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【被动房技术交流】因地制宜|“超低能耗建筑”如何在中国落地?

日期: 2021-09-03
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  【关键词】环境温度 热舒适度 相对湿度 结露点 传热系数 适合国情的标准

  【摘要】我国是多气候区域,地区之间差异明显,分严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖地区,因此不能生搬硬套德国的指标,但他们提出建筑能耗应保证室内热舒适度的两条准则原理是应当借鉴的,并根据这两条准则原理,结合我国的区域特点,提出建筑设计的依据。

  前言

  节能减排是国家经济发展必由之路,建筑的节能是全社会节能减排的重要组成部分,不仅在我国,就是西方发达国家也是积极推进建筑的节能工作。今年国家提出2030、2060年实现碳达峰和碳中和目标,建筑节能要实现80~95%的目标,其中建筑节能是重点,并已提出强制推广使用超低能耗建筑。

  早在上世纪八十年代由瑞典隆德大学教授波.阿德姆森等人就提出被动房理念,即在不设传统采暖设施条件下,仅靠太阳能幅射、室內灯光、电器散热、人体散热等自然得热方式条件下,建造冬季室內温度能达到20度以上,具备良好的舒适度的房屋。根据以上理念,提出超低能耗建筑,既节能又能满足舒适环境的需求,主要通过三个方面来实现。

  1、建筑围护结构做到高性能。良好的保温、隔热的外围护结构,包括薄弱环节的高性能门窗配套。

  2、有效的大幅提升所有建筑节能系统的效率。

  3、利用再生能源,如太阳能、水资源合理利用及回收,有效减少化石能源的消耗。

  具体来说,就是釆用各种节能技术,采用最佳的建筑围护结构和室内舒适环境,最大限度地提高建筑保温、隔热性能,使建筑物对采暖和制冷需求降到最低,并通过各种技术手段如:新风系统的应用、采光太阳能利用、水循环系统的利用及回收等,实现室內舒适环境要求,最大限度的降低传统式的采暖和制冷系统的依赖,或是完全取消这类设施的解決方案。

【被动房技术交流】因地制宜|“超低能耗建筑”如何在中国落地?

  由于我国的气候条件地理环境与德国不一样,不能完全照搬德国的相关技术指标,要根据我国的气侯状况来建造超低能耗建筑,并制订适合我国国情的相关标准,满足不同区域超低能耗建筑节能要求。

  一、超低能耗建筑性能确定的依据

  1、人体对环境温度的反应

  研发超低能耗建筑的设计,首先要讨论室内居住环境满足人们工作、生活所需求的舒适度为重点,其影响因素主要是空气温度、相对湿度、气流速度及平均辐射温度。其核心点是室内环境,使人在休息时能保持体温在37℃左右,超过或低于2℃时,在短期内还可忍受,若持续时间太长或体温升降偏差太大时,就会损害健康,甚至危及生命,因此,在人类赖以生存的条件范围内,有一个较小的区间定为“舒适区”,在此条件下,人体热调节机能的应变最小。因此对建筑设计中的墙体厚度及保温、屋面保温和排水、门窗保温及安装方式、遮阳、水电气的节能要求来实现。

  早在40多年前,美国耶鲁大学盖奇等人就提出了人体热感觉与环境、健康状态的关系。

人体热舒适度

  2、2009年德国提出的建筑釆暖能秏限额小于等于45Kwh/m2a(即每平方米年能耗量),关于超低能耗建筑釆暖限额小于等于15Kwh/m2a,制冷能耗小于等于15Kwh/m2a,这是建筑能耗最高标准,基本可以实现零能耗的建筑指标,这些标准可以参考,并针对严寒地区。

  3、室内环境热舒适度准则

  由于门窗是外围护结构的薄弱环节,其传热系数难以达到外墙等外围护结构水平,而且外窗是直接影响室內环境的主要因素,故提出室内环境热舒适度准则,使外门窗能够达到这些要求。因此德国在建造超低能耗建筑时,提出对建筑总能耗保证热舒适度的两条准则,应是我国建造超低能耗建筑设计的基本依据,具体如下:

  第一、不论室外空气温度是多少,在控制能耗的情况下,应保持室内温度为20℃,室内表面平均温度在设计条件下,高于17℃,否则在地面可能形成冷气层,在窗边会感觉不舒适。

  第二,为了防止细菌生长,室内空气相对湿度,人体感到舒适范围内,即30%~65%之间,即要求室內溫度为20度时,室内表面在相对湿度为65%时不产生结露,这时露点温度为13.2℃,因此,内表面温度最低点位置应保持在13℃以上。

【被动房技术交流】因地制宜|“超低能耗建筑”如何在中国落地?

