陳強(qiáng),王崇杰,李潔,劉興民
(1. 山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院,山東 濟(jì)南250101;2. 山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 濟(jì)南 250101)
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寒冷地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑關(guān)鍵技術(shù)研究
陳強(qiáng)1,王崇杰2*,李潔1,劉興民2
(1. 山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院,山東 濟(jì)南250101;2. 山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 濟(jì)南 250101)
隨著綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展理念的不斷普及,被動(dòng)式超低能耗建筑因其能源效率高、對環(huán)境污染少且舒適性等的特點(diǎn),成為目前應(yīng)對能源危機(jī)、氣候變化以及人們追求高品質(zhì)生活質(zhì)量而選擇的重要的建筑形式。而積極探索寒冷地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)我國被動(dòng)超低能耗建筑的本土化發(fā)展已迫在眉睫。文章闡述了國內(nèi)外被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展的概況,針對寒冷地區(qū)的被動(dòng)式超低能耗建筑從無熱橋的高效建筑保溫系統(tǒng)、建筑氣密性設(shè)計(jì)、遮陽設(shè)計(jì)、高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)、輔助供暖供冷系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,提出了適宜寒冷地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展策略。
被動(dòng)式超低能耗建筑;建筑技術(shù);寒冷地區(qū);發(fā)展策略
建筑業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一,雖然促進(jìn)了城市經(jīng)濟(jì)的極速發(fā)展,但也給城市帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題,造成了資源的極大浪費(fèi),阻礙了城市的可持續(xù)發(fā)展[1]。如何擺脫建筑業(yè)高耗能、高污染的發(fā)展模式的研究,已逐漸成為城市發(fā)展的重要研究課題[2]。被動(dòng)式超低能耗建筑具有能源效率高、環(huán)境污染少、舒適性好的特點(diǎn),這正是應(yīng)對能源危機(jī)、氣候變化以及人們追求高品質(zhì)的生活的建筑類型[3]。近年來被動(dòng)式超低能耗在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。
被動(dòng)式超低能耗建筑又被稱為“被動(dòng)式低能耗建筑”或者“被動(dòng)房”,傳入我國時(shí)也有譯為“無源房屋”[4]。與傳統(tǒng)建筑相比有以下明顯優(yōu)勢:帶熱回收裝置的新風(fēng)系統(tǒng)既提供了足夠的新鮮空氣,又回收大量的熱,降低供暖制冷的能耗需求,保證了室內(nèi)適宜的溫濕度,與現(xiàn)行國家節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相比,供暖能耗降低85%以上;良好的圍護(hù)保溫系統(tǒng)使建筑內(nèi)墻表面溫度穩(wěn)定均勻,與室內(nèi)溫度接近,并且良好的氣密性和隔聲效果;采用無熱橋、高氣密性設(shè)計(jì),高品質(zhì)材料構(gòu)件,精細(xì)化施工及建筑裝修一體化,使建筑質(zhì)量更高、壽命更長[5]。但是應(yīng)當(dāng)看到當(dāng)前國內(nèi)被動(dòng)式超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技術(shù)不成熟,發(fā)展尚處于探索階段,尤其是寒冷地區(qū)的被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展更缺乏相應(yīng)的研究和實(shí)踐,而積極探索寒冷地區(qū)的被動(dòng)式超低能耗建筑建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)方案與策略,實(shí)現(xiàn)我國被動(dòng)超低能耗建筑的本土化發(fā)展已迫在眉睫。文章闡述了國內(nèi)外被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展的概況,針對寒冷地區(qū)的被動(dòng)式超低能耗建筑的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,提出了適宜寒冷地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展策略。
1.1國內(nèi)外發(fā)展情況
1.1.1國內(nèi)的發(fā)展情況
降低建筑能耗,努力實(shí)現(xiàn)城市綠色低碳發(fā)展,是我國城市發(fā)展建設(shè)的重要目標(biāo)。為了更好實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),自2009年起,在中國住建部建筑節(jié)能與科技司的指導(dǎo)下,住建部的科技與產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心與德國能源署在我國推進(jìn)了被動(dòng)耗能建筑的建設(shè),拉開了我國被動(dòng)超低能耗建筑發(fā)展的序幕。2010年上海世博會(huì)的"漢堡之家”成為我國首個(gè)獲得認(rèn)證的被動(dòng)式超低能耗建筑。中國的技術(shù)人員與德國密切合作,積極探索適合中國的被動(dòng)式超低能耗建筑建設(shè)方案[6]。
