如何設(shè)計中國寒冷嚴(yán)寒區(qū)被動房外圍護系統(tǒng)

作者：楊丹凝 吳迪  劉叢紅

本文已獲授權(quán)，如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者取得授權(quán)。原文已見刊于《建筑節(jié)能》2017年第1期，本文是根據(jù)原文改寫而成，詳細內(nèi)容可參見雜志原文。

摘要

德國的被動房是目前世界公認的具有超低能耗、超低碳排放量、超高室內(nèi)舒適度等特點的建筑技術(shù)體系。德國的氣候特征與中國華北地區(qū)的氣候特征具有相似性，因此研究并建造被動房對于我國建筑節(jié)能工作的發(fā)展具有重大的意義。

外圍護系統(tǒng)作為被動房設(shè)計的重點要素，對建筑的節(jié)能效率有重大的影響。文章以寒冷、嚴(yán)寒氣候區(qū)的被動房項目為例，對被動房外圍護系統(tǒng)進行分析與闡述，并以秦皇島“在水一方”被動式住宅示范項目為例，進行能耗模擬與對比分析。最終提出適合我國寒冷、嚴(yán)寒氣候區(qū)氣候特點的被動式超低能耗建筑外圍護系統(tǒng)的設(shè)計策略。

前言

目前我國的建筑能耗總量逐年上升，在社會能源總消費量中約占 19.5%，在建筑能耗總量中，北方城鎮(zhèn)冬季采暖能耗約占 24%，而平均單位面積供暖能耗從2001 年的 22.8kgce/㎡降低到 2013 年的 15.1 kgce/㎡，建筑能耗總量增長而能耗強度降低，體現(xiàn)了節(jié)能工作取得的成績。據(jù) 2015 中國建筑節(jié)能年度發(fā)展報告研究稱，能耗強度降低的主要原因為建筑保溫水平的提高、高效熱源方式占比提高。因此，提高外圍護系統(tǒng)的保溫、絕熱性能，對于降低建筑能耗、發(fā)展建筑節(jié)能工作具有重大的作用。

被動房簡介

根據(jù)被動房官方網(wǎng)站定義,被動房是指不借助傳統(tǒng)的采暖方式與空調(diào)形式，僅通過預(yù)熱與預(yù)冷新鮮空氣，維持室內(nèi)較高舒適度的房屋。德國地處歐洲中部，緊鄰北海，緯度與我國東北地區(qū)相仿，而氣候與我國華北地區(qū)相近。德國夏季溫度為 18~30℃，冬季溫度為-10~2℃，德國被動房外圍護系統(tǒng)設(shè)計的要素在于冬季保溫，而夏季制冷無要求。結(jié)合中國寒冷、嚴(yán)寒氣候區(qū)氣候特征可知，中國寒冷氣候區(qū)被動房外圍護系統(tǒng)設(shè)計需要同時考慮冬季保溫和夏季制冷，而嚴(yán)寒氣候區(qū)則只需要重點考慮冬季保溫。到目前為止，在我國寒冷、嚴(yán)寒氣候區(qū)已經(jīng)建成或正在設(shè)計、施工中的被動房項目有 20 項 ，對這些示范項目的總結(jié)與分析，對于被動房在中國的推廣與本土化有重要的借鑒意義。

已建成被動房外圍護系統(tǒng)技術(shù)分析與研究

通過實地調(diào)研、文獻研究，以位于寒冷氣候區(qū)的秦皇島“在水一方”被動式住宅示范項目（以下簡稱在水一方）、青島中德生態(tài)園區(qū)被動式建筑技術(shù)體驗中心（以下簡稱體驗中心）和位于嚴(yán)寒氣候區(qū)的沈陽建筑大學(xué)中德樓（以下簡稱中德樓）與小中德樓為例（四個案例項目的具體工程概況見表 1），分析其外圍護系統(tǒng)在保溫層構(gòu)造、氣密性、高效節(jié)能門窗、防熱橋措施四個方面的建筑技術(shù)及策略，并將其與傳統(tǒng)建筑的相關(guān)方面進行對比分析。

