石家莊被動式超低能耗居住建筑淺析

梁 媛

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,河北 石家莊 050081)

隨著中國房地產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，我國每年的建筑竣工量逐年攀升.建設(shè)規(guī)模的持續(xù)增長需要消耗大量的建材和能源.而建筑產(chǎn)品的使用周期較長，使用能耗占全壽命周期總能耗的70%～90%,建筑面積的增加必然導(dǎo)致建筑能耗的增加[1].文獻(xiàn)[2]表明，2017年建筑能耗占全國總能耗的21.11%，2018年建筑能耗約占能源消費(fèi)總量的20%.

嚴(yán)峻的能源形勢使一些國家紛紛提出近零能耗發(fā)展目標(biāo)，如到2030年，美國所有的新建商業(yè)建筑達(dá)到近零能耗狀態(tài)，日本所有新建建筑為近零能耗建筑……因此，發(fā)展適合我國國情的近零能耗或超低能耗建筑也勢在必行.

伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，石家莊每年的新開工建筑面積持續(xù)攀升.2019年，石家莊城鎮(zhèn)化率為65.05%，比2018年提高了1.22個(gè)百分點(diǎn)；房屋新開工面積14 373 000 m2，比上一年增長25.8%，其中,住宅新開工面積增長57.6%[3].這些建筑中，低能耗或近零能耗住宅相對較少.發(fā)展適合于石家莊的低能耗或近零能耗住宅，對改變冬季采暖的能源結(jié)構(gòu)和石家莊的空氣質(zhì)量具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[4].而被動式超低能耗居住建筑則有利于實(shí)現(xiàn)石家莊低能耗或近零能耗住宅，減少能源消耗.

1 石家莊被動式超低能耗居住建筑相關(guān)情況簡介

被動式超低能耗居住建筑采用被動式技術(shù)手段，以大幅提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫、隔熱性能和氣密性，運(yùn)用高效新風(fēng)熱回收技術(shù)，適當(dāng)采用可再生能源，來降低建筑供暖、供冷需求，從而以較少的能源消耗提供更舒適的室內(nèi)環(huán)境.被動式超低能耗居住建筑的能耗設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：采暖(制冷)需求≤15 kW·h/(m2·a)，采暖/制冷負(fù)荷≤10 W/ m2,一次能源總需求≤120 kW·h/(m2· a),氣密性n50≤0.6 h-1,超溫頻率≤10%.這是我國現(xiàn)行節(jié)能住宅能耗的1/4～1/8.簡而言之，被動式超低能耗居住建筑不用一次能源或用很少的一次能源即可滿足舒適、健康的居住要求.

2018年以來，石家莊市大力支持發(fā)展超低能耗建筑，大力發(fā)展與被動式超低能耗居住建筑相關(guān)的產(chǎn)業(yè)集群，相繼出臺了一系列文件，如《關(guān)于加快推進(jìn)被動式超低能耗建筑發(fā)展的實(shí)施意見》《關(guān)于落實(shí)被動式超低能耗建筑優(yōu)惠政策工作的通知》等，對被動式超低能耗建筑在用地保障、容積率獎(jiǎng)勵(lì)、商品房提前預(yù)售、備案價(jià)格上浮、減免差別熱費(fèi)、給予財(cái)政補(bǔ)貼等方面提供了多項(xiàng)優(yōu)惠政策[5-6].石家莊住房及城鄉(xiāng)建設(shè)局相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，石家莊竣工被動式超低能耗居住建筑項(xiàng)目8個(gè)，面積51 500 m2；在建被動式超低能耗居住建筑項(xiàng)目36個(gè)，面積2 367 400 m2，被動式超低能耗居住建筑數(shù)量及總面積均居全國領(lǐng)先地位[7].

