防水性能，保證在使用過程中不出現(xiàn)漏水、返潮的現(xiàn)象。

（4）光伏屋面與墻體之間的氣密膜要形成閉環(huán)，保證被動(dòng)式住房的氣密性。

（5）裝配式建筑要有施工方便、快捷的特點(diǎn)，盡量避免濕作業(yè)。

2.3.2 裝配式建筑光伏屋面存在的主要技術(shù)矛盾

光伏組件與主體結(jié)構(gòu)的可靠連接極易產(chǎn)生冷熱橋，且會(huì)破壞防水層和保溫層。被動(dòng)式建筑對保溫、防水有極高的要求，且裝配式建筑要滿足“裝配”概念，傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土屋面無法滿足裝配率，且大體積預(yù)制構(gòu)件有不易運(yùn)輸、施工難的缺點(diǎn)。同時(shí)，此方案或設(shè)計(jì)如果要長遠(yuǎn)發(fā)展并改進(jìn)，必須考慮被動(dòng)裝配式房屋的成本管控。如何將光伏組件安全可靠地固定在屋面系統(tǒng)，且不破壞氣密性、保溫和防水是討論的重點(diǎn)。

2.3.3 裝配式建筑光伏屋面技術(shù)問題的解決方案

本工程的屋面形式屬于光伏一體化屋面，在現(xiàn)階段采用組件拼裝方式搭建。屋面采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)為主要承重結(jié)構(gòu)，配合OSB板、防火石膏板、擠塑聚苯板、自粘防水卷材等滿足被動(dòng)式建筑的功能。同時(shí)，為了施工方便，可以將組件進(jìn)一步工廠化，提高建筑的裝配等級。

（1）方案1：保溫層內(nèi)嵌雙層錯(cuò)向木龍骨

該方法通過設(shè)置2排錯(cuò)向木龍骨，大大減少了木龍骨間的連接面積，進(jìn)而減少了熱傳導(dǎo)的截面積，減少了熱量傳遞途徑。在木龍骨之間嵌填2層保溫板，有效地阻斷了室外熱量，起到了隔熱、阻斷冷熱橋的作用。本工程采用了40 mm×100 mm雙層木龍骨，間距600 mm錯(cuò)向搭接，施工方便，快捷。木龍骨與下層結(jié)構(gòu)采用螺釘或預(yù)埋螺栓固定，上層光伏板與木龍骨使用螺釘連接固定。保溫層采用雙層100 mm+100mm厚擠塑聚苯板。此設(shè)計(jì)的目的是盡量增大保溫板的填芯面積，可減少熱橋的能量傳遞。

（2）方案2：保溫層上設(shè)置OSB板，光伏固定件與OSB板采用螺釘連接

OSB板材質(zhì)均勻，穩(wěn)定性好，握釘力強(qiáng)。因其刨花是按一定方向排列的，其縱向抗彎強(qiáng)度比橫向大，因此可用作受力構(gòu)件。本工程充分考慮光伏組件的荷載，使用OSB板作為連接介質(zhì)，使屋面滿鋪的光伏組件產(chǎn)生的受力均勻分散至OSB板和下層的木龍骨上，受力均勻，傳力簡潔，提供了一種可靠的連接，形成完整的受力結(jié)構(gòu)。除此目的之外，OSB板自身具有透氣層的作用，保證了建筑的氣密性。

（3）方案3：采用自粘防水卷材，放置在OSB板上面

自粘防水卷材具有優(yōu)異的粘接力，能自行愈合較小的穿刺破損。本工程自粘防水卷材放置于光伏組件下方，在遭遇螺釘穿刺時(shí)，會(huì)自動(dòng)與螺釘合為一體，保持良好的防水性能。自粘防水卷材延伸率極大，能適應(yīng)OSB板的變形，施工簡便安全，容易做到現(xiàn)場文明施工。該方案避免了螺釘將普通防水層刺透，減少滲漏隱患。

（4）方案4：屋面下層采用防火石膏板+OSB板，板上滿鋪氣密膜密封，保證氣密性

由于裝配式建筑為鋼木結(jié)構(gòu)，防火要求較高。根據(jù)GB/T 50708—2012《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，屋面需設(shè)置防火隔離帶。且被動(dòng)式房屋對氣密性要求極高，在屋面需設(shè)置透氣膜及隔氣膜保證房屋氣密性。本工程采用15 mm厚防火石膏板+10 mm厚OSB板，在板上滿鋪氣密膜密封，板下接縫用100 mm寬氣密膠帶密封（見圖5）。防火石膏板不僅具有隔熱、難燃的性能，而且具有輕質(zhì)、保溫的特點(diǎn)。防火石膏板上的OSB板和氣密膜做為隔氣層，與兩側(cè)墻體間的氣密膜形成閉環(huán)，保證了房屋的氣密性。該方案滿足了超低能耗建筑對氣密性的要求，也滿足了裝配式房屋對防火的要求。

通過上述4種方案，不僅保證了光伏屋面的保溫、防水和氣密性能，而且施工過程中不存在濕作業(yè)，節(jié)省了安裝時(shí)間，滿足了裝配式屋面安裝要求，也避免了光伏屋面冷熱橋的產(chǎn)生。

3 結(jié)語

隨著被動(dòng)式超低能耗建筑的發(fā)展，光伏能源的使用逐漸普及。相比普通的光伏屋面房屋，被動(dòng)式超低能耗建筑對氣密性、保溫性和防水性等有更高的要求。為了達(dá)到超低能耗的標(biāo)準(zhǔn)，利用光伏能源發(fā)電的屋面可以通過以上幾種方法，適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置方式，在受力合理保證安全的前提下，有效地避免了冷熱橋效應(yīng)的產(chǎn)生，提高了屋面整體保溫、防水、密封性能。與被動(dòng)式超低能耗設(shè)計(jì)理念、裝配式設(shè)計(jì)理念、綠色建筑、節(jié)能減排的理念相融合，符合時(shí)代發(fā)展背景。

通過對胡張莊零能耗改造項(xiàng)目的分析，能夠更好地為被動(dòng)式超低能耗裝配式建筑光伏屋面的做法提供技術(shù)保障，并提出實(shí)質(zhì)的效果分析，從而為建筑的綠色建造提供參考。