表 1 四個案例項目的工程概況

（ 表格根據(jù)作者實地考察、后期研究后自制）

1 保溫層構(gòu)造做法

被動房墻體保溫層設(shè)計在材料、厚度、鋪設(shè)方法、相關(guān)配件、施工工藝等方面均與一般建筑有較大區(qū)別，其墻體具有極低的傳熱系數(shù)（表 2）。

表 2 一般建筑保溫層與被動房保溫層比較

（ 表格根據(jù)作者實地考察、后期研究后自制）

在水一方的外墻保溫層采用的是雙層石墨聚苯乙烯板，總厚度為 250mm，相較于普通的 EPS 板或者聚苯乙烯板，石墨聚苯乙烯板抗拉強度增強，保溫程度相同時厚度減少。同時石墨聚苯乙烯板內(nèi)外表面均分布了燕尾槽（圖 1），使得板與板之間能夠插接拼裝。立面轉(zhuǎn)角處整體式保溫層保證了保溫層的完整性（圖 2）。雙層石墨聚苯乙烯板的鋪設(shè)方式為錯縫拼接，也是為了減小保溫層的空氣縫隙，增大氣密性（圖 3）。除此之外，在水一方的屋頂鋪設(shè)了總厚度為 300mm 的石墨聚苯乙烯保溫層，樓梯間、電梯間與住戶之間的墻體鋪設(shè)了 90mm 厚的擠塑板保溫層，住戶樓板鋪設(shè)了 60mm 厚的擠塑板保溫層，地下室頂板鋪設(shè)了 150mm 厚的石墨聚苯乙烯板。

中德樓位于嚴(yán)寒氣候區(qū)，對于建筑保溫的要求更加嚴(yán)苛。外墻保溫層同樣采用了性能較高的雙層石墨聚苯乙烯板，總厚度達 300mm，墻體總厚度達 500mm（圖4），墻體傳熱系數(shù)≤0.12 w/(㎡·k)。據(jù)在其中的工作人員介紹，中德樓冬季的保溫效果突出，大部分時間可以擺脫傳統(tǒng)供熱能源，依靠太陽輻射與室內(nèi)人體和電氣散發(fā)的熱量；僅在極度寒冷的幾天內(nèi)，需要依靠空調(diào)制熱，空調(diào)制熱一天，室內(nèi)熱量許久不會流失，可保溫多日，室內(nèi)溫度可維持在 20℃以上。

沈陽建筑大學(xué)的有關(guān)教授依據(jù)中德樓的建造經(jīng)驗與技術(shù)，在中德樓的南側(cè)設(shè)計了一棟“小中德樓”，目前正在施工。小中德樓采用自主研發(fā)的新型保溫材料（沈陽建筑大學(xué)正在申請相關(guān)專利），具體做法為將聚苯乙烯泡沫板揉碎后拌入混凝土骨料攪拌，灌入墻體模具中（圖 5，6），該材料具有厚度更薄、傳熱系數(shù)更低、造價更低的優(yōu)勢，據(jù)中德樓項目負責(zé)人，沈陽建筑大學(xué)夏曉東教授介紹，小中德樓外墻整體傳熱系數(shù)約為 0.09 w/(㎡·k)。

2 氣密性

建筑氣密性是建筑的一項重要性能參數(shù)，在寒冷與嚴(yán)寒氣候區(qū)，提高圍護結(jié)構(gòu)氣密性可以大幅度減少室內(nèi)熱量的流失，減少供暖能源的消耗。被動房對房屋的氣密性的要求為，N50≤0.6/h，即在室內(nèi)外存在 50pa 壓力差時，每小時的室內(nèi)空氣滲透量不能超過建筑總?cè)莘e的 60%。氣密性的關(guān)鍵點在于不同材料之間的連接部分，因此提高被動房氣密性的重點要素為：各種穿墻管線、管道與墻體間的氣密性；門窗與墻體間的氣密性；構(gòu)造層的氣密性。