2 石家莊現(xiàn)行節(jié)能建筑與被動式超低能耗居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差距

(1)設(shè)計(jì)理念不同

目前，石家莊的節(jié)能建筑以集中供熱或空調(diào)作為冬季采暖、夏季制冷的主要方式.被動式超低能耗居住建筑則徹底改變了這種方式，主要依靠被動式設(shè)計(jì)理念和設(shè)施，不是采用集中供熱，而是通過提高建筑物自身的保溫、隔熱、氣密性能，在極端天氣時(shí)才輔以空調(diào)或地源熱泵系統(tǒng)，來獲得健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境.如何達(dá)到不用或少用一次性能源，不采用集中供熱同樣可以具有舒適、健康的居住體驗(yàn)，是被動式低能耗居住建筑要解決的主要問題.

(2)建筑能耗認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)不同

只要按照規(guī)范中規(guī)定的節(jié)能措施進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，即可認(rèn)定現(xiàn)行節(jié)能建筑達(dá)到了節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，而不是以能耗指標(biāo)和節(jié)能效果進(jìn)行判定.被動式低能耗居住建筑設(shè)計(jì)規(guī)范則對建筑物總一次性能源消耗及各分項(xiàng)能源消耗都給出了明確的指標(biāo)，見表1.

表1 被動式超低能耗居住建筑能耗指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[8]15

只有滿足表1所示指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)要求，并經(jīng)過嚴(yán)格測試，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，才能被認(rèn)定為被動式低能耗居住建筑.其建筑能耗、空調(diào)負(fù)荷、能耗需求的計(jì)算方法嚴(yán)謹(jǐn)，能耗標(biāo)準(zhǔn)明確，利用能耗指標(biāo)來評定建筑物的節(jié)能效果.這是現(xiàn)行節(jié)能建筑不能實(shí)現(xiàn)的.

(3)戶內(nèi)空氣品質(zhì)和風(fēng)量要求不同

在被動式低能耗居住建筑設(shè)計(jì)中，不僅對房內(nèi)的新風(fēng)和空氣的品質(zhì)有明確要求，而且對新風(fēng)系統(tǒng)的熱回收效率、運(yùn)行模式也都有明確界定，見表2.

表2 超低能耗居住建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)[8]14

石家莊節(jié)能75%的居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)只是對房間的換氣次數(shù)提出了明確要求，通風(fēng)模式仍以自然通風(fēng)為主，無法調(diào)控空氣品質(zhì)及新風(fēng)量，在供暖和制冷季節(jié)容易造成熱量或冷量的較大損失，不利于建筑節(jié)能.

(4)對施工、運(yùn)行管理的要求不同

石家莊現(xiàn)行節(jié)能建筑設(shè)計(jì)模式大多是以措施促目標(biāo)，缺乏對施工、測試、運(yùn)行管理的明確規(guī)定.而被動式超低能耗居住建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)則對此有明確的規(guī)定，是我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中首個(gè)以節(jié)能效果為目標(biāo)的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).只有通過施工、測試、使用階段的過程控制，使實(shí)際運(yùn)行能耗得到控制，各類指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，方可被認(rèn)定為被動式超低能耗居住建筑.

3 石家莊被動式超低能耗居住建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

與現(xiàn)行節(jié)能建筑相比，被動式超低能耗居住建筑是高舒適度、超低能耗的建筑.高保溫隔熱性能設(shè)計(jì)、高氣密性設(shè)計(jì)、熱交換新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)是關(guān)鍵.

3.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)

被動式超低能耗居住建筑設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)限值，見表3.

表3 兩種建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)比較

由表3可以看出，被動式超低能耗居住建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為現(xiàn)行75%節(jié)能建筑的1/3～1/2.只有大幅度提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能，才可能達(dá)到不用或少用一次性能源就滿足采暖、隔熱需求的目的.目前，主要通過3種途徑來提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能.(1)選擇更高絕熱性能的保溫材料.(2)對建筑物進(jìn)行全方位的保溫處理，在普通建筑外墻和屋面進(jìn)行保溫的基礎(chǔ)上，增加地面保溫措施.(3)進(jìn)行周密的無熱橋設(shè)計(jì).