在我國嚴(yán)寒地區(qū)以黑龍江省為代表的部分企業(yè)走在了國內(nèi)被動(dòng)式超低能耗建筑建設(shè)領(lǐng)域的前沿,黑龍江辰能房地產(chǎn)開發(fā)公司于2011年開發(fā)了中德合作項(xiàng)目——辰能·溪樹庭院;華北地區(qū)以河北省為代表的秦皇島“在水一方”項(xiàng)目、河北省建筑科技研發(fā)中心科研樓均獲得德國PHI認(rèn)證;在氣候相對惡劣的西北地區(qū),新疆烏魯木齊的“幸福堡”綜合樓于2014年正式建成,成為新疆乃至西北地區(qū)第一座以德國標(biāo)準(zhǔn)建造的被動(dòng)式超低能耗建筑;在南方地區(qū),被動(dòng)式超低能耗建筑探索發(fā)展也取得了一定成果,浙江省湖州長興縣“布魯克”綠色精品酒店,通過建筑本身高效的保溫隔熱性能的構(gòu)造,利用太陽能和其他設(shè)備的散熱向房間提供熱源,無論在炎熱的夏季還是在寒冷的冬季,都能實(shí)現(xiàn)基本不使用“主動(dòng)”能源的目標(biāo)[7]。目前,被動(dòng)式超低能耗建筑示范項(xiàng)目在全國遍地開花,成為其大力推廣建設(shè)的前奏。
1.1.2國外的發(fā)展情況
歐美許多國家為了進(jìn)一步降低建筑能耗,提高建筑能效,降低溫室氣體的排放,提出了中長期的建筑能源戰(zhàn)略規(guī)劃和政策目標(biāo),研究和建設(shè)超低能耗建筑幾乎成為各國進(jìn)一步挖掘建筑節(jié)能潛力,擺脫對化石能源依賴的有力措施之一。
1988年瑞典隆德大學(xué)的阿達(dá)姆森教授和德國的菲斯特博士首先提出“被動(dòng)式房屋”這一概念,他們認(rèn)為被動(dòng)房建筑無需主動(dòng)的采暖和空調(diào)系統(tǒng)就可以維持舒適室內(nèi)熱環(huán)境的建筑[8]。1991年德國的達(dá)姆施特建成了第一座被動(dòng)房建筑并取得了成功,隨后建立了研究機(jī)構(gòu),并在世界范圍內(nèi)推廣被動(dòng)式建筑建造技術(shù)。
目前,歐洲被動(dòng)房的概念不再局限于住宅建筑,一些公共建筑也逐漸開始按照被動(dòng)房的標(biāo)準(zhǔn)來建設(shè)。
1.2被動(dòng)式超低能耗建筑在寒冷地區(qū)的發(fā)展
圖1 山東建筑大學(xué)裝配式被動(dòng)實(shí)驗(yàn)房圖
被動(dòng)式超低能耗建筑在我國發(fā)展之初,以河北省、山東省為代表的寒冷地區(qū)就積極開展實(shí)踐,努力探索寒冷地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑的建設(shè)之路。河北省秦皇島“在水一方”項(xiàng)目在建設(shè)中積極探索,最終獲得德國PHI認(rèn)證[9]。山東省致力于探索裝配式建筑在被動(dòng)式超低能耗建筑中的應(yīng)用,山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動(dòng)式實(shí)驗(yàn)樓就是典型的示范項(xiàng)目。在正式開工之前,首先完成了裝配式被動(dòng)實(shí)驗(yàn)房設(shè)計(jì)與施工(如圖1所示),從中發(fā)現(xiàn)問題,找出問題,為實(shí)驗(yàn)樓的建設(shè)做好充分的準(zhǔn)備工作。山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動(dòng)式實(shí)驗(yàn)樓建筑主體依山就勢,建筑形態(tài)和布局充分考慮地形局部風(fēng)環(huán)境和光照,功能布局合理,流線清晰,出入口明確。建筑共六層,一、二層層高為4.5m,三至六層層高為3.6m,總建筑高度為23.85m,總建筑面積為9680.1m2,底層建筑面積為2735.9m2,標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積為1611.9m2,是山東省最大的裝配式被動(dòng)房(如圖2所示)。在設(shè)計(jì)中,山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動(dòng)式實(shí)驗(yàn)樓著力解決了被動(dòng)式設(shè)計(jì)的一系列技術(shù)難題,其中包括完整的氣密層、絕佳的保溫層、高效的太陽能新風(fēng)熱回收系統(tǒng)等等。
目前,在寒冷地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑在建設(shè)中,呈現(xiàn)出了幾大特點(diǎn):(1) 示范項(xiàng)目體量規(guī)模比較大、類型豐富、涵蓋范圍廣;(2) 被動(dòng)式超低能耗建筑與綠色建筑相結(jié)合,不單單達(dá)到被動(dòng)式超低能耗建筑的要求,還力爭二星級(jí)以上的綠色建筑認(rèn)證,這是此前別的地區(qū)項(xiàng)目中沒有過的;(3) 不斷創(chuàng)新,積極將裝配式引入被動(dòng)式超低能耗建筑[10]。
經(jīng)過設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐,山東、河北等省在探索實(shí)施地方性被動(dòng)式超低能耗建筑建設(shè)模式上,取得了很多有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn),已掌握了被動(dòng)式超低能耗建筑在寒冷地區(qū)發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問題。