在水一方中穿墻的各種管線包括排風(fēng)管道、空調(diào)排水管道、入戶電線等均采用密封膠條或者密封膠進行封堵（圖 7），外窗、入戶門與墻體的連接固定處采用密封膠帶封堵（圖 8），在構(gòu)造層方面，混凝土墻體的空隙處用發(fā)泡劑封堵后，在墻體外側(cè)用砂漿封堵，內(nèi)側(cè)用水泥封堵，挖開的管道洞口等用石膏封堵。

3 高效節(jié)能門窗

外門窗系統(tǒng)是維護結(jié)構(gòu)保溫和氣密性較為薄弱的環(huán)節(jié)，采用高效節(jié)能門窗在被動房的設(shè)計中至關(guān)重要。被動房外窗是目前國內(nèi)市場上性能較為優(yōu)越的窗戶，它不僅考慮了窗戶的傳熱系數(shù)，還考慮玻璃的太陽能總透射比等多個性能參數(shù)，從而達到集保溫、隔熱、隔聲、不影響自然采光于一體的目的。被動房外窗與一般建筑外窗性能對比見表 3。

表 3 被動房外窗與傳統(tǒng)建筑外窗性能對比

（ 表格根據(jù)作者實地考察、后期研究后自制）

在水一方采用 PVC 包聚苯乙烯型材三玻兩空外窗（圖 9），整窗傳熱系數(shù)為0.9w/(㎡·k)，體驗中心采用鋁包木型材三玻兩空外窗（圖 10），整窗傳熱系數(shù)為 0.8 w/(㎡·k)，中德樓采用 PVC 包聚苯乙烯型材三玻兩空外窗，整窗傳熱系數(shù)為 0.8w/(㎡·k)。

4 防熱橋措施

建筑熱橋常見種類有：幾何熱橋（如立面墻腳），材料傳熱差異形成的熱橋（如鋼筋配件和混凝土砌塊搭接處），集中熱流形成的熱橋（如貫穿部位造成的空氣泄露），保溫層厚度不一致造成的熱橋等。為了減少冬季室內(nèi)熱量的流失，這些易出現(xiàn)熱橋的部位都要經(jīng)過特殊處理。被動房常見的防熱橋措施主要有：立面凸起構(gòu)造（如陽臺）的無熱橋措施；外墻結(jié)構(gòu)層與立面配件之間的無熱橋措施。門窗與外墻之間的無熱橋措施。

在水一方和體驗中心的露臺與結(jié)構(gòu)墻之間均斷開，中間墊保溫板（圖 11、12、13），體驗中心的外墻結(jié)構(gòu)層與金屬配件之間增加 20mm 橡膠墊（圖 14），門窗框內(nèi)部的空氣縫用 20mm 橡膠條封堵（圖 15），門窗與外墻連接處用巖棉封堵，這些措施均大幅度阻斷了熱橋。

被動房能耗模擬與對比分析

本節(jié)使用 Design Builder 軟件，依據(jù)在水一方 12 號住宅樓的基本信息建立數(shù)字模型，分別依照在水一方被動式住宅示范項目的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與河北省 65%節(jié)能居住建筑的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置外圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，在氣象數(shù)據(jù)、用能時間表、房間功能、人員密度等參數(shù)相同的條件下進行能耗模擬，并將二者的模擬結(jié)果進行比較分析。

1 建筑模型的建立

秦皇島在水一方 12 號住宅樓總計 18 層，層高 3 米，均為住戶，建筑面積為6467 平方米，基底面積為 368 平方米，體形系數(shù)為 0.296，每層 3 戶，總計 54戶，建筑采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，住宅東、西、南、北四個立面的窗墻比依次為 0.13、0.09、0.49、0.15。依照在水一方 12 號住宅樓的相關(guān)圖紙與信息，在 Design Builder 軟件中建立數(shù)字模型（圖 16、17）。

2 設(shè)置氣象數(shù)據(jù)

