夏熱冬冷地區裝配式零能耗建筑技術創新與應用*

李旻陽，李國建，周建中，朱清宇，徐 亮，袁 琦，王思功，汪少波，趙碧波，張 歡，蔡 倩，謝 超

(1.中建科技集團有限公司，北京 100070； 2.中億豐建設集團股份有限公司,江蘇 蘇州 215131；3.蘇州城億綠建科技股份有限公司,江蘇 蘇州 215000； 4.蘇州二建建筑集團有限公司，江蘇 蘇州 215122)

0 引言

自GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》[1]頒布實施以來，我國已在各地區推行和探索超低能耗建筑并取得不錯的節能效果，在超低能耗的基礎之上，零能耗建筑的探索與研究逐漸成為我國建筑節能重點。2016年3月“十三五”規劃將裝配式建筑列為發展方向，充分發揮建筑產業化的優勢，在保障工期和質量的基礎上做到綠色生產、綠色建造。

美國、英國、歐盟等國家對零能耗建筑的研究及推廣起步較早，已制定相關政策法規并有實際項目落成，如英國的貝丁頓零能耗社區[2]、美國的道格拉斯零能耗住宅、德國的千萬屋頂計劃[3]等。目前我國對夏熱冬冷地區該技術體系的研究較為有限，宋德萱等[4]介紹夏熱冬冷地區近零能耗建筑技術體系，對關鍵技術進行適宜性分析；吳向陽等[5]介紹夏熱冬暖地區裝配式零能耗建筑的設計方法，并通過仿真軟件計算進行設計目標驗證。

本文以某新建PC構件項目3號綜合樓為例，探討夏熱冬冷地區裝配式零能耗建筑的設計方法，以被動節能技術結合建筑設計創新并適應氣候的技術路線，將被動式建筑技術、主動式建筑技術、可再生能源技術與裝配式建筑技術進行耦合應用，并通過軟件模擬完成計算驗證。

1 工程概況

某新建PC構件項目3號綜合樓位于蘇州相城區望亭鎮，建筑功能為辦公，總建筑面積9 063.02m2，地下1層為機動車庫，地下建筑面積3 179.52m2；地上4層，地上1層為展廳，2～4層為辦公區，地上建筑面積5 883.5m2。

2 零能耗建筑技術路線

零能耗建筑是近零能耗建筑的進階表現形式，以節約能源為首要目標，目前許多綠色建筑雖達到近零排放標準并獲得評級，但主要依賴大量新能源產能平衡建筑本身的能量消耗，并不環保。零能耗建筑強調建筑氣候環境適應性，以被動式優先、主動式優化為設計原則，最大幅度降低建筑本體能耗需求，并充分利用場地內及周邊可再生能源，實現建筑設計要素間的整合化，通過技術集成創新，最終實現建筑在滿足人員及環境需求的同時，降低建筑能耗，達到相應節能目標。

夏熱冬冷地區裝配式零能耗建筑實施的關鍵在于裝配式結構體系設計、高效保溫隔熱外圍護結構設計、高氣密性設計，同時還需考慮新風系統、遮陽系統及可再生能源系統應用等。本項目綜合考慮該氣候區氣候特點、建筑使用功能及周邊資源條件等，技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

3 零能耗建筑專項技術

3.1 全裝配式預應力組合結構體系設計

本項目采用快速裝配式組合結構體系，綜合運用預應力、空心樓板、預制疊合、鋼管混凝土等技術，集成各自優勢并形成完整的建筑結構體系(見圖2,3)。該結構體系具有以下特點：①抗震性能好 梁柱節點采用鋼結構連接，具有良好的滯回曲線；②高度工廠化預制生產 預制裝配率>70%，現場作業少，減少揚塵及噪聲；③成本可控 采用高強度預應力筋，減少材料用量；④安裝方便 新型大跨度疊合樓板四邊不出筋，解決目前常見的梁板鋼筋碰撞問題；⑤快速施工 鋼結構連接、多層預制柱一次安裝，操作時間只有濕法連接的1/10，整體施工速度提高20%；⑥大跨高效 同等截面跨度較普通混凝土梁跨度提高20%，預應力大跨度板無次梁可使辦公區凈高提高300mm以上。

圖2 結構體系

圖3 結構體系關鍵節點

3.2 非透明外圍護結構設計

夏熱冬冷氣候區以夏季隔熱為主，兼顧保溫，根據性能化模型的設計、當地氣候特征和行為習慣、裝配式構件技術水平等條件，采用預制輕鋼龍骨外墻、預制木龍骨外墻和預制混凝土夾心保溫外墻，平均傳熱系數≤0.40W/(m2·K)。木龍骨墻板因結構骨架采用木料，比金屬龍骨的熱工性能更優異、質量更小，也更容易滿足零能耗建筑保溫要求，并且具有快捷方便的施工方式，因此，2～4層優先選用預制木龍骨作為外圍護墻板，木龍骨墻板如圖4所示。預制木龍骨外墻板采用SPF木材Ⅱ級制造，墻骨柱間距406mm，與混凝土接觸的底梁板采用防腐處理，保溫材料采用140mm厚巖棉，相比鋼龍骨墻板，熱橋顯著降低。