圖2 山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動(dòng)式實(shí)驗(yàn)樓圖
寒冷地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)在于,如何通過無熱橋的保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、氣密層設(shè)計(jì)、遮陽設(shè)計(jì)、新風(fēng)系統(tǒng)以及輔助熱源設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)建筑在運(yùn)行中,實(shí)現(xiàn)超低能耗,甚至是零能耗。結(jié)合山東建筑大學(xué)裝配式超低能耗被動(dòng)式實(shí)驗(yàn)樓項(xiàng)目,研究寒冷被動(dòng)式超低能耗建筑的關(guān)鍵技術(shù)。
2.1無熱橋的高效建筑保溫系統(tǒng)
被動(dòng)式超低能耗建筑要求建筑的非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)及門窗都具絕佳的保溫性能,并且能夠通過無熱橋設(shè)計(jì),形成連續(xù)完整的保溫層。
2.1.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)
在寒冷地區(qū),圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的重要性最為顯著。外墻、屋面及地面的平均傳熱系數(shù)(K)應(yīng)以滿足被動(dòng)式超低建筑的能耗指標(biāo)為目標(biāo),采用性能化設(shè)計(jì)方法,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后確定。寒冷地區(qū)外墻、屋面的平均傳熱系數(shù)應(yīng)在0.10~0.25W/(m2·K)之間,地面的平均傳熱系數(shù)應(yīng)在0.15~0.35W/(m2·K)之間。由于超低能耗建筑要求建筑外表面溫度波動(dòng)對內(nèi)表面溫度影響小,故常常采用熱惰性指標(biāo)大的重質(zhì)復(fù)合墻體,如復(fù)合墻體的內(nèi)側(cè)宜采用厚度為100mm以上的磚或混凝土等重質(zhì)材料;為了實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好的保溫性能,又不占用室內(nèi)更多的有效使用面積,在選擇保溫材料時(shí),應(yīng)優(yōu)先選用高性能保溫材料,以減少保溫層厚度;為了避免水蒸汽在外墻、屋頂內(nèi)部結(jié)露,要求保溫層具有一定的防水透氣性能;還應(yīng)當(dāng)注意保溫層的耐侯性、抗風(fēng)荷載、耐冰融等各項(xiàng)性能要求[11]。
超低能耗建筑設(shè)計(jì)時(shí),必須對建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行無熱橋設(shè)計(jì),以保證保溫層的連續(xù)完整。(1) 外墻的保溫層應(yīng)采用斷熱橋錨栓固定,若采用單層保溫時(shí),用鎖扣方式連接;若采用雙層保溫時(shí),應(yīng)采用錯(cuò)縫粘接方式,避免保溫材料間出現(xiàn)通縫;墻角處宜采用成型保溫構(gòu)件;應(yīng)盡量避免在外墻上固定導(dǎo)軌、龍骨、支架等可能導(dǎo)致熱橋的部件,如果必須固定,應(yīng)在外墻上預(yù)埋斷熱橋的錨固件,并盡量采用減少接觸面積、增加隔熱間層及使用非金屬材料等措施降低傳熱損失;管道穿外墻部位應(yīng)預(yù)留套管并預(yù)留足夠的保溫間隙;戶內(nèi)開關(guān)、插座接線盒等不應(yīng)置于外墻上,以免影響外墻保溫性能[12]。(2) 屋面保溫層應(yīng)與外墻的保溫層連續(xù),不得出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋;對女兒墻等突出屋面的結(jié)構(gòu)體,其保溫層應(yīng)與屋面、墻面保溫層連續(xù),不得出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋。女兒墻、風(fēng)道出風(fēng)口等薄弱環(huán)節(jié),宜設(shè)置金屬蓋板,以提高其耐久性,金屬蓋板與結(jié)構(gòu)連接部位,也應(yīng)避免熱橋產(chǎn)生;管道穿屋面部位應(yīng)符合下列要求:預(yù)留洞口應(yīng)大于管道外徑,并滿足保溫厚度要求;伸出屋面外的管道應(yīng)設(shè)置套管進(jìn)行保護(hù),套管與管道間應(yīng)設(shè)置保溫層。(3) 寒冷地區(qū)地下室外墻外側(cè)保溫層應(yīng)與地上部分保溫層連續(xù),從頂板向下設(shè)置,長度與地下室外墻外側(cè)保溫向下延伸長度一致,或完全覆蓋地下室外墻內(nèi)側(cè),并應(yīng)采用防水性能好的保溫材料;地下室外墻外側(cè)保溫層應(yīng)延伸到地下凍土層以下,或完全包裹住地下結(jié)構(gòu)部分;地下室外墻外側(cè)保溫層內(nèi)部和外部宜分別設(shè)置一道防水層,防水層應(yīng)延伸至室外地面以上適當(dāng)距離;無地下室時(shí),地面保溫應(yīng)與外墻保溫應(yīng)盡量連續(xù)、無熱橋。
在實(shí)際工程中,非透明的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往由鋼筋混凝土和高密度聚氨酯復(fù)合材料合成夾心保溫墻體,節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)保證不出現(xiàn)由梁、板、柱等形成的結(jié)構(gòu)性熱橋,不出現(xiàn)結(jié)露發(fā)霉現(xiàn)象。對于不可避免由金屬連接件造成的熱橋采取斷熱橋設(shè)施,并進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)詳細(xì)構(gòu)造設(shè)計(jì),保證整個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)起到冬季保溫、夏季隔熱的作用[13]。屋頂、外墻和地下室地板的構(gòu)造說明及熱工參數(shù)見表1。