秦皇島市位于河北省東北部，北緯 39°24′-40°37′，東經(jīng) 118°33′-119°51′，氣候類型為溫帶半濕潤半大陸性季風(fēng)氣候，受海洋影響較大，氣候較為溫和，夏季溫?zé)釤o酷暑，冬季漫長無嚴(yán)寒，夏季平均最高溫為 29℃，平均氣溫為25℃，冬季平均最低溫為-9℃，平均氣溫為-5℃。由于 Design Builder 軟件中沒有秦皇島的氣象數(shù)據(jù)，因此，本節(jié)選取與秦皇島氣象數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度接近的河北省樂亭縣的氣象數(shù)據(jù)進行模擬。

3 外圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

分別根據(jù)在水一方被動式住宅示范項目的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與河北省 65%節(jié)能的居住建筑的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置外圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而分析比較外圍護結(jié)構(gòu)對建筑節(jié)能效率的影響。秦皇島市位于寒冷氣候區(qū)（A）區(qū)，因此在水一方被動式住宅示范項目與河北省 65%節(jié)能的居住建筑的外圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置見表 4.

4 建筑全年能耗模擬及結(jié)果對比

在水一方被動式住宅示范項目與河北省 65%節(jié)能的居住建筑的全年能耗模擬結(jié)果如圖 18 所示，由于秦皇島市冬季較冷，平均氣溫（-5℃）遠低于人體所需的室內(nèi)最低舒適溫度（18℃），而夏季較為涼爽舒適，平均氣溫（25℃）接近人體所需的室內(nèi)最高舒適溫度（26℃），因此建筑所需的采暖能耗明顯大于制冷能耗，其中在水一方被動式住宅示范項目的建筑全年采暖能耗為 50372.81kwh，除去樓梯間等非采暖空間，單位面積取暖能耗為 9.2kwh，全年制冷能耗為12840.20kwh，單位面積制冷能耗為 2.3kwh；河北省 65%節(jié)能的居住建筑的建筑全年取暖能耗為 109425.9kwh,除去樓梯間等非采暖空間，單位面積取暖能耗為19.98kwh，全年制冷能耗為24962.41kwh，單位面積制冷能耗為 4.56kwh。由于在模擬過程中所需的參數(shù)完全按照被動房設(shè)計的目標(biāo)值設(shè)置，因此建筑采暖能耗模擬結(jié)果遠低于被動房的采暖控制指標(biāo)：房屋單位面積的年采暖需求 15 kwh。

將在水一方被動式住宅示范項目與 65%節(jié)能的居住建筑的模擬結(jié)果進行比較分析，結(jié)果見表 5。由表 5 可知，被動式住宅與 65%節(jié)能的住宅相比，一年可節(jié)約的采暖能耗為 10.78kwh/㎡ a，節(jié)約能耗率為 54%，一年可節(jié)約的制冷能耗為 2.26 kwh/㎡ a，節(jié)約能耗率為 50%，總能耗節(jié)約 13.04 kwh/㎡ a，節(jié)約能耗率為 54.1%。由此可見，提高建筑外圍護結(jié)構(gòu)的性能對我國現(xiàn)行的 65%節(jié)能建筑的節(jié)能效果具有重要的意義。

表 5 模擬結(jié)果對比表

（表格為作者自制）

對我國寒冷、嚴(yán)寒氣候區(qū)被動式超低能耗建筑發(fā)展的啟示

德國與我國寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)的氣候條件既有相似之處又有各自的特征，我們對于德國被動房的態(tài)度應(yīng)該是學(xué)習(xí)并利用其適合我國國情的建筑技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上研究并發(fā)展本土化的節(jié)能建筑技術(shù)。

