嚴寒地區(qū)裝配式EPS模塊被動房

題圖：歐洲最大的被動房項目—海德堡列車新城   資料來源：盧求攝

01 項目背景及概況

裝配式建造和近零能耗建筑是中國建筑行業(yè)最受關注的兩個話題，在嚴寒地區(qū)建造近零能耗建筑（被動房）是一個不小的挑戰(zhàn)。五合國際的專家團隊參與了住建部2015年《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》和2019年國家標準《近零能耗建筑技術標準》的編制、以及部分近零能耗建筑的設計實踐工作。

本項目所在地哈爾濱市地處嚴寒氣候區(qū)，冬季室外溫度可達攝氏零下30多度，在這樣的氣候環(huán)境下建造被動房難度較大，項目采用裝配式EPS模塊混凝土結(jié)構(gòu)和一系列節(jié)能技術措施以提高近零能耗建筑（被動房）在嚴寒地區(qū)的可行性。本文專業(yè)性較強，建筑學專業(yè)的小伙伴們想讀懂這篇文章也是一個小挑戰(zhàn)。

建設被動式超低能耗建筑對于降低建筑能耗，構(gòu)建低碳社區(qū)，有著重要意義，哈爾濱市屬于嚴寒地區(qū)比較有代表性的城市，冬季采暖期近六個月，常規(guī)建筑的采暖能耗較高。如僅依靠被動式的保溫手段，降低采暖措施的容量與使用強度，室內(nèi)環(huán)境的舒適度會受到挑戰(zhàn)。

以裝配式建筑為代表的建筑工業(yè)化是以低碳可持續(xù)為導向的一次建筑產(chǎn)業(yè)升級。它既可以大幅提升建筑質(zhì)量，包括建筑的安全性、耐久性都會有很大的提高；還可以減少資源浪費和對周邊環(huán)境的影響。隨著建筑工業(yè)化水平逐步提高，裝配式建筑也在逐步向高品質(zhì)、近零能耗建筑發(fā)展，我們完全可以在這種建筑身上附加更多的功能和價值，以適應我們國家新型城鎮(zhèn)化、新農(nóng)村建設的需求。

本項目嘗試采用裝配式EPS模塊混凝土結(jié)構(gòu)技術在嚴寒區(qū)域建設被動式建筑，通過實際項目的建設，為嚴寒地區(qū)被動式建筑的設計建造提供一定的思路和經(jīng)驗。

本項目位于哈爾濱市，屬于嚴寒地區(qū)，五合國際負責該項目近零能耗（被動房）技術設計咨詢工作。圖1.1為項目規(guī)劃總圖，圖1.3~圖1.4為建筑方案設計平面圖。

半地下室為庫房，地上一層有中西餐廳、廚房、服務員用房等空間，二層和三層為健身房、客房和客廳。總建筑面積593.84㎡（使用面積528㎡） ，其中半地下室面積為150.05㎡，地上面積為443.79㎡。

圖1.1   項目總規(guī)劃平面圖

圖1.2   被動房展示項目效果圖

圖1.3   首層平面圖

圖1.4 二層平面圖

02 設計標準和室內(nèi)參數(shù)

本項目被動房設計所采用的標準滿足2019年1月頒布的《近零能耗建筑技術標準》和住建部2015年頒布的《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》的要求，即嚴寒地區(qū)建筑的年供暖能耗指標要求為≤18kwh/㎡a；年供暖、供冷和照明一次能耗消耗量要求為≤55kwh/㎡a。房屋氣密性指標為n50≤0.6次。

①室內(nèi)溫度：20~26℃，夏季開窗自然通風時，室內(nèi)溫度≤28℃；

②室內(nèi)相對濕度≤60%，夏季開窗自然通風時，室內(nèi)相對濕度≤70%；

③新風量≥30m3/(h·人)；

④全年室內(nèi)溫度高于28℃的小時數(shù)占全年時間的比例≤10%；全年室內(nèi)溫度低于20℃的小時數(shù)占全年時間的比例≤10%。

03 項目所采用的技術系統(tǒng)

為了提高本項目的工程建設質(zhì)量，做到外保溫與建筑同壽命，本項目外墻體系采用了保溫與結(jié)構(gòu)一體化的被動式低能耗建筑建造技術，即外墻外保溫采用EPS模塊外墻外保溫現(xiàn)澆系統(tǒng)來取代EPS板外墻粘貼系統(tǒng)，此方法既可以加快施工進度，減少人工成本，又可保證施工質(zhì)量，可實現(xiàn)保溫與結(jié)構(gòu)模板一體化，杜絕了外保溫系統(tǒng)常年使用脫落的可能性。