  二、超低能耗建筑外围护结构性能分析

  我国是多气候区域,各地区气候差异很大,并分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖地区,德国的气侯比较单一,因此不能生搬硬套德国的指标,对建筑节能提出能耗应保证室内热舒适度的两条准则原理是应当借鉴学习的,根据这两条准则原理,结合我国的实际情况,以作为建筑设计的依据,从建造室内舒适小环境中。简单地讲,可分为两种作用的性能。一种是根据外界环境制定的性能指标,如传热系数K值及抗风压性能,它控制室内小环境的热舒适度和安全。另一类是对室内小环境舒适度的保证,如抗风压、气密、水密、隔声、防火、抗冲击、抗震、太阳能热量获得率及使用寿命等可作为定值的择优确定,因此除抗风压性能和传热系数K值要根据我国的气候异常条件确定外,其余可基本采用德国的性能数据,包括窗的加工和安装上墙要求。

  针对抗风压性能按常规计算取值即可,而保温性能则按热传导的基本原理,即可推导出我国各地区的传热系数指标,其中针对寒冷和严寒地区主要是防寒,夏热冬暖地区是防热辐射和防潮湿和结露,而夏热冬冷地区则二者兼顾。

  以严寒地区为例,大家都会有共同感觉是气候干燥,而南方冬天因潮湿,其温度虽然在零上10℃以内,还是觉得很冷,但北方同样温度下,就不像南方那样感觉很冷。因此在吸取德国两条舒适度,准则中,我们认为采用温度为20℃,由于室内空气干燥,窗内表面温度可低一些取16℃也不会有冷辐射感觉,其相对湿度取30%-55%以满足舒适度为准,减少了过度的要求。

  按以上意见,准则确定后,按稳定传热条件来计算,即可推导出建筑外窗传热系数K值。即外窗的传热系数和防止结露的最低温度表面的传热系数,按此两个指标和与其配套的性能的保证指标,即可设计出超低能耗建筑用外窗的依据。

  现举严寒地区为例:

  设室外温度为t0,室内温度ti为20℃,窗内壁平均温度tib为16℃,相对湿度为55%计算,则室内结露点温度为10.7℃,这样窗内壁最低点温度取≥11℃,则可求出K值,以满足外界温度的要求。

  kw≤[(ti- tib).hi]/ (ti- t0)

  上式中:

  kw—窗的传热系数w/㎡.k

  ti—室内温度K取20℃

  t0—室外温度K

  hi—窗内表面换热系数,取8 w/㎡.k

  tib—窗内壁平均温度取16℃

  若严寒地区某城市,冬季室外最低温度为t0=-35 ℃,即可求出整窗的传热系数Kw值。

  kw≤[(20- 16).8]/ [20-(-35)] ≤0.58 w/㎡.k

  窗的薄弱环节部位的传热系数KL,应保证内壁薄弱点的温度>11℃。

  则KL<[(20- 11).8]/ [20-(-35)]<1.3 w/㎡.k

  其他地区,均可按照以上原则,采用本地区热舒适度取值,以确定窗的性能指标。

【被动房技术交流】因地制宜|“超低能耗建筑”如何在中国落地?