圖4 木龍骨墻板

考慮到建筑首層易受潮氣及蟲蟻蛀蝕影響，南北外立面采用耐候性更好的預制混凝土夾心保溫外墻板，夾心保溫層為100mm厚XPS保溫板，墻板板縫間采用無熱橋設計，并采用FRP連接件，可實現結構保溫裝飾一體化設計和施工。東西外立面采用輕鋼龍骨一體化外墻板，中間填塞140mm厚保溫巖棉，輕鋼龍骨墻板輕質高強，自重最低可至120kg/m2，根據需要可做到大板幅跨度，整個墻板平均傳熱系數滿足≤0.40W/(m2·K)的設計目標。鋼龍骨墻板如圖5所示。

圖5 鋼龍骨墻板

3.3 氣密性設計

氣密性是零能耗建筑的重要性能參數。根據《近零能耗建筑技術標準》，對夏熱冬冷地區公共建筑氣密性不做要求，為良好控制供冷季和供暖季的能耗，將氣密性指標定為N50≤1.0次/h。氣密層設置于外圍護結構室內側，包含所有外墻室內側、地面室內側、屋面室內側及樓地面，氣密層連續并包圍整個圍護結構，局部有穿透及打斷氣密層部位，使用氣密性材料粘貼斷層處，保證氣密性連續(見圖6)。

圖6 氣密區范圍

3.4 門窗和遮陽設計

基于該辦公樓的零能耗設計，門窗節能設計是關鍵，影響門窗熱工性能的主要因素有傳熱系數、綜合遮陽系數、氣密性、可見光透射比等。本項目外窗窗框采用穿條式隔熱段熱橋鋁合金型材，3層玻璃2層中空玻璃窗，整窗傳熱系數為1.80W/(m2·K)，采用整體內嵌式安裝，窗與墻體縫隙處粘貼防水透氣膜，采用密封膠將防水透氣膜與窗框、墻體粘貼嚴實。

蘇州地區夏季持續時間長，過多的太陽熱導致建筑供冷負荷上升，考慮房間使用功能及窗口朝向等因素，采取適當的遮陽措施。東南西向外窗設置可調節遮陽設施，天窗設置電動遮陽百葉，通過手動或自動控制遮陽簾遮光效果，調節入射太陽光總量，同時天窗可電動開啟，有利于過渡季自然通風降溫。

3.5 熱回收新風系統設計

項目每層設置吊頂式全熱回收新風機組，全熱回收效率≥70%，通過熱交換器回收室內排風中的冷(熱)量，大幅減少新風負荷，對辦公室、會議室等均勻送風，集中回風口設置在機組附近，送風各支管設置電動調節閥，根據室內CO2濃度控制新風量。主要功能房間設置室內環境質量監測系統，監測溫濕度、CO2濃度、PM2.5等指標，并與新風系統聯動，具備參數限值設定及超限報警功能。全熱交換器參數如表1所示。

表1 全熱交換器參數

3.6 可再生能源系統設計

夏熱冬冷地區位于太陽能資源一般區，陽光資源不充沛，通過擴大太陽能資源采集面積、優化陽光采集角度與朝向，最大化利用太陽能資源，選取辦公樓及部分鋼結構廠房屋面，鋪設安裝高效單晶硅光伏組件，裝機總容量約390kW。基于廠房屋面結構特殊性，采用專門的鋁合金夾具固定屋面板與光伏組件支架，然后在上面安裝鋁合金橫梁，用鋁合金壓塊固定光伏組件，此方案不破壞原有建筑結構，也不需在彩鋼板上開孔固定，對屋面排水不產生影響。

混凝土屋頂利用光伏支架，以最佳傾角架設于混凝土平屋面上，并以水泥配重墩基礎抵抗風荷載，支架及配重系統整體放置于水泥屋面上，并在原屋面防水層和水泥配重墩間鋪貼防水保護層，以保證屋面防水系統不被擾動和破壞。混凝土屋面光伏組件安裝如圖7所示。

表4 對比近零能耗建筑能效指標

圖7 混凝土屋面光伏組件安裝

4 零能耗建筑能耗模擬分析

為驗證該示范建筑能否達到零能耗設計標準，選用DeST模擬軟件分別建立該示范工程模型與基于GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》的基準模型，通過2個模型建筑負荷以及對比全年建筑能耗，計算節能指標，如表2所示。參照《近零能耗建筑技術標準》，對比零能耗與近零能耗建筑能效指標，如表3，4所示。

表2 計算結果統計

表3 與零能耗建筑能效指標對比

由表2可以看出，建筑本體和周邊可再生能源產能量達34萬(kW·h)/a時，整個辦公樓可不再使用一次性化石能源，光伏系統裝機容量約390kW，按照蘇州當地光伏系統最佳傾角進行鋪設安裝，修正系數按0.83進行估算，年均發電量約35萬(kW·h)/a，滿足建筑年終端能源消耗量需求，可實現全年零能耗運行。

5 結語

本研究以某PC構件項目3號綜合樓項目為依托，在裝配式結構體系基礎上應用的多項被動式建筑技術、主動式建筑技術及可再生能源利用技術，對夏熱冬冷地區裝配式零能耗建筑發展具有一定參考價值。由于本項目尚未竣工，本文僅從建筑設計角度進行分析、模擬驗證項目可行性，建筑運行階段將進行深入研究及分析，使建筑在運行中達到真正的零能耗。