該模塊是按建筑模數(shù)、節(jié)能標準、建筑構(gòu)造、結(jié)構(gòu)體系和施工工藝的需求，通過專用設備和模具高溫真空一次成型制造。其熔結(jié)性均勻、壓縮強度高、技術指標穩(wěn)定、幾何尺寸準確，最大負誤差0.2mm。該技術有易施工性強、工程質(zhì)量易保證的特點。房屋建造如同擺積木，可以取代了粘土磚和塊狀組砌墻體，有利于淘汰落后技術和產(chǎn)能，摒棄了傳統(tǒng)的房屋建造施工工藝，實現(xiàn)了建筑保溫與建筑模板一體化和建筑保溫與建筑結(jié)構(gòu)一體化。

該EPS模塊，導熱系數(shù)為0.033W/(m·k)，考慮到施工因素和室內(nèi)舒適度余量等，外墻的保溫厚度設計值為300mm。依據(jù)黑龍江省地方標準《HS-ICF外墻外保溫建筑節(jié)能體系技術規(guī)程》，外保溫選用直板模塊150mm和150mm進行組合安裝。

圖3.1 EPS模塊

外墻平均傳熱系數(shù)設計為0.15 W/(㎡·K)，采用外墻外保溫形式。其中，外墻平均傳熱系數(shù)為包括主體部位和周邊熱橋（構(gòu)造柱、圈梁以及樓板伸入外墻部分等）部位在內(nèi)的傳熱系數(shù)平均值。地下室外墻平均傳熱系數(shù)設計為0.20 W/(㎡·K)，保溫厚度設計為250mm，保溫材料應具有抗壓、耐水性能。

屋面平均傳熱系數(shù)設計為0.15W/(㎡·K)，采用外保溫形式，屋面保溫材料也采用普通EPS模塊，保溫厚度設計值為300mm，選用直板模塊150mm和150mm進行組合安裝。

由于地下室為庫房，人員密度較低，實際運行中溫度有可能偏低，與首層的溫差會大于5℃，為保證首層房間的舒適度，本項目的地下室頂板進行保溫處理，并在地下室的樓梯間設置內(nèi)門隔斷，防止冷風進入到首層。頂板的傳熱系數(shù)為0.5 W/(㎡·K)，按標準保溫材料選用EPS直板模塊70mm。

模塊性能指標

本項目外門窗采用內(nèi)外窗結(jié)構(gòu)，外窗為三玻雙中空（4+12A+4+12A+4）鋁合金外窗，，內(nèi)窗為雙玻中空結(jié)構(gòu)5+12A+5，平均傳熱系數(shù)為0.80 W/(㎡·K)。外窗玻璃采用暖邊技術，改善玻璃邊緣傳熱系數(shù)，避免外窗中空玻璃邊緣結(jié)露的可能性。

外門窗具有良好的氣密、水密和抗風壓性能。依據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T7106，其氣密性等級不應低于8級、水密性等級不應低于6級、抗風壓性能等級不應低于9級。外窗安裝的洞口，在室內(nèi)側(cè)粘貼防水隔氣膜，或采用防水保溫涂料；室外側(cè)采用防水透氣膜處理。

本項目屋面與外墻的保溫層采用連續(xù)設置，以確保不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋。突出屋面結(jié)構(gòu)體的保溫與屋面、墻面連續(xù)，以確保不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋。地面保溫也與外墻保溫形成連續(xù)的保溫層，不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋。

本項目窗戶采用外掛安裝，窗框內(nèi)表面與結(jié)構(gòu)外表面齊平，保溫層壓住窗框，以避免熱橋。窗框與墻體之間的縫隙應用密封材料處理。外窗采用金屬掛件的方式與墻體連接固定，固定位置均勻分布在外窗上下左右四個邊框上。外窗支撐件選擇耐久性好、導熱性差的塑料件，以避免熱橋。     

圖3.2

圖3.3

圖3.4

圖3.5

圖3.2-3.5 施工過程照片

通過對建筑的全年逐時能耗模擬，本項目建筑總負荷包括建筑負荷和新風負荷，其中冬季新風負荷占建筑總熱負荷的85%以上，夏季新風負荷占建筑總熱負荷的20%以上。在合理的送風溫差內(nèi)，新風系統(tǒng)能夠承擔房間的室內(nèi)冷熱負荷，不需要另設其他形式的供暖系統(tǒng).

