曾彥欽 薛 立 張耀煌 金益民 胡繼崢

(1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168； 2.中鐵科建(廈門)有限公司，福建 廈門 361008)

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被動(dòng)房關(guān)鍵技術(shù)及其在中國(guó)北方農(nóng)村的應(yīng)用

曾彥欽1薛 立1張耀煌2金益民1胡繼崢1

(1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168； 2.中鐵科建(廈門)有限公司，福建 廈門 361008)

以沈陽建筑大學(xué)中德節(jié)能示范中心項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了被動(dòng)房的基本構(gòu)成及工作原理，并以數(shù)據(jù)形式，將其與普通建筑的節(jié)能效果作了對(duì)比，從被動(dòng)房的特性以及農(nóng)宅使用特點(diǎn)入手，分析了該先進(jìn)節(jié)能技術(shù)在中國(guó)北方農(nóng)村的應(yīng)用價(jià)值以及難點(diǎn)，最后提出了解決方案。

被動(dòng)房，北方農(nóng)村，節(jié)能，綠色能源

0 引言

建筑發(fā)展至今，對(duì)居住環(huán)境要求的提升和降低建筑能耗之間的矛盾使人們的目光投向了被動(dòng)式節(jié)能建筑。這類建筑主要通過建筑本身的構(gòu)造做法實(shí)現(xiàn)高效的保溫隔熱性能，并利用太陽能等提供熱源，減少或不使用主動(dòng)供應(yīng)的能源，被列為十二五期間建筑領(lǐng)域節(jié)能低碳發(fā)展的重要內(nèi)容。經(jīng)過近幾年的探索，該技術(shù)已成功應(yīng)用在少數(shù)居民小區(qū)中，并取得了理想的效果。然而，該技術(shù)在北方農(nóng)宅中的應(yīng)用還沒有引起足夠的重視。

1 被動(dòng)房的基本組成和工作原理

中德節(jié)能示范中心(以下簡(jiǎn)稱中心)是由沈陽建筑大學(xué)與德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)、德國(guó)達(dá)姆施塔特應(yīng)用技術(shù)大學(xué)和魏斯瑪大學(xué)合作設(shè)計(jì)的節(jié)能示范項(xiàng)目(見圖1)，達(dá)到中國(guó)綠色建筑三星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)LEED鉑金級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)BNB標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)以中心項(xiàng)目為例，介紹被動(dòng)房各基本組成和工作原理。

1.1 密閉保溫的外圍護(hù)系統(tǒng)

密閉保溫的外圍護(hù)是被動(dòng)房的核心，它由密閉保溫的墻體和門窗以及無熱橋的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)成。良好的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)大大降低熱損失，有助于室內(nèi)常年恒溫的保持。

示范中心北、東、西三向外墻采用砌塊加兩層石墨聚苯板外保溫，石墨聚苯板采用四邊雙道企口縫拼接，兩層石墨聚苯板錯(cuò)縫鋪設(shè)，以最大限度地減少熱損失。其屋面保溫采用300 mm厚擠塑板，分三層錯(cuò)縫鋪設(shè)，設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)為0.1 W/(m2·K)。

中心外窗同樣采用了三玻窗，玻璃間隔條采用非金屬間隔條，窗框?yàn)樗芰闲筒?，填充高性能發(fā)泡保溫芯材，整窗的傳熱系數(shù)K值達(dá)到0.8 W/(m2·K)。天窗為鋁包木制明框三玻窗，鋪設(shè)于鋼屋架之上，天窗玻璃間的鋼屋架采用內(nèi)外兩側(cè)包憎水巖棉保溫材料，以減小鋼骨架的熱橋影響，整體天窗傳熱系數(shù)K=0.90 W/(m2·K)。外門、窗的氣密性同為8級(jí)。中庭天窗見圖2。

普通建筑地下室冬季熱損失嚴(yán)重，中心地下室主墻面外貼擠塑聚苯板，分兩層錯(cuò)縫鋪設(shè)。為增強(qiáng)近地面處地下室外墻保溫性能，墻腳部位在擠塑板保溫層外側(cè)增設(shè)泡沫玻璃磚保溫層。地下室鋼筋混凝土底板上鋪擠塑板，設(shè)計(jì)傳熱阻R=3.61(m2·K)/W。

1.2 有效保熱的新風(fēng)系統(tǒng)

被動(dòng)房為了保證保溫能力，常處于封閉狀態(tài)，要滿足居住者對(duì)氧氣的需要，新風(fēng)系統(tǒng)必不可少。但通過開創(chuàng)通風(fēng)達(dá)到這一效果，會(huì)造成熱量大量流失，損失的熱量甚至比一棟被動(dòng)式房屋所需的全部能量還高。因此，在寒冷氣候條件下帶熱回收的新風(fēng)系統(tǒng)必不可少。中心的新風(fēng)采用地道風(fēng)系統(tǒng)，通過地埋管對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷預(yù)熱，同時(shí)設(shè)計(jì)熱回收型新風(fēng)機(jī)組，將室內(nèi)排風(fēng)中的冷熱量與新風(fēng)進(jìn)一步交換，回收效率可以達(dá)到72%，以此減少新風(fēng)的制冷制熱能耗。雙源熱泵機(jī)房見圖3，地道風(fēng)循環(huán)機(jī)房見圖4。