3.1.1 外墻

傳統(tǒng)的外墻保溫材料為擠塑聚苯板.石家莊的75%節(jié)能建筑中，外墻保溫材料厚度為120 mm.被動式超低能耗居住建筑外墻傳熱系數(shù)為普通75%節(jié)能建筑外墻保溫傳熱系數(shù)的1/3，傳統(tǒng)的聚苯板無法達(dá)到要求.石墨聚苯板(SEPS)導(dǎo)熱系數(shù)約為0.033，比目前廣泛采用的可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)低0.008，其導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率均較低，為B1級難燃材料，其中添加了遇高溫易揮發(fā)的阻燃劑，且含有紅外反射物，防火性能較高.220～250 mm石墨聚苯板為被動式低能耗居住建筑外墻保溫的首選材料.屋頂保溫層不僅要有較好的保溫性能，還要有足夠的抗壓性能，因此主要選擇270 mm厚高容重模塑聚苯板或270 mm厚巖棉板.由于石墨聚苯板的厚度過大，一次鋪貼容易出現(xiàn)粘貼不牢導(dǎo)致的易脫落問題，因此一般外墻保溫采用雙層鋪貼,如圖1所示.

圖1 外墻保溫構(gòu)造做法

3.1.2 外窗

寒冷地區(qū)外窗是建筑能耗較大的構(gòu)件，一般采用三玻兩中空玻璃型材窗.窗框采用未增塑聚氯乙烯塑料、木材等保溫性能較好的材料，現(xiàn)在多采用鋁包木形式，與普通中空玻璃相比，Low-E(低輻射鍍膜玻璃)中空真空玻璃傳熱系數(shù)可降低約2.0 W/(m2K)，因此，可選擇Low-E中空真空玻璃，且膜朝向真空層.為了提高外窗的保溫性能，改善玻璃邊緣的傳熱狀況，在中空玻璃的邊緣應(yīng)采用暖邊間隔條.為達(dá)到連續(xù)不斷的外保溫層效果，所有外窗均為外掛安裝.建筑外墻應(yīng)考慮窗的安裝空間，外墻保溫層應(yīng)覆蓋一部分窗框，以減小窗的安裝熱橋，外窗安裝節(jié)點(diǎn)見圖2.

圖2 外窗安裝節(jié)點(diǎn)詳圖

3.2 無熱橋設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)高保溫性，就需要進(jìn)行周密的無熱橋設(shè)計(jì).熱橋是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳熱能力較強(qiáng)，在采暖時(shí)熱量損失明顯高于其他建筑構(gòu)件的部位，如門窗與外墻接縫處、女兒墻處、陽臺或外飄窗的挑板處、外墻底部、管道穿墻或穿樓板處等.熱橋的存在會使建筑的室內(nèi)構(gòu)件局部溫度過低，從而導(dǎo)致該部位結(jié)露、發(fā)霉，甚至損壞.

無熱橋設(shè)計(jì)的規(guī)則有3方面.第一，避讓規(guī)則.在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備各專業(yè)協(xié)同配合，力求使各類管道不破壞或穿透外圍護(hù)結(jié)構(gòu).第二，擊穿規(guī)則.當(dāng)管線不可避免要穿透外圍護(hù)結(jié)構(gòu)如門窗開洞、空調(diào)進(jìn)風(fēng)口時(shí)，可以在穿透處擴(kuò)大孔洞，以保證有足夠的空間進(jìn)行保溫處理，如出屋面通風(fēng)道的保溫做法見圖3.第三，連接規(guī)則.保溫層是提高建筑構(gòu)件保溫隔熱性能的保障，如屋頂女兒墻的保溫層、地下室樓板及地面的保溫層.