表1 屋頂、外墻及地下室頂板構(gòu)造說明及熱工參數(shù)
2.1.2門窗保溫設(shè)計(jì)
建筑門窗是影響超低能耗建筑節(jié)能效果的關(guān)鍵部件,它主要影響建傳熱系數(shù)、太陽得熱系數(shù)以及氣密性能。外窗保溫和遮陽性能應(yīng)符合下列要求:寒冷地區(qū)外窗傳熱系數(shù)(K)和太陽得熱系數(shù)(SHGC)可參考表2選??;為防止結(jié)露,外窗內(nèi)表面(包括玻璃邊緣)溫度不應(yīng)低于13 ℃;在設(shè)計(jì)條件下,外窗內(nèi)表面平均溫度宜高于17 ℃,保證室內(nèi)靠近外窗區(qū)域的舒適度;應(yīng)根據(jù)不同的氣候條件優(yōu)化選擇SHGC值。寒冷地區(qū)應(yīng)以冬季獲得太陽輻射量為主,SHGC值應(yīng)盡量選上限,同時(shí)兼顧夏季隔熱。當(dāng)設(shè)有可調(diào)節(jié)外遮陽設(shè)施時(shí),夏季可利用遮陽設(shè)施減少太陽輻射得熱,外窗的SHGC值宜主要按冬季需要選取,兼顧夏季外遮陽設(shè)施的實(shí)際調(diào)節(jié)效果,確定SHGC值;外門窗應(yīng)有良好的氣密、水密及抗風(fēng)壓性能。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)其氣密性等級(jí)不應(yīng)低于8級(jí)、水密性等級(jí)不應(yīng)低于6級(jí)、抗風(fēng)壓性能等級(jí)不應(yīng)低于9級(jí)。
表2 各氣候分區(qū)外窗得熱系數(shù)K和太陽得熱系數(shù)SHGC參考值
建筑外窗要能滿足寒冷地區(qū)的能耗指標(biāo)要求,必須對窗框型材和玻璃配置嚴(yán)格把關(guān)。玻璃配置應(yīng)考慮玻璃層數(shù)、Low-E膜層、真空層、惰性氣體、邊部密封構(gòu)造等加強(qiáng)玻璃保溫隔熱性能的措施。寒冷地區(qū)應(yīng)采用三層玻璃;采用Low-E玻璃時(shí),應(yīng)綜合考慮膜層對K值和SHGC值的影響。膜層數(shù)越多,K值越小,同時(shí)SHGC值也越小;當(dāng)需要SHGC值較小時(shí),膜層宜位于最外片玻璃的內(nèi)側(cè);當(dāng)需要K值較小時(shí),可選擇Low-E中空真空玻璃。Low-E膜應(yīng)朝向真空層;與普通中空玻璃相比,Low-E中空真空玻璃傳熱系數(shù)可降低約2.0W/(m2·K);惰性氣體填充時(shí),宜采用氬氣填充,填充比例應(yīng)超過85%。比例越高,隔熱性能越好;中空玻璃應(yīng)采用暖邊間隔條,通過改善玻璃邊緣的傳熱狀況提高整窗的保溫性能。窗框型材應(yīng)采用未增塑聚氯乙烯塑料、木材等保溫性能較好的材料。在寒冷地區(qū),隔熱鋁合金型材難以達(dá)到超低能耗建筑的傳熱系數(shù)要求。
此外,外門和戶門均應(yīng)采用保溫密閉門,保溫性能不應(yīng)低于外窗的相關(guān)要求。寒冷地區(qū)面向冬季主導(dǎo)風(fēng)向的外門應(yīng)設(shè)置門斗或雙層外門;其它地區(qū)外門宜設(shè)門斗或應(yīng)采取其它減少冷風(fēng)滲透的措施??紤]入住率影響及分戶熱計(jì)量的要求,寒冷地區(qū)樓梯間隔墻、分戶墻及樓板宜采取保溫措施。
外窗分隔應(yīng)在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下盡量減少,并按照模數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì);外窗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí),宜利用建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算軟件,模擬分析不同安裝條件下外窗的傳熱系數(shù)和各表面溫度,進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和驗(yàn)證;外窗宜采用窗框內(nèi)表面與結(jié)構(gòu)外表面齊平的外掛安裝方式,外窗與結(jié)構(gòu)墻之間的縫隙應(yīng)采用耐久性良好的密封材料密封嚴(yán)密;外窗臺(tái)應(yīng)設(shè)置窗臺(tái)板,以免雨水侵蝕造成保溫層的破壞;窗臺(tái)板應(yīng)設(shè)置滴水線;窗臺(tái)宜采用耐久性好的金屬制作,窗臺(tái)板與窗框之間應(yīng)有結(jié)構(gòu)性鏈接,并采用密封材料密封;懸挑陽臺(tái)可采用陽臺(tái)板與主體結(jié)構(gòu)斷開的設(shè)計(jì);陽臺(tái)板靠挑梁支撐時(shí),保溫材料應(yīng)將挑梁和陽臺(tái)結(jié)構(gòu)體整體包裹,避免熱橋。設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)外遮陽裝置安裝節(jié)點(diǎn)時(shí),應(yīng)在其內(nèi)部或外部留有足夠的空間,用來填充保溫材料,避免熱橋。
在實(shí)際工程中,外窗往往采用高性能保溫隔熱的雙層Low-e玻璃,具有良好的采光隔熱和保溫性能,其傳熱系數(shù)K≤0.8W/(m2·k)、玻璃的太陽能總透射比g≥0.35、玻璃選擇性系數(shù)S≥1.25。高性能窗可以對不同波長的光線進(jìn)行選擇性透過,從而實(shí)現(xiàn)自然光滿足室內(nèi)照度要求的同時(shí),將造成夏季室內(nèi)冷負(fù)荷增加的長波輻射隔絕在室外,在冬季將輻射到玻璃的近紅外線反射到室內(nèi)。
2.2建筑氣密性設(shè)計(jì)
