寒冷地區(qū)超低能耗公共建筑項目實踐分析

文_蔡倩 張金花 崔婧瑞

1 北京中建建筑科學(xué)研究院有限公司 2 中國建筑一局（集團）有限公司

1 項目概況

本文介紹的項目為北京市超低能耗公共建筑示范項目，該項目的建筑面積13460.60m2，地上層數(shù)為6層，地下2層，檐高29.1m。建筑外表面積11152.74m2，體積65609.65m3，建筑體型系數(shù)S=0.17，結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。該項目的用途為辦公樓和部分實驗室，外立面為幕墻體系。

2 設(shè)計思路

項目的設(shè)計首先應(yīng)在滿足建筑基本功能以及美觀外形設(shè)計、體型系數(shù)、結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上，再從節(jié)能減碳角度確定相應(yīng)的建筑能效、室內(nèi)環(huán)境等指標(biāo)要求，指標(biāo)要求以滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為前提，結(jié)合當(dāng)?shù)氐胤较嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求以及特定的示范項目或獎勵辦法的特殊要求，綜合協(xié)調(diào)從嚴(yán)制定超低能耗建筑項目的能效指標(biāo)和室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)要求，作為項目的設(shè)計目標(biāo)。本文介紹的超低能耗公共建筑項目首先應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB51350《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，并且作為北京市超低能耗建筑示范項目，本項目在設(shè)計階段根據(jù)北京市超低能耗建筑示范工程（公共建筑）的要求，相比國家標(biāo)準(zhǔn)，北京市對超低能耗建筑示范項目（公共建筑）的指標(biāo)要求更高，且還實行雙指標(biāo)要求即建筑能耗指標(biāo)及關(guān)鍵部品性能參數(shù)要求。

在確定好建筑能效指標(biāo)、氣密性指標(biāo)以及關(guān)鍵部品性能參數(shù)指標(biāo)后，首先依據(jù)關(guān)鍵部品性能參數(shù)結(jié)合建筑防火及當(dāng)?shù)卣咭?，?yōu)先選用市面上能夠采購到的符合性能要求的材料，根據(jù)材料參數(shù)計算材料部品的尺寸及性能參數(shù)，從而初步制定圍護結(jié)構(gòu)各熱工性能參數(shù)。為確保最終設(shè)計方案能夠滿足建筑能耗要求，需要采用建筑能耗模擬計算軟件，對圍護結(jié)構(gòu)熱工性能初設(shè)參數(shù)進行試算，并在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下調(diào)節(jié)符合能效指標(biāo)要求。本項目首先依據(jù)北京市超低能耗公共建筑示范項目對于圍護結(jié)構(gòu)、新風(fēng)系統(tǒng)等關(guān)鍵部品的性能要求進行初設(shè)，再通過建筑能耗模擬軟件對建筑的初設(shè)參數(shù)進行初步驗證并微調(diào)，以獲得既能滿足北京市示范項目要求又能達到建筑能效指標(biāo)要求的性能參數(shù)（見表1和表2所示），形成項目的設(shè)計方案。

表1 不同的指標(biāo)要求

表2 超低能耗公共建筑關(guān)鍵部品性能參數(shù)

3 主要應(yīng)用技術(shù)

3.1 非透明圍護結(jié)構(gòu)的高性能保溫措施

本項目為公共建筑，且其外飾面為幕墻體系，結(jié)合GB50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》：“建筑高度大于24m時，保溫材料的燃燒性能應(yīng)為A級”的規(guī)定。本項目的檐高29.1m，因此采用A級保溫材料。A級保溫材料中巖棉的使用較為成熟且廣泛，巖棉又分巖棉條和巖棉板。其中，巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)較低為0.040W/（m2·K），為了達到外墻傳熱系數(shù)0.22W/（m2·K）的要求，則需要采用共200mm厚的巖棉板，而單層巖棉板不易做到200mm厚，因此本項目采用100mm+100mm雙層巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，以錨為主，粘錨結(jié)合。巖棉板上墻前在底層和面層都涂刷界面劑以保證粘接強度且有利于施工，待界面劑表干后、實干前用抹子在保溫板上涂抹膠粘劑，第一層巖棉板與基層墻體之間的粘貼方式為點框法，第二層使用條粘法。保溫層粘貼，水平順序進行。先從墻拐角（陽角）處粘貼，使其粘貼時應(yīng)上下接縫垂直交錯連接。整塊墻面的邊角處用短邊尺寸不小于300mm的保溫板。錨栓安裝在巖棉保溫板粘貼24h后進行，錨栓數(shù)量每m2不少于6個，錨栓按設(shè)計數(shù)量均勻分布，呈梅花型布置。錨栓壓盤應(yīng)緊壓保溫板，錨釘長度小于錨栓套管，套管用發(fā)泡聚氨酯填滿以隔絕金屬錨釘與外界空氣間的熱橋效應(yīng)。外飾面的幕墻體系與保溫板間有空腔，為防止巖棉受潮在巖棉板外側(cè)鋪設(shè)防水透汽膜，自下至上鋪貼，順?biāo)罱?，上下搭?5cm，左右搭接10cm，將防水透汽膜與巖棉板用錨栓固定，固定處的錨栓用丁基膠帶密封，密封處面積大小以丁基膠帶將錨栓盤完全覆蓋為標(biāo)準(zhǔn)，施工中盡量避免在防水透汽膜上穿透和開口，盡量保證防水透汽膜的完整性，從而提高了建筑外墻部分的整體氣密性。