但冬季處理新風負荷的能耗較大，達到37kW。見圖3.1，通過模擬熱回收裝置可提供的能量圖，我們可以看到僅依靠室內(nèi)人員及日照得熱和新風熱回收裝置無法滿足室內(nèi)的舒適度要求。

圖3.6   新風熱回收裝置可提供的能量

另外對于嚴寒地區(qū)，隨著冬季新風溫度的降低，熱回收器排風側(cè)的溫度也會隨之降低，從而產(chǎn)生冷凝水，當溫度進一步降低時會產(chǎn)生霜凍及霜堵現(xiàn)象，影響系統(tǒng)運行。因此本項目的新風熱回收系統(tǒng)了防凍措施，在新風入口側(cè)設置空氣預熱器，當室外溫度降低到一定程度時（依據(jù)德國經(jīng)驗，新風防凍加熱盤管余熱啟動溫度為-4℃），開啟預熱器，使熱回收新風入口側(cè)空氣溫度高于3℃以預防結(jié)霜。

因此在冬季對新風進行熱處理，包括預熱、熱回收以及加熱等三個空氣處理過程，保證室內(nèi)舒適度，見圖6.2。其中，新風經(jīng)過預熱處理段后，溫度可達到3℃；通過顯熱熱回收效率為70%的熱回收段B，溫度可提升到14℃；之后通過空氣處理段C，將新風處理到送風狀態(tài)點。

總新風量按照總?cè)藬?shù)確定，每人所需最小新風量按照30 m3/(h人)計算。

圖3.7   新風處理系統(tǒng)流程圖

在新排風之間設置旁通管，當冬季房間不使用或夜間值班采暖的情況下將新風閥門關閉，可以實現(xiàn)全回風模式，以大幅減少新風能耗。

關于廚房排煙問題，由于中式炒菜做飯時油煙較大，廚房區(qū)域一般來說會設置獨立的排油煙系統(tǒng)；為了不使排油煙系統(tǒng)破壞房間整體的氣流組織與能量平衡，所以要在廚房采取就近補風措施，并從室外直接補風，補風口設置在灶臺附近，補風口上加設逆止閥，保證氣密性；同時，廚房門由推拉門改為平開門，并安裝閉門器，避免從室內(nèi)補風或者影響其它房間的氣流組織。為了提高可操作性，將補風措施和閉門器與排油煙系統(tǒng)進行聯(lián)鎖啟停控制。

04 能耗模擬分析

本項目能耗模擬采用IES(VE)模擬軟件，計算分析本項目冷熱負荷，并計算建筑總能耗。

圖4.1   三維模型示意圖

通過模擬軟件，對被動式房屋進行逐時冷熱負荷計算，模擬結(jié)果如下圖所示。

冬季

建筑最大熱負荷發(fā)生在每年的01月18日，此時熱負荷為5.00kW。

圖4.2   采暖季建筑逐時熱負荷(按小時)

夏季

建筑最大冷負荷發(fā)生在每年的07月30日，此時冷負荷為11.86kW。

圖4.3   空調(diào)季建筑逐時冷負荷(按小時)

01月18日，此時新風熱負荷為37kW；07月30日，此時新風冷負荷為3.35 kW。

圖4.4   建筑全年逐時新風負荷(按小時)

由上模擬可知，不包括新風負荷，室內(nèi)熱負荷為5.0 kW，室內(nèi)冷負荷為8.51kW。

表4.1   建筑能耗統(tǒng)計匯總表

05 結(jié)論

本項目將被動式建筑技術體系與EPS模塊保溫與結(jié)構(gòu)一體化技術相結(jié)合，提高建筑整體的圍護結(jié)構(gòu)保溫性能和氣密性，從而大幅降低建筑冬季采暖負荷，進而降低本項目的一次能源消耗量。

通過全年能耗逐時模擬分析和室內(nèi)溫度模擬，我們可以得出在嚴寒地區(qū)僅依靠室內(nèi)人員及日照得熱和新風熱回收裝置無法滿足室內(nèi)的舒適度要求，必須要采用輔助熱源加以配合。

對于在嚴寒地區(qū)的被動式建筑，冬季供暖熱負荷中占比最大的是新風負荷，負荷占比高達70~80%，而建筑本身熱負荷指標基本可以控制在10w/㎡以內(nèi)。所以此類項目在冬季極端氣候時間可根據(jù)人員密度適當降低新風量以控制供暖系統(tǒng)的負荷需求，從而降低項目全年運行能耗。

項目目前缺少建成后的實際運行數(shù)據(jù)，項目所獲得的經(jīng)驗有待進一步總結(jié)和完善?？梢灶A見，采用裝配式EPS模塊技術在嚴寒地區(qū)建造較低成本的被動房，未來有廣泛的應用前景。