圖3 通風(fēng)道出屋面構(gòu)造做法

3.3 高氣密性設(shè)計(jì)

建筑物氣密性是衡量建筑物門窗在正常關(guān)閉狀態(tài)下，空氣通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透能力的主要指標(biāo).被動式超低能耗居住建筑要求房屋的氣密性達(dá)到n50≤0.6 h-1,即在室內(nèi)外壓差為50 Pa時(shí)，房屋的每小時(shí)換氣次數(shù)≤0.6，但普通節(jié)能建筑對此沒有要求.進(jìn)行高氣密性設(shè)計(jì)和有效的過程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高氣密性構(gòu)造，是被動式超低能耗居住建筑的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和施工要點(diǎn)之一，也是其區(qū)別于普通節(jié)能住宅的獨(dú)有之處[9].

被動式超低能耗居住建筑在我國的發(fā)展時(shí)間較短，氣密性還需進(jìn)一步完善和提高.通過對河北省秦皇島市第一個(gè)被動式超低能耗居住建筑項(xiàng)目“在水一方”的一年使用效果調(diào)研發(fā)現(xiàn)，其門窗局部有漏風(fēng)點(diǎn)，房間隔音、隔熱效果并不理想[10].

3.3.1 氣密層及材料設(shè)計(jì)

在被動區(qū)與非被動區(qū)之間，需設(shè)計(jì)氣密層，并準(zhǔn)確將其繪制在建筑平面圖和剖面圖中.一棟樓可以有一個(gè)完整的氣密層，或者部分樓層有自身完整的氣密層，但要明確氣密空間和非氣密空間的界限.氣密層可以由室內(nèi)連續(xù)的墻面、樓面、頂棚抹灰、防水材料、密封材料構(gòu)成.提前規(guī)劃和設(shè)計(jì)出氣密層及穿過氣密層的構(gòu)件、管線，可以避免氣密層滲漏或中斷.

石家莊某被動式住宅樓，地下2層，地上7層，總建筑面積8 677.21 m2，被動式區(qū)域面積6 437.56 m2.在剖面劃分上，將非采暖地下室作為非被動區(qū)，地上居住及公共交通部分為被動區(qū)，被動區(qū)、非被動區(qū)分隔情況見圖4.由圖4可知，在兩區(qū)域中間交界處，進(jìn)行了完備的氣密性設(shè)計(jì)及保溫設(shè)計(jì).在其平面設(shè)計(jì)圖中，將戶內(nèi)部分及公共交通部分作為被動區(qū)，但為保障戶內(nèi)使用效果，將公共樓梯間單獨(dú)設(shè)區(qū)，采用墻兩側(cè)均設(shè)置保溫層的做法將其與主要功能空間分隔，開口處設(shè)有被動門.

圖4 石家莊某工程被動區(qū)、非被動區(qū)分隔節(jié)點(diǎn)

3.3.2 氣密層節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在門窗洞口處，氣密層容易被打斷.門窗框與外墻連接處應(yīng)采用防水隔汽膜和防水透汽膜組成的防水密封系統(tǒng).室外一側(cè)采用防水透汽膜，室內(nèi)一側(cè)采用防水隔汽膜.由于氣密層的存在，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免穿墻開洞或安裝電線盒等，減少外墻上比較密集的新風(fēng)管道開洞.如果開洞，則要保證所有穿外墻的管道和插座的氣密性構(gòu)造完整.圖5為通風(fēng)管道穿墻節(jié)點(diǎn)，其中的防水隔汽膜、透汽膜加強(qiáng)了氣密層的氣密性.

圖5 通風(fēng)管道穿外墻安裝節(jié)點(diǎn)詳圖

3.4 熱回收新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱回收新風(fēng)系統(tǒng)是普通節(jié)能建筑與被動式超低能耗居住建筑的第二個(gè)極為不同的設(shè)計(jì)策略.熱回收新風(fēng)系統(tǒng)示意圖見圖6.

