淺析綠色建筑運維階段節(jié)能減排技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用

宋 勇

(煙臺飛龍集團有限公司,山東煙臺 264000)

1 國外發(fā)展情況

被動房首先在德國興起，被稱為“被動房之父”的菲斯特于1991 年在德國達姆施塔特建成世界上第一座被動式房屋。德國被動房[1]是指僅利用高效保溫隔熱、太陽能、建筑內(nèi)部得熱等被動技術(shù)和帶有余熱回收的新風(fēng)裝置,而不使用主動采暖設(shè)備、實現(xiàn)建筑全年達ISO7730 規(guī)范要求的室內(nèi)舒適溫度范圍的建筑。被動房舒適度核心指標包括:室內(nèi)溫度20～25 ℃;圍合房間各面的表面溫度不低于室內(nèi)溫度3 ℃;空氣相對濕度:30%～60%;室內(nèi)空氣流速小于0.15 m/s; 建筑內(nèi)墻嚴禁出現(xiàn)任何潮濕結(jié)露現(xiàn)象。

德國的住宅主要可以分為3 類：低能耗建筑、超低能耗建筑和近零能耗建筑，并且德國要實現(xiàn)2021 年起新建建筑達到近零能耗，2050 年所有存量建筑成為近零能耗的目標。

2 國內(nèi)發(fā)展情況

在國家雙碳目標的號召下，整個社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，根據(jù)相關(guān)研究，我國建筑業(yè)全壽命周期碳排放總量占全社會碳排放總量的一半左右，而建筑使用階段的碳排放量占建筑行業(yè)排放總量的70%～80%[2]。鑒于此，全國各地的建筑業(yè)于十四五期間掀起了被動房、超低能耗建筑的熱浪。其中，河北省因工業(yè)發(fā)達，空氣質(zhì)量差，被動房、超低能耗建筑發(fā)展最為迅猛。2019 年，河北省高碑店市成功舉辦了第23 屆世界被動房大會?，F(xiàn)河北省最大的被動房社區(qū)已超過100 萬m2，綠色建筑發(fā)展走在全國前列。

2014 年，山東建筑大學(xué)綠色教學(xué)實驗室、青島中德生態(tài)園被動房示范小區(qū)、濟南漢峪海風(fēng)二期被動式住宅區(qū)等工程相繼竣工。而煙臺至今仍沒有超低能耗示范建筑，在借鑒河北省比較成熟的節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合煙臺的地區(qū)氣候特征，以煙臺飛龍創(chuàng)新研發(fā)中心工程為例，闡述對比分析現(xiàn)階段綠色建筑運維階段的節(jié)能減排技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用。

3 建筑物運維階段耗能的主要因素

（1） 按照國家現(xiàn)行標準《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB50176 的規(guī)定：煙臺屬于寒冷A 區(qū)，須滿足冬季保溫要求兼顧夏季防熱。因此，冬季取暖和夏季制冷將是建筑運維階段耗能占比很大的兩個部分。根據(jù)研究[3]，北京地區(qū)采暖能耗＞照明能耗＞其他設(shè)備能耗＞空調(diào)能耗，占比大小分別為38.44%、23.56%、19.48%、18.52%。

（2） 主體外維護結(jié)構(gòu)做法和保溫材料的選用以及窗墻面積比都對建筑耗能產(chǎn)生影響。從不利方面講，窗戶可造成夏季空調(diào)、冬季采暖時室內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱量損失；從有利方面講，冬季可通過窗戶增加室內(nèi)太陽輻射得熱。

（3） 設(shè)備因素：建筑內(nèi)的主要耗能設(shè)備有采暖制冷設(shè)備、照明設(shè)備和提供熱水設(shè)備等。合理的使用高效熱回收裝置的節(jié)能型設(shè)備將大大降低建筑物運維階段的耗能水平。

