夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)研究
——以武漢凌悅?cè)A府項(xiàng)目為例

丁祥璐 | Ding Xianglu

尚 偉 | Shang Wei

張灼芊 | Zhang Zhuoqian

呂 桑 | Lyu Sang

韓 楊 | Han Yang

自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，全球平均氣溫快速上升，導(dǎo)致溫室效應(yīng)頻發(fā)[1]；經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展同時(shí)伴隨著“能源消耗嚴(yán)峻”的問題等，面對(duì)全球氣候變暖、能源消耗及碳排放巨大的緊迫形勢(shì)，“節(jié)能減排”成為全球重點(diǎn)[2]，建筑能耗因其在社會(huì)總能耗中的巨大占比而引起廣泛關(guān)注[3]。在亟需改變傳統(tǒng)建筑構(gòu)造形式來降低建筑能耗的全球背景下，逐漸形成了“被動(dòng)房”這一新的建筑體系（圖1）。

圖1 中國建筑能耗占比

“被動(dòng)房”被定義為通過太陽能、保溫、地?zé)帷峄厥招嘛L(fēng)系統(tǒng)等綜合技術(shù)，使建筑僅依靠本身的構(gòu)造設(shè)計(jì)，就能達(dá)到室內(nèi)舒適的熱環(huán)境，不需要依賴“主動(dòng)”提供能量的采暖、制冷等設(shè)備的建筑[4]。被動(dòng)房在降低能耗的同時(shí)，并不會(huì)降低建筑空間的舒適性，高性能的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)使得建筑在嚴(yán)寒的冬天和炎熱的夏季也能保持室內(nèi)溫度恒定[5]，同時(shí)通過新風(fēng)系統(tǒng)提供足夠的、清潔的新鮮空氣保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。如表1所示，極大地降低非再生能源的消耗，再通過利用風(fēng)能和太陽能等可再生能源，有效減少了二氧化碳排放，具有可持續(xù)性[6-7]。雖然被動(dòng)房的建造費(fèi)用較高，但在建筑的全壽命周期，運(yùn)營及維護(hù)費(fèi)用極低，整個(gè)成本相對(duì)傳統(tǒng)建筑更經(jīng)濟(jì)。

表1 德國被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)

1 國內(nèi)外被動(dòng)房研究發(fā)展

1988年瑞典Lund大學(xué)Bo Adamson教授和德國Wolfgang Feist 博士首先提出“被動(dòng)房”這一概念。1991年德國達(dá)姆施塔特（Darmstadt）建成第一座被動(dòng)式房屋（Passive House Darmstadt Kranichstein），十幾年來一直按照設(shè)計(jì)的要求正常運(yùn)行，取得很好的效果。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)被動(dòng)式房屋開展了一系列不同角度的研究，主要是針對(duì)不同氣候的地區(qū)開展了不同的研究分析。其中李楠等通過實(shí)測(cè)和模擬分析的方法對(duì)寒冷地區(qū)過渡季被動(dòng)房的各項(xiàng)通風(fēng)策略進(jìn)行了研究，提出借助可再生能源來保障被動(dòng)房的節(jié)能與舒適性[8]。金松濤等從嚴(yán)寒地區(qū)被動(dòng)房外墻系數(shù)入手通過計(jì)算比較與德國的差異性，提出適用于我國高緯度地區(qū)的外墻傳熱系數(shù)[9]。而對(duì)于溫和地區(qū)，崔躍結(jié)合了民用建筑能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果討論了適宜溫和地區(qū)的以改善冬季室內(nèi)保溫情況的被動(dòng)房技術(shù)指標(biāo)體系[10]。Gamero關(guān)注了降低熱帶地區(qū)室內(nèi)過熱風(fēng)險(xiǎn)方面的相對(duì)影響，通過熱模擬的方式評(píng)估室內(nèi)過熱風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)調(diào)被動(dòng)冷卻以及保護(hù)設(shè)計(jì)策略在當(dāng)?shù)氐闹匾訹11]。為了比較中德兩國間的現(xiàn)實(shí)差異，任志剛等以氣候適應(yīng)性為出發(fā)點(diǎn)選取兩國22座城市，研究了德國被動(dòng)房類型在中國的契合度，得出了以維度為分界線的中國各地區(qū)的冷暖需求與除濕需求的大致變化[12]。