圖6 熱回收新風(fēng)系統(tǒng)示意圖

通過新風(fēng)系統(tǒng)把室內(nèi)潮濕、渾濁的空氣排出室外，將新鮮空氣送入室內(nèi).冬天，為防止進(jìn)入的新風(fēng)溫度過低，使用熱交換設(shè)備將排出的氣體中所含的熱量傳遞到從室外進(jìn)入的新鮮空氣中；夏季炎熱時(shí)，則反向運(yùn)作.新風(fēng)系統(tǒng)還可以過濾空氣中的花粉、粉塵和PM2.5.在被動式超低能耗居住建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中，新風(fēng)量一般為每人每小時(shí)30 m3；為了避免溫度過高和粉塵燃燒產(chǎn)生異味，新風(fēng)加熱的最高溫度限制在50 ℃，最大熱負(fù)荷為10 W/m2，熱回收效率在75%以上.新風(fēng)系統(tǒng)具有智能控制與顯示功能，可根據(jù)室內(nèi)二氧化碳濃度自動啟停.

被動式超低能耗居住建筑不進(jìn)行集中供熱，盡管房屋的熱損耗特別少，采暖單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)qH≤10 W/m2，空調(diào)單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)qK≤20 W/m2，但是為保障在冬季和夏季的極端天氣中房間的舒適溫度，均設(shè)計(jì)了相應(yīng)的補(bǔ)充供熱制冷方案.石家莊被動式超低能耗居住建筑常采用的供熱制冷系統(tǒng)方案有3種.(1)能源環(huán)境一體機(jī)(空調(diào)新風(fēng)一體機(jī))，需要預(yù)留空調(diào)室內(nèi)、室外機(jī)位置.(2)專用多聯(lián)機(jī)+高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，需要預(yù)留空調(diào)室內(nèi)、室外機(jī)位置.(3)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)(每戶獨(dú)立冷熱源)+高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，需要預(yù)留空調(diào)室內(nèi)、室外機(jī)位置.

4 石家莊發(fā)展被動式超低能耗居住建筑面臨的問題

與普通節(jié)能住宅相比，被動式超低能耗居住建筑在降低能耗，提高住宅舒適度方面有很大的優(yōu)勢，但是在推廣和使用過程中也存在一些問題 .

(1)通過對石家莊已建成被動式超低能耗居住建筑的調(diào)研知，它的造價(jià)比常規(guī)節(jié)能住宅每平米高600～1500元.工程造價(jià)的提高對其迅速發(fā)展和占領(lǐng)市場具有一定的阻力.

(2)高氣密性設(shè)計(jì)與裝修甲醛的排放相矛盾.由于甲醛、TVOC(總揮發(fā)性有機(jī)物)等有害物質(zhì)的釋放具有較長周期，甚至達(dá)到1～3年，高氣密性構(gòu)造與有害物的釋放需要大量通風(fēng)之間就會產(chǎn)生矛盾.

(3)石家莊的被動式超低能耗居住建筑多為毛坯房，業(yè)主要入住就必須進(jìn)行裝修，而裝修勢必對氣密層造成不同程度的破壞，節(jié)能和舒適效果會大打折扣.

5 結(jié)語

大力發(fā)展被動式超低能耗居住建筑，是石家莊應(yīng)對能源危機(jī)的積極舉措，更是改善石家莊能源結(jié)構(gòu)，治理環(huán)境污染，改善空氣質(zhì)量的必然選擇.被動式超低能耗居住建筑在石家莊獲得了有力的政策支持，也取得了在建面積和竣工面積在全國領(lǐng)先的成就，對降低住宅能耗，提高住宅的舒適度具有引領(lǐng)作用和現(xiàn)實(shí)意義；同時(shí)也帶動了配套建筑材料及產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)，推動了建筑施工及檢測新技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了被動式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈的提升，為全面實(shí)現(xiàn)河北省乃至全國被動式超低能耗居住建筑的高質(zhì)量發(fā)展提供了有力支撐.但也面臨著一些挑戰(zhàn)，需要更多的政策支持和更細(xì)致深入的研究與實(shí)踐.