1 提高建筑外圍護結(jié)構(gòu)的各項性能

我國寒冷氣候區(qū)、嚴(yán)寒氣候區(qū)的外圍護系統(tǒng)的保溫性能相比于德國還有很大的差距；同時，提高外圍護系統(tǒng)的保溫性能對于降低建筑能耗具有重大的作用，外圍護系統(tǒng)的保溫性能由各種因素共同作用。首先，降低外圍護系統(tǒng)的整體傳熱系數(shù)，如采用具有低傳熱系數(shù)的結(jié)構(gòu)、保溫、氣密材料。其次，提高外圍護系統(tǒng)的施工工藝。外圍護系統(tǒng)的施工工藝嚴(yán)重影響了其氣密性的高低與熱橋的產(chǎn)生，提高施工的精度、改良施工的相關(guān)工藝、加強局部細節(jié)的構(gòu)造設(shè)計可以大幅度增加外圍護系統(tǒng)的氣密性，防止熱橋的產(chǎn)生，減少因施工而造成的建筑能耗；最后，使用整窗傳熱系數(shù)低于 2 的節(jié)能門窗。通過對于華北地區(qū)大型門窗廠的參觀調(diào)研可知，如今我國制作三玻兩空節(jié)能門窗的水平已經(jīng)相對成熟，普及節(jié)能門窗可能性較大。

2 研發(fā)新型外圍護結(jié)構(gòu)材料

從目前已建成的寒冷、嚴(yán)寒氣候區(qū)的被動房項目來看，其外圍護結(jié)構(gòu)均有兩個共同的劣勢：墻體過厚,占用建筑使用面積；造價較高，較難普及。因此研發(fā)集高保溫、薄厚度、高強度、低造價于一體的新型保溫材料顯得極其重要。沈陽建筑大學(xué)小中德樓的新型保溫材料正是相關(guān)科研人員在德國被動房、中國被動房建造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的，這種材料既有很低的傳熱系數(shù)，又能降低保溫層厚度，還能降低造價，具有重大的借鑒意義。

3 結(jié)合具體氣候、具體民情

近幾年來，寒冷、嚴(yán)寒氣候區(qū)的霧霾狀況日益嚴(yán)重，而與之矛盾的是中國人傳統(tǒng)的每日開窗通風(fēng)換氣的習(xí)俗，中國人民趨向于完全依靠自然通風(fēng)而非機械通風(fēng)；同時，寒冷氣候區(qū)夏季濕熱，夏季不能完全依靠外圍護結(jié)構(gòu)隔熱與自然通風(fēng)，需要機械制冷，這些都是德國被動房研發(fā)者們不需要考慮的問題。因此，在我國被動房實踐過程中，需要結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w氣候條件、具體民情，設(shè)計出本土化的被動式超低能耗節(jié)能建筑。

4 優(yōu)化建筑運行管理機制

在水一方、沈陽建筑大學(xué)中德樓等被動房項目建成使用之后，基本按照設(shè)計指標(biāo)高效節(jié)能地運行，這離不開建筑合理的運行管理機制和智能化管理系統(tǒng)平臺。沈陽建筑大學(xué)中德樓中心智能化管理平臺包括：樓宇自控系統(tǒng)、建筑弱電系統(tǒng)、綠色建筑檢測系統(tǒng)和信息發(fā)布系統(tǒng)，各項系統(tǒng)協(xié)同運作，共同調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣各項指標(biāo)，比如，安裝室內(nèi)空氣濕度、CO2 濃度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)光線照度等各項實時監(jiān)測系統(tǒng)，隨時掌握室內(nèi)舒適度數(shù)據(jù)，并且根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)外窗遮陽百頁、熱回收新風(fēng)系統(tǒng)進風(fēng)與排風(fēng)量、天窗開啟度等，以此降低建筑運行能耗。由此可見，健全建筑運行管理機制，有利于降低建筑能耗。

結(jié)語

相比于傳統(tǒng)建筑，被動房性能優(yōu)越，極大程度降低能耗。經(jīng)過幾年的研究與實踐，我國已在寒冷、嚴(yán)寒、夏熱冬冷氣候區(qū)完成一系列被動房項目的建造。影響被動房建筑能耗的因素復(fù)雜多樣，但是外圍護系統(tǒng)對其的影響是首要考慮的。通過對寒冷、嚴(yán)寒氣候區(qū)若干個典型被動房項目外圍護系統(tǒng)的實地調(diào)研與分析總結(jié)，針對該氣候區(qū)的被動式超低能耗節(jié)能建筑，得出了提高其外圍護系統(tǒng)性能的措施，期待這些成果能夠?qū)档徒ㄖ芎呐c我國節(jié)能建筑設(shè)計具有一定的參照性。