我國現(xiàn)階段的綠色建筑被動(dòng)式技術(shù)脫胎于德國的技術(shù)體系，其構(gòu)造重點(diǎn)集中在圍護(hù)結(jié)構(gòu)得到高保溫性能、被動(dòng)式門窗的高氣密性、新風(fēng)熱回收裝置以及可再生能源的利用等方面[13]，我國嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則節(jié)能率可以達(dá)到90%，夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能率可以達(dá)到85%[14]德國被動(dòng)房的室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)過高，若直接使用導(dǎo)致我國建筑夏季冷負(fù)荷過大。因此設(shè)計(jì)階段需要針對(duì)被動(dòng)房發(fā)展出適用于我國氣候變化的結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)房設(shè)計(jì)要點(diǎn)及參數(shù)

夏熱冬冷地區(qū)夏季高溫悶熱，冬季陰冷，冷感強(qiáng)烈，且夏季時(shí)間持續(xù)較長，因而，該地區(qū)的建筑需兼顧夏季隔熱和冬季保溫。在整個(gè)建筑能耗中，滲透熱損失占比一般達(dá)到20%～30%左右[15]，因此在被動(dòng)房中所有外露構(gòu)件均需進(jìn)行保溫處理，杜絕熱橋。這樣可以減少熱量損失及防止室內(nèi)結(jié)露；當(dāng)熱橋系數(shù)≤0.01w/m2K，可視為無熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。除此之外，被動(dòng)房還應(yīng)注意建筑的氣密性，建筑能耗與氣密性密切相關(guān)（圖2）。氣密性等級(jí)越高，建筑物漏氣量越小，室內(nèi)能量損失越小，同時(shí)高度的氣密性還具有隔音降噪、防潮、防霉的功能。表2所示德國被動(dòng)房能耗指標(biāo)及氣密性指標(biāo)，普通節(jié)能建筑對(duì)建筑物氣密性沒有要求，被動(dòng)式建筑要求建筑整體氣密性指標(biāo)N50≤0.6次/小時(shí)，也就是1小時(shí)室內(nèi)由于不可控制的滲透造成的空氣替換率不大于60%，這樣可以極大地減小空氣流通造成的能量損失。

表2 建筑能耗指標(biāo)及氣密性指標(biāo)

圖2 建筑能耗與氣密性

門窗在整個(gè)建筑面積中所占面積比例約為21%的建筑中，通過門窗損失的熱量可占到整個(gè)建筑物熱量損失的一半[16]。因此，被動(dòng)房設(shè)計(jì)中，門窗的性能也是建筑節(jié)能的重要點(diǎn)。表3為德國在不同氣候區(qū)被動(dòng)房窗戶的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，夏熱冬冷地區(qū)窗戶均采用三玻兩中空構(gòu)造，或玻璃間充惰性氣體，使用Low-e玻璃和暖邊材料，整窗傳熱系數(shù)小等于0.85W/（m2K），且節(jié)能玻璃需要滿足三個(gè)指標(biāo)：傳熱系數(shù)≤0.8；太陽能得熱系數(shù)≥0.35；光熱比LSG=tv/g≥1.25。

表3 被動(dòng)房窗戶認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

3 夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐

3.1 研究概況

武漢市地處長江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，室內(nèi)溫度低、舒適度差，是典型的夏熱冬冷城市，本文以湖北武漢凌悅?cè)A府項(xiàng)目為研究對(duì)象，該項(xiàng)目充分體現(xiàn)了被動(dòng)式房屋的設(shè)計(jì)理念和施工標(biāo)準(zhǔn)，且通過了德國PHI相關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)證，主要通過分析其無熱橋設(shè)計(jì)原則、外門窗氣密性處理要點(diǎn)、被動(dòng)式門窗及遮陽系統(tǒng)設(shè)計(jì)等圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，總結(jié)夏熱冬冷地區(qū)進(jìn)行被動(dòng)房建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的綠色建筑設(shè)計(jì)理念。

3.2 無熱橋設(shè)計(jì)

凌悅?cè)A府項(xiàng)目中大量運(yùn)用了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與新型絕熱材料并行的無熱橋設(shè)計(jì)，從而盡可能地大幅減少供熱制冷的能源消耗。湖北凌悅?cè)A府項(xiàng)目在避免熱橋方面遵循以下幾點(diǎn)原則。

①避讓原則：盡可能不破壞或穿透外圍護(hù)結(jié)構(gòu)；②擊穿原則：當(dāng)管線等必須穿透外圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，在穿透處增大孔洞，保證足夠的間隙進(jìn)行密實(shí)無空洞的保溫；③連續(xù)原則：用連續(xù)不間斷的保溫消除熱橋效應(yīng)，減少熱量損失及防止室內(nèi)結(jié)露；④幾何原則：避免幾何結(jié)構(gòu)的變化，減少散熱面積。

