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【被动房技术交流】被动式超低能耗建筑外围护结构隔热保温方法研究

日期: 2021-11-05
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   0 引言

  被动式超低能耗建筑是一种高能源效率、低环境污染、提升居住舒适性、维持健康环境的绿色低碳建筑,是人类应对能源危机、提升生活质量的重要建筑形式,是近年来我国发展较为迅速的新型节能建筑。欧美国家的被动式超低能耗建筑兴起较早,超低能耗、零能耗以及负能耗建筑在欧美国家已逐渐普及。近年来我国也渐渐重视建筑的生态环保节能特性[1],尤其是被动式超低能耗建筑、近零能耗建筑,人们对于被动式超低能耗建筑逐渐重视。

  被动式超低能耗建筑的消耗情况应低于2016年我国建筑节能设计标准的1/2以上;而近零能耗对消耗能耗水平要求更高,应低于2016年我国建筑节能设计标准的2/3以上。超低能耗以及零能耗建筑需要尽量利用建筑自身能源或可再生能源,当建筑年度消耗能源小于或等于可再生能源年度消耗时,说明实现了零能耗建筑,大量技术支持是实现被动式超低能耗建筑低能源消耗的基础。

  被动式超低能耗建筑依据建筑所在地理位置与气候条件,对建筑外围护结构采取一系列隔热保温措施,有效降低能耗,提升建筑外围护结构的隔热保温性能,对居住舒适性同样有所提升。建筑节能要求以及外围护结构隔热保温性能受到人们极大的重视[2]。建筑外围护结构传热损失是被动式超低能耗建筑中消耗最高的,因此,研究被动式超低能耗建筑外围护结构的隔热保温方法具有重要意义。

  1 被动式超低能耗建筑能量体系

  建筑能量需求边界与建筑能源使用边界是建筑能耗的2种边界。室外环境与建筑物通过建筑能量需求边界交换能量,例如,太阳辐射与室内温度交换、室外环境与外围护结构交换均通过建筑能源使用边界交换,建筑能量需求边界利用负荷计量,即建筑能量需求边界为实现建筑所需功能与维持室内环境所需要供给的热能、冷能、电能等能量负荷。建筑所需要能量通过建筑能源使用边界利用建筑的电力、空调和供暖等能源系统提供[3],被动式超低能耗建筑能量边界划分如图1所示。 

被动式超低能耗建筑能量体系边界划分 

图1 被动式超低能耗建筑能量体系边界划分

  由图1可知,建筑的超低能耗可通过建筑能量需求边界与建筑能源使用边界2方面采取隔热保温技术措施实现。随着科学技术不断发展,越来越多节能措施应用于各类型建筑中,采用不同节能措施的建筑,具有差异的低能耗建筑概念特点。被动式超低能耗建筑将节能技术措施应用于建筑能量需求边界中,将建筑能量需求降至最低[4],不过度利用建筑能源系统提供建筑能源,降低建筑能源消耗实现超低能耗需求。被动式超低能耗建筑为起源于德国被动房概念的新型建筑类型,被动式超低能耗建筑秉持降低建筑能源需求即降低能源消耗的观点,通过这一理念实现低能源供应。

  2 被动式超低能耗建筑特征

  利用被动式超低能耗建筑能量体系边界的划分,研究其建筑特征,该被动式超低能耗建筑具有高隔热保温性、高保温性门窗、高气密性、热回收新风系统以及无热桥设计5个特征。随着被动式超低能耗建筑不断发展,可再生能源的充分利用也是被动式超低能耗建筑的重要特征[5]。被动式超低能耗建筑以超低能耗实现居住人员的舒适与健康,高性能的隔热保温结构是降低被动式超低能耗建筑能耗的核心。被动式超低能耗建筑示意如图2所示。 

被动式超低能耗建筑示意

图2 被动式超低能耗建筑示意

  被动式超低能耗建筑实现超低能耗的主要技术是以建筑能耗作为约束条件,设置优良隔热保温性能的外围护结构。被动优先、主动优化是实现被动式超低能耗建筑的技术原则,充分利用可再生能源是被动式超低能耗建筑设计的基本路线[6]。被动式超低能耗建筑由合理的设计、高科技技术以及精细施工组成,三者缺一不可,其本质是建筑利用有效设计方法实现高质量被动式超低能耗建筑。