（4） 因地制宜地利用可再生能源，如太陽能、空氣能等取之不盡且無污染的清潔能源能夠補給建筑物的耗能需求。

4 本工程主要采取的節(jié)能減排技術(shù)措施

4.1 工程概況

煙臺飛龍創(chuàng)新研發(fā)中心位于山東省煙臺萊山區(qū)飛龍路1 號，屬多層公共建筑，總建筑面積為16 605.89 m2；其中地上五層，功能為辦公，建筑面積10 860.29 m2；地下一層，功能為車庫及設(shè)備用房，建筑面積5 745.60 m2；建筑高度23.95 m，建筑結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。

4.2 氣密性的設(shè)計

良好的氣密性可以減少建筑物冬季冷風(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，提高室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。超低能耗建筑要求建筑物具有良好的氣密性，氣密性的保障應(yīng)貫穿整個建筑設(shè)計、材料選擇以及施工等各個環(huán)節(jié)。它是砌體、保溫、門窗、通風(fēng)共同作用的結(jié)果。包括氣密層設(shè)計、熱橋設(shè)計、墻體保溫設(shè)計、低能耗門窗設(shè)計以及自然通風(fēng)和遮陽設(shè)計。

氣密層應(yīng)連續(xù)不間斷，并采取以下措施保證。

（1） 嚴控砌體砌筑質(zhì)量，砌筑時保證墻面平整，砂漿飽滿度不低于90%。

（2） 外墻內(nèi)表面抹杰層應(yīng)連續(xù)不間斷，厚度不小于20 mm,并應(yīng)采取鋪設(shè)耐堿玻纖網(wǎng)格布、掛鋼絲網(wǎng)等防空鼓、裂縫措施。

（3） 混凝土墻體上對拉螺栓的孔洞應(yīng)采用中間聚氨酯發(fā)泡、兩端膨脹水泥封堵的氣密做法。

（4） 風(fēng)井、管井等；電氣開關(guān)、線盒、箱等穿氣密層時，應(yīng)采用防火密封封堵。

4.3 無熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

熱橋是指處在外維護墻體或屋面等結(jié)構(gòu)部位中的鋼筋混凝土或金屬梁、柱、板等。因這些部位傳熱能力強，熱流較密集，內(nèi)表面溫度較低，故稱為熱橋。

（1） 本工程采用瑞士Infomind Ltd 公司研發(fā)的flixo 軟件對本工程熱橋部位進行模擬優(yōu)化分析，采取熱橋處理措施，保證熱橋部位內(nèi)表面溫度，降低熱橋引起的熱損失。鋼筋混凝土柱部位的熱橋處理措施見圖1。

圖1 鋼筋混凝土柱熱橋處理措施

（2） 其他部位，如懸挑雨棚梁和預(yù)埋件會穿過保溫層，破壞建筑物整體氣密性，本工程采取高強度硬質(zhì)聚氨酯墊塊隔斷熱橋的傳導(dǎo)路徑，其結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計見圖2。

圖2 懸挑雨篷梁結(jié)構(gòu)節(jié)點詳圖

4.4 墻體保溫設(shè)計

據(jù)研究[4]，維護結(jié)構(gòu)對建筑能耗的平均敏感度排序為外窗傳熱系數(shù)＞外窗遮陽系數(shù)＞外墻傳熱系數(shù)＞屋頂傳熱系數(shù)。傳統(tǒng)建筑設(shè)計的保溫通常按保溫材料與維護墻體結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系分為外保溫、內(nèi)保溫和夾芯保溫3種方式，外保溫將保溫材料貼于維護結(jié)構(gòu)外側(cè)，緩沖了維護結(jié)構(gòu)因受外界氣候變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的應(yīng)力，還可加強建筑熱橋的保溫隔熱設(shè)計效果，保護了結(jié)構(gòu)梁、柱和樓板，提高了主體結(jié)構(gòu)的耐久性，因而特別受設(shè)計者的青睞，超低能耗建筑通常也采用外保溫的形式。