圖3及圖4為湖北凌悅?cè)A府項(xiàng)目的無熱橋設(shè)計(jì)細(xì)部圖，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

圖3 防熱橋處理

圖4 外墻防熱橋保溫錨栓安裝

①項(xiàng)目外墻以擠塑聚苯乙烯泡沫（XEPS）多孔聚苯乙烯（XPS）為主要保溫隔熱材料，材料具有特有的微細(xì)閉孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)EPS板相比，具有密度大、壓縮性能高、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低、水蒸氣滲透系數(shù)小等特點(diǎn)。在夏熱冬冷地區(qū)長期高濕度或浸水環(huán)境下，XPS板仍能保持其優(yōu)良的保溫性能，以聚合物粘接、釘?shù)姆绞脚c墻身固定。

②墻體采用提高熱工效果的LC7.5輕骨料混凝土墊層和輕質(zhì)多孔保溫隔熱防火性能良好的加氣混凝土砌塊，因其保溫隔熱、防火性能良好是較為理想的被動(dòng)式建筑材料之一。

③門窗與墻體間使用聚氨酯發(fā)泡劑進(jìn)行填充，有填縫、粘結(jié)、密封、隔熱、吸音等多種效果。

在該項(xiàng)目性能優(yōu)秀的外保溫包裹的情況下，熱量通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)較為困難，主要通過邊、角、連接點(diǎn)等細(xì)部節(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)，對(duì)此采用無冷熱橋的設(shè)計(jì)，以及優(yōu)化冷熱橋細(xì)部節(jié)點(diǎn)是降低熱傳導(dǎo)，提高建筑節(jié)能最有效的方法。上述三點(diǎn)表明凌悅?cè)A府項(xiàng)目在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊、角、門窗連接點(diǎn)等處作了降低熱傳導(dǎo)的處理，最大可能地避免了外墻薄弱處的熱橋效應(yīng)。

④保溫層上設(shè)有與基層墻體固定的防熱橋錨栓（圖4），能更好地減少或避免錨栓在外墻保溫中的熱橋效應(yīng)，以提高建筑節(jié)能指數(shù)，使保溫系統(tǒng)具有更好的保溫隔熱效果。

3.3 被動(dòng)式門窗及遮陽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目中為外掛式安裝方式被動(dòng)門窗，對(duì)于窗戶所用的鋁型材、隔熱條、玻璃、五金件都有非常嚴(yán)格的要求（圖5）。門窗產(chǎn)品采取以下設(shè)計(jì)。

圖5 門窗與遮陽安裝節(jié)點(diǎn)

①被動(dòng)式130C鋁包木外開門、內(nèi)開內(nèi)倒鋁包窗；②RAICO系統(tǒng)75DI鋁合金被動(dòng)式進(jìn)戶門；③鋁合金可拆卸百葉窗、鋁合金防雨百葉窗，內(nèi)置防蟲網(wǎng)；④鋁包木外開門，內(nèi)開門、內(nèi)開內(nèi)倒窗選用紅松；⑤表面靜電粉沫噴涂的鋁材；⑥鋁包木窗全部選用5Lowe+16Ar+5+16Ar+5Low-e三玻兩腔兩片高性能單銀Low-e玻璃，它們是能夠反射紅外能量，兼具“最大限度充許可見光進(jìn)入”和“控制太陽能”兩種性能的玻璃。三玻兩腔的被動(dòng)式窗戶，可以獲得更多的能量，同時(shí)減少能量損失；性能優(yōu)于普通雙層玻璃四倍以及優(yōu)越的隔音效果，暖邊、鋼化、充氬氣等惰性氣體用來降低窗體地導(dǎo)熱性；⑦內(nèi)外墻板均采用導(dǎo)熱系數(shù)≤0.032，具有良好絕熱能力的高強(qiáng)石墨聚苯板；⑧以耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布為基材的玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）。

被動(dòng)窗和樓宇門整體U值不應(yīng)大于0.8（W/mK）。玻璃的SHGC（g值）和U值指中空或真空玻璃整體，不是單片玻璃。SHEC（g值）應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范選用，不可進(jìn)行數(shù)值上下調(diào)整，U值可小于規(guī)定值。為便于安裝，被動(dòng)門窗四周需為混凝土且結(jié)構(gòu)寬度不低于250mm。同時(shí)，該項(xiàng)目建筑外窗戶設(shè)有可調(diào)節(jié)外遮陽系統(tǒng)，在進(jìn)行夏季遮陽計(jì)算時(shí)，外窗遮陽按照全部遮住進(jìn)行設(shè)置即遮陽率為88%，確保夏季能耗減少到最低。