  被动式超低能耗建筑实现的难点是如何集成新风热回收、可调遮阳、高性能围护结构等多种高科技建筑技术,需要一个系统的解决方案。太阳光、风力、植被等自然条件均属于可再生能源,应大力应用于被动式超低能耗建筑中,尽量降低建筑能耗,实现建筑保暖、采光要求,提高居住舒适性。同时有效降低能耗,提升室内环境性能[7]。科学合理地设计被动式超低能耗建筑,各专业相互配合,设计科学有效的建筑方案,利用高技术设计方法提升建筑科技含量,维持被动式超低能耗建筑的可再生性能。

  3 建筑外围护结构隔热保温措施

  3.1 高性能隔热保温材料

  被动式超低能耗建筑对外围护结构的热工性能要求高于我国普通建筑的隔热保温要求,被动式超低能耗建筑应以紧凑为设计原则,体形系数应小于0.5,被动式超低能耗建筑的窗墙比对于外围护结构热传递影响较大。被动式超低能耗建筑的传热系数与我国现行节能建筑传热系数对比如表1所示。

  表1 被动式超低能耗建筑与节能建筑传热系数对比

 被动式超低能耗建筑与节能建筑传热系数对比

  由表1可以看出,被动式超低能耗建筑对屋面和外墙等外围护结构的传热系数要求小于0.16W(/m²·K),而节能居住建筑屋面和外墙的传热系数是被动式超低能耗建筑的2.6倍左右。通过对比结果可知,只有采用导热系数低的外围护结构隔热保温材料,才能满足被动式超低能耗建筑高质量隔热保温性能要求。

  典型的被动式超低能耗建筑外围护结构材料构成如图3所示。

被动式超低能耗建筑外围护结构材料构成

图3 被动式超低能耗建筑外围护结构材料构成

  由图3可以看出,被动式超低能耗建筑采取了胶粉聚苯颗粒保温隔热灰浆作为保温隔热层,提升建筑隔热保温性能。常用于被动式超低能耗建筑的保温材料有聚氨酯、泡沫玻璃、真空绝热板、矿物纤维保温材料等,常应用于被动式超低能耗建筑的保温材料导热系数如表2所示。

 被动式超低能耗建筑常用保温材料的导热系数

  表2 被动式超低能耗建筑常用保温材料的导热系数

  通过被动式超低能耗建筑所处地理位置、气候区和外围护结构形式,选取合适的外围护结构保温材料,高性能外围护结构是实现超低能耗的重要指标[8],具有优良性能的保温材料才可实现被动式超低能耗建筑外围护结构最优性能。

  3.2 被动式超低能耗建筑外围护结构无热桥设计

  被动式超低能耗建筑外围护结构保温层需连续完整,避免形成结构性热桥,增加能耗。被动式超低能耗建筑外围护保温系统连接锚栓应设置阻断热桥措施。

  建筑的热桥会造成外围护结构热负荷或冷负荷,并使建筑外围护结构内表面冷凝发霉现象概率增加,因此设置被动式超低能耗建筑的无热桥设计对于实现超低能耗甚至近零能耗具有重要意义[9]。被动式超低能耗建筑要求热桥限值为线热桥≤0.01W(m·K)。

  无热桥设计在施工时要求较高,被动式超低能耗建筑的无热桥设计施工过程中需实现不间断保温,施工手段要极为严谨,保证保温层无穿透现象。被动式超低能耗建筑外围护结构典型的无热桥安装方式如图4所示。

被动式超低能耗建筑外围护结构无热桥安装方式

  图4 被动式超低能耗建筑外围护结构无热桥安装方式

  由图4可以看出,外围护结构的连接件与墙体之间采用了防潮保温垫块,可有效防止形成冷热桥。选取专业防水透气膜及隔汽膜,将复粘法应用于建筑角落部位与连接部分,提高被动式超低能耗建筑外围护结构门窗缝隙的气密性,增强保温效果[10],具有节能意义。