1.3 綠色能源利用系統(tǒng)

日常生活中可以加以利用的綠色能源通常包括：太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋：侠砝镁G色能源，可以大大減少建筑的能耗。

1.3.1 中心空氣源利用系統(tǒng)

建筑南側(cè)地上部分外墻外側(cè)懸掛太陽能光伏板和雙層玻璃相間的幕墻系統(tǒng)，幕墻系統(tǒng)與墻體之間圍合密閉形成空腔，在冬季白天利用太陽輻射加熱空腔內(nèi)的空氣，并收集空氣中的熱量為建筑冬季采暖。在地下室設(shè)有相變蓄熱水箱，水箱的蓄熱量為137.12 kW·h，略大于夜間所需供熱量，其既為建筑供暖，同時(shí)將熱量蓄存在水箱中供夜間使用。

1.3.2 中心地?zé)崮芾孟到y(tǒng)

在中心下沉庭院上方的綠地范圍內(nèi)，共有20眼100 m深的地源熱泵管井，利用淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。此外，中心的新風(fēng)采用地道風(fēng)系統(tǒng)，通過地埋管對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷預(yù)熱。

1.3.3 中心可再生能源系統(tǒng)

中心共計(jì)建設(shè)光伏屋頂系統(tǒng)及光伏幕墻系統(tǒng)37.37 kW，其中屋頂光伏系統(tǒng)組件安裝面積144.97 m2，按1 200 h/年的有效時(shí)間來計(jì)算每年總發(fā)電量可達(dá)到45 000 kW·h，為中心提供大約30%的用電能耗。

1.4 水資源回收利用系統(tǒng)

雨水回收利用系統(tǒng)，就是利用建筑屋頂?shù)仁占晁挠行Ы缑媸占晁缓蠼?jīng)過簡(jiǎn)單的處理用于日常生活中。

中心應(yīng)用雨水和中水回收利用技術(shù)，采用內(nèi)排水形式將屋面和廣場(chǎng)硬質(zhì)地面匯集的雨水通過排水口排至室外的雨水井，和中水一起進(jìn)入廣場(chǎng)地下的雨水和中水處理系統(tǒng)。經(jīng)過回收處理后的水主要用于綠化澆灌、太陽能板清潔和衛(wèi)生間清潔。預(yù)計(jì)全年可以收集雨水和中水共996.53 m3。

1.5 中心節(jié)能效果

根據(jù)實(shí)測(cè)，對(duì)比同等普通建筑全年暖通空調(diào)和照明的總能耗減少約83.41%，其中高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)節(jié)能 25%；高能效暖通設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能 15%；太陽能光電、光熱系統(tǒng)和地源熱泵節(jié)能 20%；智能控制設(shè)備與照明管控節(jié)能 20%。實(shí)測(cè)能耗對(duì)比見表1。

表1 實(shí)測(cè)能耗對(duì)比

2 中心技術(shù)在北方農(nóng)村的應(yīng)用探討

北方供暖建筑面積占全國(guó)建筑面積的10%之多，卻消耗了用于建筑采暖40%的能耗。其中，北方農(nóng)房常因缺乏保暖措施大量耗能。由表2可知，政府在節(jié)能改造上力度日益加大，如能將被動(dòng)房技術(shù)融入新農(nóng)村建設(shè)中，將在提高農(nóng)房居住舒適度的前提下減少大量的建筑能耗。建筑節(jié)能改造面積見表2。

表2 建筑節(jié)能改造面積

2.1 被動(dòng)房技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)

該技術(shù)在農(nóng)房建設(shè)中應(yīng)用仍存在以下難點(diǎn)：

首先，國(guó)內(nèi)被動(dòng)房配套建材難以采購(gòu)。如果采用進(jìn)口門窗，不僅增加了房屋造價(jià)，還使得后期維修更換不便。

其次，傳統(tǒng)被動(dòng)房保溫結(jié)構(gòu)過厚。建筑外墻和屋面是圍護(hù)體系主體，在歐洲目前的“被動(dòng)房”建筑中，外墻和屋面的保溫材料較多地采用XPS擠塑聚苯板以及巖棉等。為達(dá)到“被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)”，所采用的厚度都非常大，中心的外墻就均超過500 mm。過厚的外圍護(hù)增加了建筑面積，減少了使用面積。