建筑氣密性能對于實(shí)現(xiàn)超低能耗目標(biāo)非常重要。良好的氣密性可以減少冬季冷風(fēng)滲透,降低夏季非受控通風(fēng)導(dǎo)致的供冷需求增加,避免濕氣侵入造成的建筑發(fā)霉、結(jié)露和損壞,減少室外噪聲和空氣污染等不良因素對室內(nèi)環(huán)境的影響,提高居住者的生活品質(zhì)。氣密層應(yīng)連續(xù)并包圍整個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu),建筑設(shè)計(jì)施工圖中應(yīng)明確標(biāo)注氣密層的位置,應(yīng)采用簡潔的造型和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),減少或避免出現(xiàn)氣密性難以處理的節(jié)點(diǎn)。 應(yīng)選用氣密性等級(jí)高的外門窗,外窗框與窗扇間宜采用3道耐久性良好的密封材料密封,每個(gè)開啟扇至少設(shè)2個(gè)鎖點(diǎn)。應(yīng)選擇適用的氣密性材料構(gòu)成氣密層,常見的可構(gòu)成氣密層的材料包括一定厚度的抹灰層、硬質(zhì)的材料板(如密度板、石材)、氣密性薄膜等??籽郾∧?、保溫材料、軟木纖維板、刨花板、砌塊墻體等不適于用做氣密層。應(yīng)選擇適用的氣密性材料做節(jié)點(diǎn)氣密性處理,如緊實(shí)完整的混凝土、氣密性薄膜、專用膨脹密封條、專用氣密性處理涂料等材料;包裝膠帶、聚氨酯發(fā)泡、防水硅膠等材料不適合做節(jié)點(diǎn)氣密性處理材料。對門洞、窗洞、電氣接線盒、管線貫穿處等易發(fā)生氣密性問題的部位,應(yīng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)并對氣密性措施進(jìn)行詳細(xì)說明。
2.3遮陽設(shè)計(jì)
寒冷地區(qū)供暖能耗在全年建筑總能耗中占主導(dǎo)地位,太陽輻射可降低冬季供暖能耗,但也會(huì)增加夏季空調(diào)能耗,因此,寒冷地區(qū)的東、西、南向的外窗均應(yīng)考慮遮陽措施。
遮陽設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn),房間的使用要求以及窗口所在朝向綜合考慮。可采用可調(diào)或固定等遮陽措施,也可采用各種熱反射玻璃、鍍膜玻璃、陽光控制膜、低發(fā)射率膜等進(jìn)行遮陽;超低能耗建筑宜采用可調(diào)節(jié)的遮陽設(shè)施??烧{(diào)節(jié)外遮陽表面吸收的太陽得熱,傳入室內(nèi)的比例比內(nèi)遮陽或中置遮陽小,并且可根據(jù)太陽高度角和室外天氣情況自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整,是最適合超低能耗建筑的遮陽形式。固定遮陽是將建筑的天然采光、遮陽與建筑物融為一體的外遮陽系統(tǒng)。設(shè)計(jì)固定遮陽時(shí)應(yīng)綜合考慮建筑物所處地理緯度、朝向,太陽高度角和太陽方向角及遮陽時(shí)間,通過對建筑物進(jìn)行日照分析來確定遮陽的分布和特征。除固定遮陽外,也可結(jié)合建筑立面設(shè)計(jì),采用自然遮陽措施。非高層建筑宜結(jié)合景觀設(shè)計(jì),利用樹木形成自然遮陽,降低夏季輻射熱負(fù)荷。南向外窗宜采用可調(diào)節(jié)外遮陽或水平固定外遮陽的方式。水平固定外遮陽挑出長度應(yīng)滿足夏季太陽不直接照射到室內(nèi),且不影響冬季日照的要求;東向和西向外窗宜采用可調(diào)節(jié)外遮陽或可調(diào)中置遮陽設(shè)施。當(dāng)東向和西向采用固定遮陽時(shí),因東西向在需要避免太陽直曬時(shí),太陽高度角較低,此時(shí)采用水平固定遮陽效果較差,因此宜采用垂直遮陽;可調(diào)節(jié)外遮陽和外窗的間距宜大于100mm,以免外窗玻璃被加熱。當(dāng)設(shè)置中置遮陽時(shí),應(yīng)盡量增加遮陽百葉及其相關(guān)附件與外窗玻璃之間的距離;在設(shè)置固定遮陽板時(shí),可考慮利用遮陽板反射天然光到大進(jìn)深的室內(nèi),改善室內(nèi)采光效果;遮陽設(shè)施在遮擋陽光直接進(jìn)入室內(nèi)的同時(shí),也會(huì)阻礙窗口的通風(fēng),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。
隨著可調(diào)節(jié)外遮陽技術(shù)在遮陽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛,建筑西向及南向常常采用可調(diào)卷簾,除滿足夏天阻擋熱量、冬天利用窗戶得熱的需求外,還可以利用可調(diào)節(jié)外遮陽卷簾創(chuàng)造宜人的室內(nèi)照明環(huán)境,個(gè)別公共房間可依據(jù)太陽光照強(qiáng)度,自動(dòng)控制外遮陽下落高度。在權(quán)衡西向自然采光和遮陽的問題上,通過對自然采光的模擬,選擇最適宜的開窗面積和遮陽措施。
2.4高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)
被動(dòng)式超低能耗建筑應(yīng)采用高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng),通過回收利用排風(fēng)中的能量降低供暖制冷需求,不用或少用輔助供暖供冷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)超低能耗目標(biāo)。高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)通過熱回收裝置使新風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)行熱交換,回收排風(fēng)中的能量。