  被动式超低能耗建筑的外墙保温主要包括单层保温和双层保温,无热桥设计施工时应依据保温形式选择不同连接方式,单层保温可采用锁扣连接,双层保温可采用错缝粘结。无热桥设计施工时,外墙保温系统性热桥应降低与建筑拉结情况。

  外墙墙角应选取成型保温构件避免出现结露情况;选取断热桥锚栓可有效避免被动式超低能耗建筑出现系统性热桥;建筑阳台板与主体结构设计时应断开,有效降低外围护结构产生热桥情况,且阳台板需利用保温材料全部包裹提升保温性能;管道穿过外围护结构时,需预设置套管,且管道周围需选取合适保温材料密实封闭。

  3.3 被动式超低能耗建筑外围护结构高气密性设计

  建筑的渗透热损失是建筑主要能量消耗之一,因此优良的气密性对于被动式超低能耗建筑节能具有重要意义。被动式超低能耗建筑要求气密性限值需≤0.6h-1,气密性限值指基准压差为50Pa时,建筑内部体积除50Pa时的平均空气渗透量获取的换气次数。利用鼓风门法可获取被动式超低能耗建筑气密性限值,利用气密性限值可有效评估建筑的气密性。提升建筑气密性是降低能耗的重要方法,还可提高室内人员居住舒适性[11],保证室内人员处于健康环境中。被动式超低能耗建筑典型的气密性构造设计如图5所示。

  由图5可见,对被动式超低能耗建筑角落位置采取粘贴密封胶带处理,可提升建筑气密性。利用良好的设计、高质量材料以及精密施工可使被动式超低能耗建筑换气次数实现限值要求。被动式超低能耗建筑高气密性施工过程中应防止外围护结构气密层被破坏[12],若发现被破坏情况,需采取被动式超低能耗建筑专用气密性材料封堵被破坏点,若破坏地点为外围护结构窗框处,密封处理应更加精细。

  3.4 被动式超低能耗建筑外围护结构门窗设计

  被动式超低能耗建筑外围护结构门窗设计需满足穿过玻璃窗户热量高于透过玻璃窗户造成的热损失,且门窗遮阳措施是被动式超低能耗建筑的重要部分,要求所设计遮阳措施可有效降低因夏天直射造成的冷负荷。铝包木框和PVC型材是被动型超低能耗建筑窗户的常用材料,需填充保温材料于窗户内部,门窗玻璃的最低要求为双Low-E三玻两腔中空玻璃,采用该材料可有效降低窗户热量损失,提升被动式超低能耗建筑高保温与高气密性[13]。被动型超低能耗建筑中典型的被动式窗户如图6所示。 

被动式超低能耗建筑典型的气密性构造设计

图5 被动式超低能耗建筑典型的气密性构造设计

 典型的被动式窗户

图6 典型的被动式窗户

  被动式超低能耗建筑外门窗玻璃部分传热系数应小于0.8W(/ m²·K);太阳能总透射比应大于等于0;选择性系数应尽量高。被动式超低能耗建筑外窗应选取具有持久性密封材料至少3道;外门窗应具有极好的水密、气密以及抗风压性能,外门窗的水密性、气密性和抗风压性能应分别≥6级、≥8级和≥9级。被动式超低能耗建筑外窗需安装在外墙外侧,采用此种安装方式可降低建筑约1/5的热损失,利用防水透气膜、密封胶和防水隔气膜形成的密封连接系统连接外窗与墙体。

  被动式建筑门窗墙体施工节点方案

  被动式超低能耗建筑对于施工精细化要求较高,选择正确窗户朝向可提升遮阳保温性能,外门窗安装位置具有阻断热桥作用,外围护结构材料需选取高性能水密、气密材料,提升被动式超低能耗建筑外围护结构的遮阳保温性能。