最后，廚房排煙是每個(gè)農(nóng)房都要面臨的問題。一旦增加排煙要求，就會(huì)大量增加新風(fēng)系統(tǒng)的造價(jià)，并增加建筑能量損失的可能性。

2.2 中心技術(shù)在北方農(nóng)村應(yīng)用的改進(jìn)意見

根據(jù)我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)以及建筑節(jié)能市場(chǎng)現(xiàn)狀，給予以下建議：

1)使用新型保溫墻體，如聚苯顆粒自保溫復(fù)合外保溫墻體。該新型保溫墻體采用輕型型鋼作為骨架，硅酸鈣板和外保溫板作為墻體內(nèi)外模板。使用時(shí)，只需拼裝模板后向其中灌注聚苯顆粒砂漿即可。該墻體只有300 mm厚度，與傳統(tǒng)被動(dòng)房保溫墻體相比縮減了近1/2，且效果相差無幾。同時(shí)，其施工速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)保溫墻體的施工速度。

2)使用毛細(xì)管三維輻射等新型簡(jiǎn)易采暖制冷系統(tǒng)。毛細(xì)管三維輻射采暖制冷系統(tǒng)利用毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)的水向室內(nèi)空間輻射冷量和熱量，柔和且大大提高了節(jié)能率，同時(shí)減小空調(diào)系統(tǒng)的體積和造價(jià)。

3)優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)格局。例如，廚房是產(chǎn)生煙氣最大的地方，有排煙需求；同時(shí)，農(nóng)村多使用煤和柴當(dāng)作燃料，其產(chǎn)生的大量熱量使得房屋夏季降溫困難。合理設(shè)計(jì)廚房的位置和管線，利用煙氣熱量并方便排煙。

3 結(jié)語

被動(dòng)式節(jié)能房屋是時(shí)下的熱點(diǎn)，也必當(dāng)是未來發(fā)展的重點(diǎn)。認(rèn)清其基本原理，并將之應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)生活中十分重要。根據(jù)工程預(yù)算，運(yùn)用上述改進(jìn)后建造一間被動(dòng)式農(nóng)宅的成本可降至2 000元/m2左右。當(dāng)考慮運(yùn)用“鋼結(jié)構(gòu)”+“預(yù)制基礎(chǔ)”+“預(yù)制樓板”+“模塊化外墻”這一全預(yù)制施工工藝時(shí)，每10戶農(nóng)宅成片施工的建造總成本將遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)磚房的建造總成本。因此，在北方地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)上如何運(yùn)用被動(dòng)房技術(shù)值得探討。

[1] 夏曉東,山如黛,石鐵矛.嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗綠色建筑設(shè)計(jì)與實(shí)踐——沈陽建筑大學(xué)中德節(jié)能示范中心項(xiàng)目[J].建設(shè)科技,2015(15):74-77.

[2] DR Wolfgang Feist.被動(dòng)房的自我修養(yǎng)[Z].1991.

[3] 中國(guó)被動(dòng)式低能耗建筑示范可行性研究報(bào)告[R].2010.

[4] 劉 滿,夏曉東.遼寧省農(nóng)村住宅的采暖方式與能耗研究[J].建筑節(jié)能,2007,35(7):56-59.

[5] Badescu V,Rotar N.Implementation of the German Passivhaus Concept in Southeast Europe:Considerations for Romania[J].Journal of Energy Engineering,2012,138(3):146-162.

[6] 宋 琪，印保剛，楊 柳.我國(guó)發(fā)展被動(dòng)式建筑的障礙因素及對(duì)策分析[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2014(1)：9-11.

[7] 黃曉研,黃從運(yùn),黃啟有.國(guó)內(nèi)被動(dòng)房及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的前景分析[J].建材世界,2015(6):55-58.

[8] 房 濤,高 輝,郭娟利,等.德國(guó)被動(dòng)房對(duì)我國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展的啟示——以寒冷地區(qū)居住建筑為例[J].新建筑,2013(4):96-98.

On key techniques of passive house and their application in rural of North China

Zeng Yanqin1Xue Li1Zhang Yaohuang2Jin Yimin1Hu Jizheng1

(1.CollegeofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China;2.ChinaRailwayConstructionCompany(Xiamen)Co.,Ltd,Xiamen361008,China)

This thesis set the“China-German Energy Efficiency Demonstrate Center” of Shenyang Jianzhu University as an example to introduce passive house in detail, especially the basic system and working principle. It analyzes the value and the difficulties of applying this advanced technology to the countryside of the Northern China, then puts forward the solution.

passive house, countryside of the Northern China, energy conservation, green power

1009-6825(2016)18-0197-02

2016-04-13

曾彥欽(1996- )，男，在讀本科生； 薛 立(1965- )，女，碩士生導(dǎo)師，副教授； 張耀煌(1989- )，男，碩士，助理工程師； 金益民(1966- )，男，副教授； 胡繼崢(1995- )，男，在讀本科生

TU201.5

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