（1） 優(yōu)選外墻保溫材料：非超低能耗建筑目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的當(dāng)數(shù)EPS（模塑聚苯板）薄抹杰體系，但因模塑聚苯板耐候性差、強度低的特點，已發(fā)生外墻保溫大面積脫落的工程案例。超低能耗建筑通常選用石墨聚苯板，它是一種綠色環(huán)保型保溫材料，其具有鏡面反射太陽光輻射的優(yōu)點，還有質(zhì)量輕、透氣性好，既能防雨水滲透又能讓墻體中的潮氣出去的特性；在大氣中，可以較長時間的不老化、不分解。石墨聚苯板與EPS 模塑聚苯板的性能參數(shù)對比見表1。

表1 石墨聚苯板與EPS 模塑聚苯板的性能參數(shù)對比

本工程采用240 厚石墨聚苯板，雙層錯縫粘貼，斷熱橋錨栓錨固的做法,每樓層設(shè)有承托支架，外墻的平均傳熱系數(shù)可達K=0.16 W/(m2·K）。

（2） 非供暖地下室頂板采用在結(jié)構(gòu)板上表面設(shè)置80 mm 厚擠塑聚苯板（燃燒性能等級B1 級），結(jié)構(gòu)板下表面設(shè)置100 mm 厚巖棉板（燃燒性能等級A 級）。并且在高于室外地坪+500 mm 以下部分的外墻保溫采用防水、耐腐蝕、耐凍融性能較好的擠塑聚苯板，且應(yīng)從地上外墻連續(xù)粘貼至地下室外墻，并向下延伸至凍土層以下。

（3） 屋面保溫材料采用240 mm 厚高容重石墨聚苯板（燃燒性能等級B1 級），采用聚氨酯膠雙層錯縫粘接，并在女兒墻周圈設(shè)置500 mm 寬巖棉防火隔離帶（復(fù)合巖棉板，燃燒性能等級A級）。

（4） 經(jīng)計算在上述外圍護設(shè)計參數(shù)下，冬季外墻內(nèi)表面溫度為19.52 ℃，屋面內(nèi)表面溫度為19.58 ℃，均滿足超低能耗建筑對室內(nèi)環(huán)境的要求。

4.5 優(yōu)選低能耗的門窗——FL 全隔熱鋁合金超低能耗系統(tǒng)窗

（1） 對框體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，減小框體傳熱面積，降低熱量的傳導(dǎo)、對流和輻射。鋁型材的傳熱系數(shù)約為160 W/(m·K)，而隔熱條材質(zhì)采用尼龍66+25%玻璃纖維，傳熱系數(shù)僅為0.3 W/(m·K)，兩者相差約530 多倍。隔熱條寬度由原來24 mm 增加至54 mm，隔熱條的寬度增加有效阻止了型材快速熱傳導(dǎo)。

（2） 根據(jù)熱量傳遞的對流特性，在型材結(jié)構(gòu)中較大的腔體內(nèi)易形成對流從而造成熱量的流失。FL系統(tǒng)窗在鋁材腔室內(nèi)填充B1 級保溫材料，保證在該區(qū)域內(nèi)不會造成熱量損失。

（3） 采用(5Low-e+18Ar+5Low-e+18Ar+5Low-e)mm厚+暖邊條中空玻璃設(shè)計，避免玻璃內(nèi)外側(cè)溫差過大造成結(jié)露現(xiàn)象，增加保溫、隔音效果。

經(jīng)國家建筑材料檢測中心檢測，F(xiàn)L 全隔熱鋁合金超低能耗系統(tǒng)窗較普通門窗:a 保溫性能K:0.99 W（m2·K），為普通隔熱鋁合金窗保溫性能的2 倍，節(jié)能90%以上。b.抗風(fēng)壓性能為5 級別，提高25%。c.隔音：31 db。

4.6 自然通風(fēng)及活動遮陽設(shè)計

（1） 煙臺地區(qū)空氣質(zhì)量優(yōu)良，過渡季節(jié)和夏季溫度適宜的夜間，可采用自然通風(fēng)方式，根據(jù)需要手動開啟外窗進行自然通風(fēng)。