  超低能耗节能外窗

  三、墙体和屋面保温

  关于墙体和屋面的保温是很重要的,它做好了,实现模块化设计和安装,并且能够保证屋面和墙体厚度,实现保温厚度应大于300mm,对降低冬季采暖和夏季空调用电会有很大帮助,门窗作为外墙围护中的重要组成部分,外门窗性能要求将更好的保证,根据目前国情,建议高层住宅建筑外窗安装在洞口边部,不建议采用外挂式的安装,低层建筑高度不超过20m的可以采用外挂式安装,通过节能附框与窗框连接,施工人员可以在室内施工,降低施工的安全风险。

  四、门窗的要求

  超低能耗节能外门窗不同于常规门窗产品,外门窗的结构设计和选材很重要,干法施工需要室内外的防水透气膜、EPDM板和室外窗台板、窗套必不可少,防水和防结露各个区域都需要,由于我国地域辽阔,由不同的地域差异,门窗要求也有差异,针对极端气候变化的适应性更要考虑,保证建筑外门窗、幕墙要与建筑同寿命,从而减少建筑垃圾,对减少碳排放有帮助,所以要因地制宜结合不同区域气侯来满足超低能耗建筑外窗节能,对于门窗节能指标,应当看型材断桥的宽度和高度和隔热材料的导热系数,并要求型材的传热系数,与建筑外门窗配置的玻璃、胶条的导热系数和传热系数,只有这样才能更好的解决门窗的传热系数,测试数据更真实。

  1、我国区域辽阔,气候区域分布广泛,要针对严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖不同地区建议提高整窗的传热系数要求:

  夏热冬冷地区建议为1.00~1.30 w/㎡.k,考虑遮阳

  严寒地区和寒冷地区建议为0.80~1.00 w/㎡.k

  夏热冬暖地区建议1.30~1.50 w/㎡.k,考虑遮阳

  四季温暖地区为1.50~1.80 w/㎡.k

  2.气密性能建议小于或等于0.3~0.15m3/m.h,气密性能直接影响保温性能和安全性及舒适度。

  3.在防水性能中,建筑外窗户建议增加节能附框,实现干法安装施工,增加室外侧窗套和窗台板,提高窗体保温及防水、防渗漏、防腐等功能,与节能窗成为完整体系,材料选用3.0mm铝合金型材或铝板成型,并在规范中强制执行,并处理好沿海地区抗台风、针对极端天气对门窗的要求;

  4.对窗户的防盗和抗冲击性能要求应加强,型材、玻璃、五金件与窗,成品窗与洞口的连接配合中的使用,提高型材壁厚,建议塑窗型材壁厚大于3.0mm,同时腔体填充硬质发泡,复合型材的拉伸和剪切应力应大于等于50N/mm,铝型材节能窗壁厚提高2.0mm~2.2mm,材料质量保证50年以上或与建筑同步;

  5.防火窗是要考虑,有逃生通道或房间的独立设计;

  6.门窗检测不应只对送样负责,要对项目及产品负责,检测方法要与实际相结合,对产品负责就是对用户负责;

  五、太阳能和雨水的利用

  太阳能光伏板在建筑上已有应用,主要解决住宅用电问题,降低煤炭(石化)发电用量,对节能降耗作用贡献很大,须大力推广。

  雨水处理和再利用,废水这种技术目前国内环保要求,国内工厂已在广泛应用,雨水和废水的处理和利用在建筑住宅方面推广不够,需加强技术创新和广泛推广应用。

  六、新风的应用

  由于超低能耗建筑的保温性能和气密性能特别好,需要通过新风系统解决室内舒适度,通过新风过滤、灭毒、杀菌、增氧、预热(冬季)來保证室內的空气清新,同时保证减少热量损失,实现室内的温度、湿度、空气质量的适宜。

新风系统的配置

  新风系统的配置

  七、结束语

  超低能耗建筑,已成为我国建筑节能发展方向,而其建筑绿色节能设计制造也是其关健,我国超低能耗建筑已建成许多项目,如秦皇岛的在水一方,哈尔滨的“辰能.溪树庭院”,以及节能改造项目和特色乡村新民居超低能耗建筑的应用,积累了些经验,为更广泛推动超低能耗建筑的发展,实现碳达峰和碳中和的目标,需要更多方面努力并做出适合我国国情的超低能耗建筑及产品。 

作者:李江岩 李冠男来源:上海茵捷建筑科技有限公司

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