夏熱冬冷地區被動房圍護結構節能設計研究
——以武漢凌悅華府項目為例

丁祥璐 | Ding Xianglu

尚 偉 | Shang Wei

張灼芊 | Zhang Zhuoqian

呂 桑 | Lyu Sang

韓 楊 | Han Yang

自18世紀工業革命以來，全球平均氣溫快速上升，導致溫室效應頻發[1]；經濟社會的發展同時伴隨著“能源消耗嚴峻”的問題等，面對全球氣候變暖、能源消耗及碳排放巨大的緊迫形勢，“節能減排”成為全球重點[2]，建筑能耗因其在社會總能耗中的巨大占比而引起廣泛關注[3]。在亟需改變傳統建筑構造形式來降低建筑能耗的全球背景下，逐漸形成了“被動房”這一新的建筑體系（圖1）。

圖1 中國建筑能耗占比

“被動房”被定義為通過太陽能、保溫、地熱、熱回收新風系統等綜合技術，使建筑僅依靠本身的構造設計，就能達到室內舒適的熱環境，不需要依賴“主動”提供能量的采暖、制冷等設備的建筑[4]。被動房在降低能耗的同時，并不會降低建筑空間的舒適性，高性能的外圍護結構使得建筑在嚴寒的冬天和炎熱的夏季也能保持室內溫度恒定[5]，同時通過新風系統提供足夠的、清潔的新鮮空氣保證室內空氣質量。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，具有可持續性[6-7]。雖然被動房的建造費用較高，但在建筑的全壽命周期，運營及維護費用極低，整個成本相對傳統建筑更經濟。

表1 德國被動房標準

1 國內外被動房研究發展

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

近年來，國內外學者針對被動式房屋開展了一系列不同角度的研究，主要是針對不同氣候的地區開展了不同的研究分析。其中李楠等通過實測和模擬分析的方法對寒冷地區過渡季被動房的各項通風策略進行了研究，提出借助可再生能源來保障被動房的節能與舒適性[8]。金松濤等從嚴寒地區被動房外墻系數入手通過計算比較與德國的差異性，提出適用于我國高緯度地區的外墻傳熱系數[9]。而對于溫和地區，崔躍結合了民用建筑能耗統計結果討論了適宜溫和地區的以改善冬季室內保溫情況的被動房技術指標體系[10]。Gamero關注了降低熱帶地區室內過熱風險方面的相對影響，通過熱模擬的方式評估室內過熱風險，強調被動冷卻以及保護設計策略在當地的重要性[11]。為了比較中德兩國間的現實差異，任志剛等以氣候適應性為出發點選取兩國22座城市，研究了德國被動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的冷暖需求與除濕需求的大致變化[12]。

我國現階段的綠色建筑被動式技術脫胎于德國的技術體系，其構造重點集中在圍護結構得到高保溫性能、被動式門窗的高氣密性、新風熱回收裝置以及可再生能源的利用等方面[13]，我國嚴寒地區和寒冷地區被動式超低能耗建筑技術導則節能率可以達到90%，夏熱冬冷和夏熱冬暖地區的節能率可以達到85%[14]德國被動房的室內環境標準過高，若直接使用導致我國建筑夏季冷負荷過大。因此設計階段需要針對被動房發展出適用于我國氣候變化的結構選型及參數標準。

2 夏熱冬冷地區被動房設計要點及參數

夏熱冬冷地區夏季高溫悶熱，冬季陰冷，冷感強烈，且夏季時間持續較長，因而，該地區的建筑需兼顧夏季隔熱和冬季保溫。在整個建筑能耗中，滲透熱損失占比一般達到20%～30%左右[15]，因此在被動房中所有外露構件均需進行保溫處理，杜絕熱橋。這樣可以減少熱量損失及防止室內結露；當熱橋系數≤0.01w/m2K，可視為無熱橋結構設計。除此之外，被動房還應注意建筑的氣密性，建筑能耗與氣密性密切相關（圖2）。氣密性等級越高，建筑物漏氣量越小，室內能量損失越小，同時高度的氣密性還具有隔音降噪、防潮、防霉的功能。表2所示德國被動房能耗指標及氣密性指標，普通節能建筑對建筑物氣密性沒有要求，被動式建筑要求建筑整體氣密性指標N50≤0.6次/小時，也就是1小時室內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 建筑能耗指標及氣密性指標

圖2 建筑能耗與氣密性

門窗在整個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建筑物熱量損失的一半[16]。因此，被動房設計中，門窗的性能也是建筑節能的重要點。表3為德國在不同氣候區被動房窗戶的認證標準，夏熱冬冷地區窗戶均采用三玻兩中空構造，或玻璃間充惰性氣體，使用Low-e玻璃和暖邊材料，整窗傳熱系數小等于0.85W/（m2K），且節能玻璃需要滿足三個指標：傳熱系數≤0.8；太陽能得熱系數≥0.35；光熱比LSG=tv/g≥1.25。

表3 被動房窗戶認證標準

3 夏熱冬冷地區被動房圍護結構設計研究與實踐

3.1 研究概況

武漢市地處長江流域屬于亞熱帶季風氣候，室內溫度低、舒適度差，是典型的夏熱冬冷城市，本文以湖北武漢凌悅華府項目為研究對象，該項目充分體現了被動式房屋的設計理念和施工標準，且通過了德國PHI相關機構認證，主要通過分析其無熱橋設計原則、外門窗氣密性處理要點、被動式門窗及遮陽系統設計等圍護結構方面的設計與施工技術，總結夏熱冬冷地區進行被動房建筑設計時應考慮的綠色建筑設計理念。