屋面考慮到其抗壓強高和吸水率低的要求，選擇250mm厚的擠塑聚苯板作為保溫材料，傳熱系數(shù)為0.15W/（m2·K）。屋面保溫施工前，穿過屋面結(jié)構(gòu)層的管道、預(yù)埋件等已采用斷熱橋和氣密性措施安裝完成并通過驗收。先用水泥砂漿找坡找平，再使用冷底子油作為界面劑，而后粘貼2.5mm厚耐堿鋁箔面層自粘性改性瀝青防水隔汽卷材，其上表面是一層耐堿、耐腐蝕的鋁膜，下表面為可撕去的自粘膠保護隔離膜，隔汽膜可以有效地隔絕室內(nèi)和結(jié)構(gòu)層的水汽進入到保溫層。隔汽膜上側(cè)雙層保溫層施工采用干式施工，保溫層與保溫層之間用PU膠粘接，板間縫隙不得大于2mm，板間縫隙大于2mm時，應(yīng)用保溫條將縫塞滿，板間高差大于5mm的部位打磨平整。保溫層上側(cè)設(shè)置3mm+4mm厚雙層SBS改性瀝青防水卷材，底層防水卷材為自粘型，而上層防水卷材采用熱熔方式安裝可以更好地形成完整密閉的防水層。防水層延續(xù)到女兒墻頂部蓋板內(nèi)，使保溫層得到可靠保護。

3.2 高隔熱氣密性的外窗

被動式外窗的關(guān)鍵選型參數(shù)是傳熱系數(shù)、太陽得熱系數(shù)(SHGC)以及氣密性等級。依據(jù)本項目的設(shè)計要求，本項目的外窗采用斷橋鋁合金5單銀Low-E+16Ar（中空）+5單銀Low-E+0.2V（真空）+5鋼化暖邊玻璃，幕墻采用斷橋鋁合金6單銀Low-E+16Ar（中空）+6單銀Low-E+0.2V（真空）+6鋼化暖邊玻璃，天窗采用斷熱橋鋁合金框材、8單銀Low-E+12Ar暖邊+6單銀Low-E+12Ar暖邊+6+1.52PVB+6mm超白雙中空夾膠玻璃，外窗、幕墻和天窗傳熱系數(shù)均不大于0.9W/(m2·K)。

被動式外窗的安裝方式一般分為內(nèi)嵌式安裝和外掛式安裝方式，其中外掛式安裝方式的安裝熱橋最低，因此本項目外窗采用外掛式安裝，窗框內(nèi)表面與基層墻體外表面齊平，門窗位于外墻外保溫層內(nèi)。外掛式固定連接件相鄰距離不大于500mm，位于角部的連接件與角部的距離不大于150mm，且每側(cè)連接件與外窗之間設(shè)置厚度不小于5mm保溫隔熱墊片作阻斷熱橋的處理措施，外門窗外表面與基層墻體聯(lián)結(jié)處粘貼防水選汽材料，門窗內(nèi)表面與基層墻體聯(lián)結(jié)處粘貼防水隔氣材料。外門窗安裝方式采用外掛式安裝。防水隔汽膜采用“L”字型粘貼方式，在外窗固定在連接件上后，再將防水隔汽膜粘貼在與墻體洞口的搭接處。粘貼前將粘貼面清潔干凈，窗框與墻體間的縫隙填充發(fā)泡聚氨酯，之后粘貼防水隔汽膜。防水隔汽膜的總寬度為100mm，與框粘接寬度不小于20mm，與墻體的粘接寬度不小于60mm；防水隔汽膜的接頭處搭接寬度均不小于100mm。另外外窗還設(shè)置豎向固定百葉，百葉間距800mm，綜合遮陽系數(shù)為0.70，并且緊鄰?fù)獯霸O(shè)置電動遮陽外百葉，電動百葉遮陽系數(shù)0.28～1.0，中庭天窗在室內(nèi)側(cè)設(shè)置電動活動遮陽簾。