熱回收效率是評(píng)價(jià)熱回收裝置換熱性能的主要指標(biāo),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用高效的熱回收裝置,并應(yīng)滿足以下要求:顯熱回收裝置的溫度交換效率1不應(yīng)低于75%;全熱熱回收裝置的焓交換效率2不應(yīng)低于70%;熱回收裝置單位風(fēng)量風(fēng)機(jī)耗功率應(yīng)小于0.45W/(m3/h)。熱回收裝置的類型應(yīng)根據(jù)寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn),全熱回收裝置同顯熱回收裝置節(jié)能效果相當(dāng),顯熱回收具有更好的經(jīng)濟(jì)性,但全熱回收裝置利于降低結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目情況綜合考慮。 熱回收裝置新風(fēng)側(cè)應(yīng)處于正壓區(qū),排風(fēng)側(cè)應(yīng)處于負(fù)壓區(qū)。高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)宜在新風(fēng)入口處設(shè)置低阻高效率的空氣凈化裝置,為室內(nèi)提供更加潔凈的新鮮空氣,并有效減小霧霾天氣對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。同時(shí)也可避免熱回收裝置積塵、換熱效率下降。為了獲得高品質(zhì)的空氣,還應(yīng)該加設(shè)空氣凈化裝置,大于等于0.5μm的細(xì)顆粒物的一次通過計(jì)數(shù)效率宜高于80%,且不應(yīng)低于60%。
新風(fēng)量宜按總?cè)藬?shù)確定,每人所需的最小新風(fēng)量應(yīng)按30m3/h計(jì)算,使新風(fēng)量與排風(fēng)量平衡。新風(fēng)系統(tǒng)宜分戶獨(dú)立設(shè)置且可調(diào)控,宜與外窗開啟感應(yīng)裝置聯(lián)動(dòng)。新風(fēng)氣流應(yīng)從起居室和臥室等主要活動(dòng)區(qū)(送風(fēng)區(qū))流向衛(wèi)生間和廚房等功能區(qū)(排風(fēng)區(qū))。樓梯間、過道和敞開式廚房的餐廳可作為過流區(qū),通過空氣流動(dòng)間接得到送風(fēng)和排風(fēng),保證所有房間得到充分通風(fēng)。每個(gè)房間或主要活動(dòng)區(qū)均應(yīng)設(shè)置送風(fēng)口和回風(fēng)口,當(dāng)安裝確有困難時(shí),可在主活動(dòng)區(qū)域設(shè)置集中回風(fēng)口與回風(fēng)管道連接,其他房間設(shè)置過流口與主活動(dòng)區(qū)間聯(lián)通。對不能設(shè)置回風(fēng)口或過流口的房間,其內(nèi)門與地面間凈空應(yīng)留20~25mm的縫隙,用于回風(fēng)。新風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道和風(fēng)口設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下要求:盡可能降低管道和風(fēng)口風(fēng)速,主風(fēng)道風(fēng)速宜小于3m/s,送風(fēng)口風(fēng)速不宜大于1.5m/s;過流口應(yīng)有隔聲降噪設(shè)計(jì)。與室外連通的新風(fēng)和排風(fēng)管路上均應(yīng)安裝保溫密閉型電動(dòng)風(fēng)閥,并與系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),保證建筑的氣密性。還應(yīng)設(shè)置新風(fēng)旁通管,當(dāng)室外溫濕度適宜時(shí),新風(fēng)可經(jīng)旁通管直接進(jìn)入室內(nèi),不經(jīng)過熱回收裝置,以降低能耗。新風(fēng)機(jī)組應(yīng)進(jìn)行消聲隔震處理;新風(fēng)出口處和排風(fēng)入口處宜設(shè)消聲裝置;風(fēng)機(jī)與風(fēng)管連接處應(yīng)采用軟連接。在寒冷地區(qū),高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置防凍措施。
其中,太陽能新風(fēng)系統(tǒng)以其高效節(jié)能的特點(diǎn)備受推崇。它由集熱裝置、氣流輸送和自控裝置三部分組成,集熱裝置為太陽能空氣集熱器;氣流輸送裝置為風(fēng)機(jī)和管道。太陽能空氣集熱器利用太陽能輻射熱能加熱空氣,然后通過氣流輸送裝置將熱空氣送入新風(fēng)機(jī)組進(jìn)一步處理。并且設(shè)計(jì)選用回收效率高于75%的置換式通風(fēng)設(shè)備,新風(fēng)經(jīng)過過濾等級(jí)不低于G45進(jìn)入室內(nèi)??諝赓|(zhì)量要滿足CO2濃度≤1.962mg/mL的要求,并且全年自動(dòng)運(yùn)行。新風(fēng)處理機(jī)組加裝除濕段,集熱系統(tǒng)夏季為轉(zhuǎn)輪除濕提供再生熱風(fēng),實(shí)現(xiàn)夏季熱量除濕。
2.5輔助供暖供冷系統(tǒng)
超低能耗建筑輔助供暖供冷應(yīng)優(yōu)先利用太陽能、地源熱泵、空氣源熱泵及生物質(zhì)燃料等可再生能源,減少一次能源的使用。寒冷地區(qū)宜設(shè)置輔助熱源和冷源,其中輔助熱源不宜采用集中供暖方式,宜采用地源熱泵或空氣源熱泵。輔助熱源選擇時(shí),除滿足供暖、新風(fēng)處理要求外,宜兼顧生活熱水的用熱需求,并盡可能利用太陽能供應(yīng)熱水。實(shí)際工程中,太陽能新風(fēng)系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)等得到推廣使用。其中,太陽能熱水系統(tǒng)的工作原理是溫差循環(huán)控制,通過檢測集熱器的供回水溫差來控制集熱循環(huán)泵的啟動(dòng)和停止,并比較循環(huán)溫度與貯水箱中水溫溫差不斷加熱貯水箱中的熱水。
3.1政府積極引導(dǎo)做好專業(yè)的宣傳普及工作