3.2 無熱橋設計

凌悅華府項目中大量運用了嚴謹的結構設計與新型絕熱材料并行的無熱橋設計，從而盡可能地大幅減少供熱制冷的能源消耗。湖北凌悅華府項目在避免熱橋方面遵循以下幾點原則。

①避讓原則：盡可能不破壞或穿透外圍護結構；②擊穿原則：當管線等必須穿透外圍護結構時，在穿透處增大孔洞，保證足夠的間隙進行密實無空洞的保溫；③連續原則：用連續不間斷的保溫消除熱橋效應，減少熱量損失及防止室內結露；④幾何原則：避免幾何結構的變化，減少散熱面積。

圖3及圖4為湖北凌悅華府項目的無熱橋設計細部圖，其設計要點如下。

圖3 防熱橋處理

圖4 外墻防熱橋保溫錨栓安裝

①項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閉孔蜂窩狀結構，與傳統EPS板相比，具有密度大、壓縮性能高、導熱系數小、吸水率低、水蒸氣滲透系數小等特點。在夏熱冬冷地區長期高濕度或浸水環境下，XPS板仍能保持其優良的保溫性能，以聚合物粘接、釘的方式與墻身固定。

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式建筑材料之一。

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

在該項目性能優秀的外保溫包裹的情況下，熱量通過建筑圍護結構傳導較為困難，主要通過邊、角、連接點等細部節點傳導，對此采用無冷熱橋的設計，以及優化冷熱橋細部節點是降低熱傳導，提高建筑節能最有效的方法。上述三點表明凌悅華府項目在外圍護結構的邊、角、門窗連接點等處作了降低熱傳導的處理，最大可能地避免了外墻薄弱處的熱橋效應。

④保溫層上設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，以提高建筑節能指數，使保溫系統具有更好的保溫隔熱效果。

3.3 被動式門窗及遮陽系統設計

該項目中為外掛式安裝方式被動門窗，對于窗戶所用的鋁型材、隔熱條、玻璃、五金件都有非常嚴格的要求（圖5）。門窗產品采取以下設計。

圖5 門窗與遮陽安裝節點

①被動式130C鋁包木外開門、內開內倒鋁包窗；②RAICO系統75DI鋁合金被動式進戶門；③鋁合金可拆卸百葉窗、鋁合金防雨百葉窗，內置防蟲網；④鋁包木外開門，內開門、內開內倒窗選用紅松；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入”和“控制太陽能”兩種性能的玻璃。三玻兩腔的被動式窗戶，可以獲得更多的能量，同時減少能量損失；性能優于普通雙層玻璃四倍以及優越的隔音效果，暖邊、鋼化、充氬氣等惰性氣體用來降低窗體地導熱性；⑦內外墻板均采用導熱系數≤0.032，具有良好絕熱能力的高強石墨聚苯板；⑧以耐堿玻璃纖維網格布為基材的玻璃纖維增強水泥（GRC）。

被動窗和樓宇門整體U值不應大于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）應嚴格按規范選用，不可進行數值上下調整，U值可小于規定值。為便于安裝，被動門窗四周需為混凝土且結構寬度不低于250mm。同時，該項目建筑外窗戶設有可調節外遮陽系統，在進行夏季遮陽計算時，外窗遮陽按照全部遮住進行設置即遮陽率為88%，確保夏季能耗減少到最低。

3.4 氣密性設計

湖北凌悅華府項目的氣密性設計嚴格遵循以下三點。

（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區圍護結構內側繪制氣密線，以便施工人員識別并采取技術措施予以保證。氣密層需要連續無中斷地包裹整個被動區。

（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格按照相關氣密性節點進行施工。

（3）門窗安裝氣密性處理

外門窗氣密性等級不應低于8級、水密性等級不低于6級、抗風壓性能等級不低于9級。對于高氣密性要求的建筑，在窗框與結構墻結合部位應進行防水密封處理，所采用的防水隔氣膜材料應符合技術指標要求。

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

圖6 外窗部分構造大樣圖

①窗框與結構墻面結合部位是保證氣密性的關鍵部位，在粘貼隔汽膜和防水透汽膜時要確保粘貼牢固嚴密。支架部位要同時粘貼，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，要確保壓條接口縫隙嚴密，如出現縫隙應用密封膠封堵。外窗型材對接部位的縫隙應用密封膠封堵。③為降低潮氣和浮塵對粘結力的影響，刷基層處理劑將潮濕基層進行密封。④使用較普通防水涂料附著性強、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，應檢查窗框縫隙，并調整開啟扇五金配件，保證門窗密封條能夠氣密閉合。

結語

低能耗建筑是全球“節能減排”背景下促進建筑轉型發展的關鍵，同時也是中國目前處于存量更新狀態的建筑可持續發展的必由之路。本文分析始于德國的被動房設計理念及參數，并通過國內夏熱冬冷地區被動式建筑的實際工程項目實踐，總結出以下三大技術措施，并可廣泛應用于我國的民用建筑設計。

①無熱橋設計。基于“避讓、擊穿、連續、幾何”四大原則最大限度保證建筑的無熱橋設計，避免熱流集中導致的內墻結露和熱量損失問題。②被動式門窗設計。通過遵從規范系數的被動式門窗輔助外設遮陽系統可大幅度改善屋內熱量堆積情況，避免夏季冷負荷過大、室內能耗嚴重的情況出現。③建筑氣密性設計。通過對建筑細部及門窗等結構的氣密性設計乃至于后續的施工實踐，保證在風壓和熱壓的作用下，建筑圍護體系內溫度恒定。

本文在研究居住建筑結構指標參數時，未對其他建筑形式進行對照研究，需要在后續的研究發展中進一步深入。

資料來源：

圖1：引自《中國建筑能耗報告》；

圖2：引自《被動房概念標準與外保溫設計要點》；

表1～2：引自《德國被動房標準》；

其余圖片均為作者自繪。