3.3 無熱橋節(jié)點處理

無熱橋處理遵循避讓規(guī)則、擊穿規(guī)則、連接規(guī)則和幾何規(guī)則。針對項目熱橋產(chǎn)生的節(jié)點特點，如保溫層連接部位、外窗與結(jié)構(gòu)墻體連接部位、管道等穿墻或屋面部位以及遮陽裝置等部位，靈活采用上述規(guī)則進行節(jié)點處理。①保溫板固定采用斷熱橋錨栓；②外窗采用外掛式安裝，與外墻平齊安裝，窗框和托架之間增加隔熱墊塊；③幕墻龍骨與墻體預(yù)埋件之間增加隔熱墊塊；④活動外遮陽、固定豎向鋁板的連接件與基層墻體之間設(shè)置保溫隔熱墊片；⑤所有穿外墻和屋面的水管、線管、新風(fēng)管等都進行斷熱橋處理，首先將管道臨時固定于墻體預(yù)留孔洞或套管內(nèi)，管道應(yīng)位于孔洞中央，管道與孔洞或套管間填充保溫材料；⑥巖棉板、擠塑聚苯板雙層鋪設(shè)時，分層錯縫鋪貼；⑦屋面設(shè)備基礎(chǔ)保溫與屋面連續(xù)保溫，連接件出挑位置加不少于5mm隔熱墊塊，降低熱橋影響，并且太陽能集熱器基礎(chǔ)不在屋頂結(jié)構(gòu)層生根，不破壞屋頂保溫層；⑧地下室頂板保溫層沿墻體往下延伸1m，降低熱橋?qū)δ芎牡挠绊憽?/p>

3.4 高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)

本項目辦公區(qū)域采用兩管制主動式冷梁加新風(fēng)系統(tǒng)。屋頂設(shè)集中轉(zhuǎn)輪式全熱回收機組提供一次新風(fēng)，機組全熱回收效率不小于60%。各層新風(fēng)機房另設(shè)二級新風(fēng)機組，對送風(fēng)進行冷熱加濕再熱等處理后，接至末端冷梁設(shè)備，末端風(fēng)管上設(shè)置定風(fēng)量閥。新風(fēng)機組風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)滿足8m2/人、30m2/（h·人）的使用需求。新風(fēng)機組除提供空調(diào)新風(fēng)滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)外，還負(fù)責(zé)擔(dān)負(fù)辦公區(qū)的濕負(fù)荷控制。

實驗室基礎(chǔ)新風(fēng)系統(tǒng)與其它各層辦公的新風(fēng)系統(tǒng)合用。屋頂設(shè)集中轉(zhuǎn)輪式全熱回收機組提供一次新風(fēng)，機組全熱回收效率不小于70%。一層新風(fēng)機房另設(shè)二級新風(fēng)機組，對送風(fēng)進行冷熱加濕等處理后，送至各房間。新風(fēng)機組風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)滿足10m2/人、44m2/（h·人）的使用需求。

3.5 精細的氣密性措施

氣密層應(yīng)連續(xù)并包圍整個外圍護結(jié)構(gòu)，一般氣密層位于外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，并應(yīng)選擇專業(yè)的氣密性材料對圍護結(jié)構(gòu)滲漏部位進行封堵形成完整氣密層，對于外門窗等產(chǎn)品本身也須達到相應(yīng)的氣密性等級，如選用高氣密性外門窗，外窗氣密性能達到GB/T31433-2015《建筑幕墻、門窗通用技術(shù)條件》的8級，玻璃幕墻氣密性達到該標(biāo)準(zhǔn)的4級，超低能耗與非超低能耗區(qū)的分界門及外圍護門均采用被動式密閉門（個別門根據(jù)防火分區(qū)要求同時需具備相應(yīng)等級的防火功能），其氣密性等級不應(yīng)低于8級。對于外墻輕質(zhì)砌塊墻體部分需采用抗裂砂漿進行抹灰，抹灰厚度不小于15mm。對于穿圍護結(jié)構(gòu)管道、外門窗等與墻體間的縫隙則在室內(nèi)側(cè)粘貼防水隔汽膜，室外側(cè)粘貼防水透汽膜。