做好被動(dòng)式超低能耗建筑的普及推廣工作至關(guān)重要,這離不開國家的引導(dǎo)、政府的支持、企業(yè)的參與以及高校的引領(lǐng)。所以我們要完善國家法律法規(guī)體系,凸顯其發(fā)展的緊迫性;完善政府激勵(lì)政策,給予相應(yīng)財(cái)政支持;加強(qiáng)社會(huì)發(fā)展理念,提高公眾參與度;穩(wěn)步推進(jìn)示范項(xiàng)目的順利進(jìn)行。寒冷地區(qū),被動(dòng)式超低能耗示范項(xiàng)目遍布多個(gè)地市,涉及各類居住建筑、公共建筑,具有較強(qiáng)的典型性和代表性。讓大家來參觀使用這些示范項(xiàng)目,親身感受到它的優(yōu)勢,將起到十分重要的宣傳作用。被動(dòng)房在取消了傳統(tǒng)的采暖系統(tǒng)后,大大減少了城市供熱熱網(wǎng)配套費(fèi),物業(yè)維護(hù)費(fèi);對用戶來說,按120m2推算,每年將減少2400~2880元供暖費(fèi)用和約1000元的空調(diào)制冷費(fèi)用。通過高校和示范項(xiàng)目這兩個(gè)平臺(tái)來充分展現(xiàn)、宣傳被動(dòng)式超低能耗建筑,將是一個(gè)非常好的途徑和方式。
3.2制定適宜寒冷地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)體系及認(rèn)證體系
國內(nèi)被動(dòng)式超低能耗建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證體系基本都采用德國的體系,但是這些不完全適用于我國各地。2015年5月1日,河北省頒布了本省的DBB(J)/T177—2015《被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》并予于實(shí)施,此標(biāo)準(zhǔn)是國內(nèi)首部被動(dòng)式房屋標(biāo)準(zhǔn),也為寒冷地區(qū)推廣研究被動(dòng)式超低能耗建筑做出了積極努力。而其余各省目前的示范項(xiàng)目采用的還是德國標(biāo)準(zhǔn),加快編制頒布和實(shí)施適合自己的標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。德國的被動(dòng)房的認(rèn)證評(píng)價(jià)都是通過德國被動(dòng)式房屋研究所(PHI),目前全球約有30家機(jī)構(gòu)經(jīng)過了德國PHI的培訓(xùn)和認(rèn)證,從事被動(dòng)房建筑的認(rèn)證工作。被動(dòng)房認(rèn)證的唯一條件是利用PHPP軟件進(jìn)行計(jì)算;其唯一檢測則是由具有相應(yīng)資質(zhì)的第三方進(jìn)行氣密性檢測[14]。借鑒德國的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),探索自己的被動(dòng)式超低能耗建筑的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),不但要推廣寒冷地區(qū)的被動(dòng)式超低能耗建筑的發(fā)展,而且能完善整個(gè)被動(dòng)房理論體系。
寒冷地區(qū)在發(fā)展被動(dòng)式超低能耗建筑技術(shù)上的重心是盡快研究出一套適合寒冷地區(qū)的本土化的技術(shù)體系[14]。(1) 針對部分寒冷地區(qū)的除濕需求,適當(dāng)考慮在原有的帶熱回收裝置的新風(fēng)系統(tǒng)上加設(shè)除濕系統(tǒng)。新風(fēng)通過加設(shè)除濕系統(tǒng)的新風(fēng)管道,將相對干燥并達(dá)到目標(biāo)濕度的空氣送至室內(nèi),使室內(nèi)濕度達(dá)到相對舒適的指標(biāo)。(2) 針對保溫材料防火問題,目前在市場占有率較高的XPS保溫材料,添加阻燃劑后仍不具有長期的阻燃效果,而石墨EPS板薄抹灰外墻外保溫技術(shù)、工藝和材料,防火效果好。(3) 現(xiàn)有建筑都敷設(shè)有采暖管網(wǎng),而被動(dòng)式改造還需要相當(dāng)長的一段時(shí)間,期間仍需要集中采暖,加快被動(dòng)式改造的進(jìn)程十分重要;而對于新建建筑,要用發(fā)展的眼光看問題,鼓勵(lì)被動(dòng)式設(shè)計(jì),減少管道敷設(shè),節(jié)約市政成本。(4) 寒冷地區(qū)特有的山水人文直接影響寒冷地區(qū)傳統(tǒng)建筑材料和建造方法。在建設(shè)被動(dòng)式超低能耗建筑時(shí)結(jié)合具體的環(huán)境、場所加以利用,既延續(xù)了傳統(tǒng)的建筑文化,又為新時(shí)代的建筑節(jié)能所利用。(5) 關(guān)于廚房部分,應(yīng)該想方設(shè)法將抽油煙機(jī)帶走的大量熱回收利用,使抽油煙機(jī)與熱回收新風(fēng)系統(tǒng)連接,以加熱新風(fēng),提高室內(nèi)溫度;也可以將廚房與其余使用空間完全隔開,增設(shè)輔助供暖設(shè)施來保證廚房的溫度舒適性。從而實(shí)現(xiàn)住宅的被動(dòng)式設(shè)計(jì)。
這些簡單的改進(jìn)技術(shù)對寒冷地區(qū)的被動(dòng)式超低能耗建筑建設(shè)將起到促進(jìn)作用。
3.3與建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化結(jié)合發(fā)展、積極改進(jìn)現(xiàn)有的建筑施工技術(shù)
建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化以綠色發(fā)展為理念,運(yùn)用先進(jìn)的建造技術(shù)和科學(xué)的管理方法,對建筑全產(chǎn)業(yè)鏈更新、改造和升級(jí),從而提高建設(shè)項(xiàng)目的質(zhì)量和效益。而被動(dòng)式超低能耗建筑的,門窗、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、密封材料和防水材料等相關(guān)產(chǎn)品依賴于相關(guān)建筑產(chǎn)業(yè)化的支持。2015年7月17日山東省建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展聯(lián)盟正式成立,聯(lián)盟的成立對于山東省建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展將有著非常大的積極作用,對于寒冷地區(qū)的被動(dòng)式超低能耗建筑的發(fā)展也具有很強(qiáng)的助力作用。