  3.5 建筑外围护结构防水隔汽系统设计

  为避免外围护保温材料因潮湿降低性能,外围护保温材料的上侧与下侧需分别设置防水层和蒸汽阻拦层,可有效避免外围护结构材料潮湿,提升被动式超低能耗建筑的节能性能。被动式超低能耗建筑外围护结构具有屋面保温系统和外墙保温系统厚度大、门窗系统传热系数低且气密性高的特点,利用以上特点实现超低能耗建筑的节能设计[14]。被动式超低能耗建筑外围护结构应全部选取高性能材料,维持材料干燥是建筑外围护保温材料发挥优良性能的必要条件。

  3.6 建筑外围护结构遮阳设计

  建筑受太阳辐射影响可有效降低冬季供暖能耗,但夏季太阳光过度照射,空调能耗有所增大,为提升被动式超低能耗建筑的节能效果,建筑的东、西、南方向外窗应设置遮阳措施。可调节外遮阳技术是应用于被动式超低能耗建筑较为广泛应用的遮阳措施,利用可调节外遮阳技术可有效阻挡夏季来自太阳光辐射的热量,冬天通过可调节外遮阳技术营造适合人类长时间居住的照明环境。可调节外遮阳技术可依据太阳光照强度不断调节遮阳卷帘,获取最理想的遮阳效果。遮阳设计时,应考虑自然采光与遮阳效果2个方面,不断模拟自然采光,获取最适宜被动式超低能耗建筑实现节能目的的开窗大小和遮阳效果。

  4 被动式超低能耗建筑外围护结构隔热保温结果讨论

  被动式超低能耗建筑是基于节能理念的新型建筑,具有提升居住人员舒适度、营造健康环境的特点,在崇尚健康与节能理念的现代社会,将逐渐普及到城镇建设中。被动式超低能耗建筑以科学理念为基础,以建筑新概念为核心,受到政府大力支持,将会具有广阔发展空间。

  被动式超低能耗建筑不仅可应用于低度供暖需求的南方,具有高度供暖需求的北方地区节能效果更具优势。有研究表明[15],居住建筑在经济与技术2方面更容易实现节能目标,被动式超低能耗建筑应先重视发展北方和居住建筑,在技术成熟情况下全面发展南方地区以及公共建筑。被动式超低能耗建筑作为超低能耗甚至零能耗领路者,为我国建筑行业做出贡献,科学合理标准是维持建筑行业稳定发展的先决条件。越来越多的专家学者致力于研究被动式超低能耗建筑,开发被动式超低能耗建筑评估工具,研究更适用于被动式超低能耗建筑的技术以及保温材料,研发众多可提升被动式超低能耗建筑设备,为我国建筑节能发展提供有效依据。

  5 结论

  被动式超低能耗结构采用外护结构蓄热和自然通风,降低室外温度波动,围护结构内表面温度控制在人体可接受温度范围内。因此,提出被动式超低能耗建筑外围护结构隔热保温方法。首先确定被动式超低能耗建筑能量体系的2种边界为建筑能量需求边界和建筑能源使用边界,然后通过能量体系分析被动式超低能耗建筑的5个特征,即具有高保温隔热性、高气密性、热回收新风系统、高保温性门窗和无热桥设计。研究被动式超低能耗建筑外围护结构隔热保温方法,得出结论如下:

  (1)提升被动式超低能耗建筑气密性可增加室内人员居住舒适性,保证室内人员处于健康环境中。

  (2)设置被动式超低能耗建筑的无热桥设计对于实现被动式超低能耗建筑的超低能耗甚至近零能耗具有重要意义。

  (3)高气密性设计可有效提升被动式超低能耗建筑节能效果。

  (4)被动式超低能耗建筑外围护结构门窗设计遮阳措施可有效降低因夏天直射造成的冷负荷,营造适合人类长时间居住的照明环境,获取理想的遮阳效果。

  (5)建筑外围护结构防水隔汽系统可避免外围护保温材料因潮湿而降低保温性能。

  本文来源:《新型建筑材料》 2020,47(07)

  山东建筑大学建筑城规学院

  周琮 仝晖 高雪莹

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