3.6 可再生能源應(yīng)用

本項目實驗室部分設(shè)計有集中生活熱水系統(tǒng)，其熱源由太陽能系統(tǒng)提供，用于自行車通勤員工的淋浴用水及食堂廚房用熱水。太陽能集熱器擺放在樓頂，保溫水箱、循環(huán)水泵等設(shè)備放置在地下室一層的熱水機房內(nèi)。太陽能供水系統(tǒng)只循環(huán)不增壓。當(dāng)太陽能熱源熱量不足時，冬季由市政熱力供熱，夏季由地源熱泵余熱供熱。

采用地源熱泵系統(tǒng)作為冷熱源，以滿足地塊可再生能源利用的要求，同時利于降低建筑能耗。地埋管換熱器共計鉆井?dāng)?shù)量250口，井深110m，鉆孔直徑為180mm，埋管型式為雙U垂直式，埋管間距為3500～4000mm，將所有的井分為2個區(qū)域。共設(shè)置2組分集水器，放置在3個檢查井里。地埋管系統(tǒng)埋地水平干管采用直埋敷設(shè)，最上層埋管頂部應(yīng)在凍土層以下0.4m，且距離地面1.8m，避開其他管線。地源熱泵系統(tǒng)夏季冷凍水提供兩種水溫，低溫冷凍水供回水溫度為7/13℃，主要用于實驗區(qū)空調(diào)，及科研辦公區(qū)的濕負(fù)荷控制；高溫冷凍水設(shè)計溫度16/19℃，用于2～6層科研辦公區(qū)的冷梁系統(tǒng)，負(fù)擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。按照負(fù)荷計算，考慮到生活熱水負(fù)荷需求，夏季向土壤的散熱仍大于冬季供暖吸取的熱量，因此在系統(tǒng)中設(shè)置冷卻塔以平衡冬夏負(fù)荷的不均。

4 氣密性測試

氣密性測試是指通過鼓風(fēng)門試驗測得在室內(nèi)外壓差50Pa的條件下建筑每小時的換氣次數(shù)。氣密性檢測前，建筑物圍護結(jié)構(gòu)包括所有穿墻洞口、門窗應(yīng)已完工，且所有氣密性措施應(yīng)已完成，對本項目的氣密性措施進行全數(shù)檢查，如對外窗氣密性、外圍護結(jié)構(gòu)上所有氣密性處理措施進行檢查。對所有與室外聯(lián)通的管道開口進行臨時封閉措施，如對屋頂抽油煙機排風(fēng)口進行臨時性封堵，關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)的進風(fēng)口和出風(fēng)口的閥門，地漏等部位進行水封等。該項目于2021年9月依據(jù)GB/T34010-2017《建筑物氣密性測定方法 風(fēng)扇壓力法》對項目進行氣密性檢測，檢測結(jié)果為在正負(fù)壓差50Pa時建筑換氣次數(shù)為0.55次/h，達到北京市超低能耗建筑示范項目建筑換氣次數(shù)0.6次/h的要求。

5 能耗計算

在建筑能耗方面，采用能耗模擬軟件驗算該項目能耗為供暖需求為20.08kWh/(m2·a)，供冷需求為18.89kWh/(m2·a)，總的一次能耗為7.04 kgce/(m2·a)，該項目供暖、制冷和照明的總能耗在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上降低62.93%，滿足北京市超低能耗建筑示范項目的要求。

6 結(jié)語

本文以某超低能耗公共建筑示范項目實際案例為背景，依據(jù)項目設(shè)計參數(shù)，結(jié)合項目特點及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，采取適宜的圍護結(jié)構(gòu)保溫做法、外窗安裝方式、斷熱橋措施、氣密性措施、高效全熱型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)及可再生能源利用技術(shù)等。該項目已通過氣密性測試及示范項目驗收具有較強的示范意義。本文正是通過該項目展現(xiàn)超低能耗建筑的設(shè)計思路及技術(shù)路線，以期助力超低能耗建筑項目實現(xiàn)規(guī)?；耐茝V應(yīng)用。