3.4 氣密性設(shè)計(jì)

湖北凌悅?cè)A府項(xiàng)目的氣密性設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循以下三點(diǎn)。

（1）氣密線繪制

在建筑平面圖和剖面圖中，用紅色粗虛線沿被動(dòng)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)繪制氣密線，以便施工人員識(shí)別并采取技術(shù)措施予以保證。氣密層需要連續(xù)無中斷地包裹整個(gè)被動(dòng)區(qū)。

（2）氣密施工

位于氣密線上的所有孔洞、縫隙均需要采取氣密保證措施予以處理，為了保證建筑氣密性需嚴(yán)格按照相關(guān)氣密性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工。

（3）門窗安裝氣密性處理

外門窗氣密性等級(jí)不應(yīng)低于8級(jí)、水密性等級(jí)不低于6級(jí)、抗風(fēng)壓性能等級(jí)不低于9級(jí)。對(duì)于高氣密性要求的建筑，在窗框與結(jié)構(gòu)墻結(jié)合部位應(yīng)進(jìn)行防水密封處理，所采用的防水隔氣膜材料應(yīng)符合技術(shù)指標(biāo)要求。

以該項(xiàng)目外窗部位的氣密性處理為例來闡述被動(dòng)式住宅的低能耗綠色建筑設(shè)計(jì)理念（圖6）。外門窗安裝部位氣密性處理要點(diǎn)如下。

圖6 外窗部分構(gòu)造大樣圖

①窗框與結(jié)構(gòu)墻面結(jié)合部位是保證氣密性的關(guān)鍵部位，在粘貼隔汽膜和防水透汽膜時(shí)要確保粘貼牢固嚴(yán)密。支架部位要同時(shí)粘貼，不方便粘貼的靠墻部位可抹粘接砂漿封堵。②在安裝玻璃壓條時(shí)，要確保壓條接口縫隙嚴(yán)密，如出現(xiàn)縫隙應(yīng)用密封膠封堵。外窗型材對(duì)接部位的縫隙應(yīng)用密封膠封堵。③為降低潮氣和浮塵對(duì)粘結(jié)力的影響，刷基層處理劑將潮濕基層進(jìn)行密封。④使用較普通防水涂料附著性強(qiáng)、密度大、防水效果更佳的高分子防水涂料。⑤良好熱工效果的LC15輕骨料混凝土樓地面隔熱層。⑥門窗扇安裝完成后，應(yīng)檢查窗框縫隙，并調(diào)整開啟扇五金配件，保證門窗密封條能夠氣密閉合。

結(jié)語

低能耗建筑是全球“節(jié)能減排”背景下促進(jìn)建筑轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵，同時(shí)也是中國目前處于存量更新狀態(tài)的建筑可持續(xù)發(fā)展的必由之路。本文分析始于德國的被動(dòng)房設(shè)計(jì)理念及參數(shù)，并通過國內(nèi)夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)式建筑的實(shí)際工程項(xiàng)目實(shí)踐，總結(jié)出以下三大技術(shù)措施，并可廣泛應(yīng)用于我國的民用建筑設(shè)計(jì)。

①無熱橋設(shè)計(jì)。基于“避讓、擊穿、連續(xù)、幾何”四大原則最大限度保證建筑的無熱橋設(shè)計(jì)，避免熱流集中導(dǎo)致的內(nèi)墻結(jié)露和熱量損失問題。②被動(dòng)式門窗設(shè)計(jì)。通過遵從規(guī)范系數(shù)的被動(dòng)式門窗輔助外設(shè)遮陽系統(tǒng)可大幅度改善屋內(nèi)熱量堆積情況，避免夏季冷負(fù)荷過大、室內(nèi)能耗嚴(yán)重的情況出現(xiàn)。③建筑氣密性設(shè)計(jì)。通過對(duì)建筑細(xì)部及門窗等結(jié)構(gòu)的氣密性設(shè)計(jì)乃至于后續(xù)的施工實(shí)踐，保證在風(fēng)壓和熱壓的作用下，建筑圍護(hù)體系內(nèi)溫度恒定。

本文在研究居住建筑結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)時(shí)，未對(duì)其他建筑形式進(jìn)行對(duì)照研究，需要在后續(xù)的研究發(fā)展中進(jìn)一步深入。

資料來源：

圖1：引自《中國建筑能耗報(bào)告》；

圖2：引自《被動(dòng)房概念標(biāo)準(zhǔn)與外保溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)》；

表1～2：引自《德國被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)》；

其余圖片均為作者自繪。