與國外相比,目前國內(nèi)的施工技術(shù)還處于落后地位。為了能提高寒冷地區(qū)乃至全國被動(dòng)式超低能耗建筑的施工水平,我們可以采取“走出去”和“引進(jìn)來”兩種方式學(xué)習(xí)提高自身施工水平。一方面組織專家和專業(yè)施工技術(shù)人員去國外學(xué)習(xí)交流,特別是去被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展較好的德國、瑞典、英國和芬蘭等歐洲國家;另一方面可以聘請國外專家和專業(yè)施工人員作為技術(shù)顧問,指導(dǎo)監(jiān)督在建項(xiàng)目的順利建設(shè)完工[16]。除此之外,還需要總結(jié)已完成的項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn),吸取教訓(xùn),積極改進(jìn)。通過積極學(xué)習(xí),結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),我們的被動(dòng)房施工技術(shù)水平才能不斷提高,趕超國際先進(jìn)水平。
綠色建筑技術(shù)的指導(dǎo)原則是有地域性的,不能為了綠色而綠色,成為綠色技術(shù)的堆積品,而要根據(jù)“因地制宜”的原則,合理的建設(shè)被動(dòng)式超低能耗建筑。作為國內(nèi)被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展的重要陣地,以河北省、山東省為代表的寒冷地區(qū)需要根據(jù)本地區(qū)的實(shí)際情況,開拓出一條具有寒冷地區(qū)特色的被動(dòng)式超低能耗建設(shè)之路。今后,需要進(jìn)一步加強(qiáng)工作,在良好的試點(diǎn)示范項(xiàng)目基礎(chǔ)上,積極推進(jìn)被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展,力爭將寒冷地區(qū)建設(shè)成為被動(dòng)式超低能耗建筑示范地區(qū)。
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(學(xué)科責(zé)編:李雪蕾)
Research on key technologies of passive house in cold region
Chen Qiang1,Wang Chongjie2*,Li Jie1,et al.
(1. School of Architecture and Urban Planning, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China; 2. Shandong Co-Innovation Center of Green Building, Jinan 250101,China)
Withthegrowingpopularityofgreen,recycling,lowcarbondevelopmentconcept,thepassivehouseisabletodealwithenergycrisis,climatechangeandpeople'spursuitofhighqualitylifeduetoitshigherenergyefficiency,lesspollutiontoenvironment,morecomfort,andbecomesanimportantkindofconstruction.Exploringkeytechnicalschemeactivelyinthecoldregionpassivehouseconstructionandrealizingthesuperlocalizationofpassivehousedevelopmentisimminent.Thepapergivesadomesticandforeignpassiveultraoverviewofthedevelopmentoftheconstructionoflowenergyconsumption,anddoesresearchonkeytechnologiesofpassivehouseaboutthethermalbridge,buildinginsulationsystem,buildingairtightdesign,shadingdesign,freshairheatrecoverysystem,auxiliaryheatingforcoolingsystemincoldregion,andputsforwardthesuitablepassiveultralowenergyconsumptionconstructionanddevelopmentstrategyforcoldregion.
passivehouse;buildingtechnology;coldregion;developmentstrategy
2015-11-02
山東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2015GSF122006)
陳強(qiáng)(1989-),男,在讀碩士,主要從事綠色建筑、建筑節(jié)能和太陽能與建筑一體化等方面的研究.E-mail:chenqiang198905@163.com
*:王崇杰(1957-),男,教授,學(xué)士,主要從事綠色建筑技術(shù)方面的研究.Email:wcj@sdjzu.edu.cn
1673-7644(2016)01-0019-08
TU201.5
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