（2） 本工程設(shè)有中庭，中庭屋頂天窗設(shè)電動控制活動外遮陽。

（3） 工程南立面和東立面根據(jù)煙臺地區(qū)太陽直射的角度設(shè)有活動遮陽板。

圖3 屋頂、墻面活動遮陽板位置圖

4.7 其他措施

除上述技術(shù)措施外，還優(yōu)選了智能照明控制系統(tǒng)，選擇高效節(jié)能光源和燈具，并選擇LED 光源。

5 可再生能源的綜合利用可補給建筑物的能耗需求

可再生能源直接利用能源轉(zhuǎn)化，對環(huán)境污染少，無運動部件，噪音小，適合在建筑物上使用。

（1） 采用太陽能光伏發(fā)電，太陽能熱水系統(tǒng)：本工程太陽能光伏板約年發(fā)電5×104kWh，相當(dāng)于年節(jié)約了2×104kg標準煤，相當(dāng)于年減少污染排放1.36×104kg碳粉塵、4.985×104kg 二氧化碳（CO2）、0.15×104kg二氧化硫（SO2）、0.075×104kg氮氧化物（NOX）。

（2） 采用低溫空氣源熱泵機組（變頻）作為冷熱源，機組置于屋面，水泵置于屋頂機房內(nèi)；機組應(yīng)滿足額定出水溫度35 ℃時綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV (H)≥3.40，額定出水溫度41 ℃時綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV(H)≥3.00，額定出水溫度55℃時綜合部分負荷性能系數(shù)IPLV (H)≥2.10，且COP-12 ℃不低于2.30，COP-20 ℃不低于1.80。

（3） 設(shè)置帶有高效熱回收裝置的新風(fēng)系統(tǒng)，本工程空調(diào)區(qū)各房間均設(shè)高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，二至五層每層設(shè)新風(fēng)機房，內(nèi)部設(shè)置高效熱回收機組。主要房間的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)宜采用全熱回收裝置；全熱回收裝置的全熱交換效率≥70%，顯熱熱回收裝置的顯熱交換效率≥75%。

6 工程預(yù)期節(jié)能效果

通過對本工程進行高效保溫隔熱的圍護結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)設(shè)計、熱橋處理節(jié)點設(shè)計以及氣密性和活動遮陽裝置的設(shè)計，并采用高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)后，建筑能耗綜合值為83.33 kWh/(m2·a)，基準建筑的建筑能耗綜合值為203.42 kWh/(m2·a)，建筑綜合節(jié)能率59.04%，建筑本體節(jié)能率55.19%。滿足《近零能耗建筑技術(shù)標準》GB/T 51350-2019 中5.0.4 的要求。

總之，隨著業(yè)內(nèi)不斷研究開發(fā)超低能耗建筑運維階段的節(jié)能減排技術(shù)措施，綠色建筑運維階段的能耗大幅度下降。但同時，我們?yōu)榱私档瓦\維階段的能耗，在建造過程中也增加了材料的用量，因而增大了材料生產(chǎn)和運輸?shù)哪芎摹Ｒ虼宋覀儾粌H要研究建筑物運維階段的節(jié)能減排技術(shù)措施，還要綜合考慮建筑物化階段（原材料生產(chǎn)、運輸、建造）以及拆除階段的節(jié)能減排技術(shù)措施。著眼于建筑物全壽命周期內(nèi)的能耗，選擇綠色低碳的建筑材料，從建筑結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，減少材料用量，降低運輸距離，優(yōu)先采用當(dāng)?shù)氐慕ㄖ牧?。根?jù)研究數(shù)據(jù)[5]，鋼結(jié)構(gòu)建筑全壽命周期的碳排放總量比現(xiàn)澆鋼筋混凝土建筑全壽命周期的碳排放總量約低7%～10%。鋼結(jié)構(gòu)可重復(fù)利用，更符合綠色發(fā)展，未來的我們更要研究鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑的全壽命周期節(jié)能減排技術(shù)措施。