严寒地区被动式超低能耗建筑关键技术研究

王丽颖丁品文

摘要：通过对严寒地区被动式超低能耗建筑影响因素的分析，提出了严寒地区被动式超低能耗建筑围护构件保温设计及采暖设计关键技术，为严寒地区被动式超低能耗建筑的节能设计提供依据。

关键词：严寒地区；被动式建筑；保温设计；建筑节能

Astract：Basedontheanalysisoftheinfluentialfactorsofpassiveultra-low-powerbuildingsinseverecoldarea,thekeytechnologiesofthermalinsulationdesignandheatingdesignofpassiveultra-low-powerbuildingsareputforward,whichprovidethebasisforenergy-savingdesignofpassiveultra-lowenergybuildingsincoldarea.

Keywords:coldarea;passivebuilding;thermalinsulationdesign;buildingenergyconservation

1、引言

被动式超低能耗建筑设计的思路是采用合理的建筑构造，通过对清洁能源的开发和利用，配合保温隔热性能和气密性较高的围护构件，高效新风热回收技术，降低建筑供暖供冷需求，满足室内舒适度要求。被动式超低能耗建筑的提出，为我国建筑节能领域提供了新方向。我国严寒地区，冬季寒冷而漫长，气候条件恶劣，集中供暖期内会消耗大量矿物燃料，且建筑能耗呈现不断攀升的趋势，为适应可持续发展战略，严寒地区被动式超低能耗建筑的发展迫在眉睫。

2、严寒地区被动式超低能耗建筑节能设计影响因素

2.1气候因素

空气温度直接影响着人体热舒适度，同时也是建筑围护结构以及暖通空调设计需考虑的重要因素之一。我国严寒地区，冬季太阳高度角低，日照时间短，最冷月平均温度≤25℃，冬冷夏热，四季分明。由于冬季持续低温，室内外温差较大，会导致建筑材料甚至建筑构件遭到破坏，由于热传递不均匀，室内易产生结露现象，降低居住环境品质。

2.2建筑朝向因素

被动式太阳房的工作原理是“温室效应”，太阳辐射通过透明围护结构被引入室内实现室内增温[1]。为保证被动房获得更多的太阳能辐射，应保证透光围护构件对太阳能吸收量的最大化，所以合理的建筑朝向显得尤为重要。在严寒地区，被动房最理想的朝向是在南偏东10°至南偏西10°之间，且减少被动房冬季遮挡，主要使用房间应放置南侧，将辅助性用房及人员活动较少的房间放置其他朝向。

2.3风向因素

风向也是被动式超低能耗建节能设计中筑应考虑的一个重要因素。我国严寒地区，冬季以西北季风为主。受季节风的影响，在冬季，建筑的西北侧温度会低一些，所以建筑西北侧要严格控制窗墙面积比。功能布局上也可考虑将辅助性用房安排在此处。在整体规划设计中，在建筑的西北侧可设计雕塑或高大绿植，减少冬季西北季风对建筑的影响。

2.4体形系数

建筑物体形系数指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。外表面积不包括地面和不采暖楼梯间内墙的面积。《公共建筑节能设计标准》规定位于严寒、寒冷地区的建筑，体型系数应小于或等于0.40。《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中对不同层数居住建筑的体形系数极限值均有明确规定。体型系数过小，建筑会显得呆板，体型系数过大，丰富了建筑造型，但是会增加建筑节能设计的难度，甚至无法达到节能设计的标准，在充分考虑合理的建筑平面、平面布局、建筑造型以及建筑美学等综合因素情况下，取舍得当，尽可能减少建筑物的体形系数，降低建筑热量损失，满足节能设计要求。

2.5窗墙面积比

窗墙面积比是指建筑某一立面的窗户洞口面积与该立面的总面积之比，又称单一立面窗墙面积比。门窗的能耗大约占建筑总能耗的57%左右，所以窗墙面积比同样是建筑节能设计中不可忽视的重要指标。窗墙比越大，开窗面积越大，建筑窗洞就越多，吸收较多太阳能的同时，也会增加建筑室内冷、热量的流失。《公共建筑节能设计标准》规定严寒地区甲类公共建筑各单一立面窗墙面积比(包括透光幕墙)均不宜大于0.60。《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》根据建筑立面所在不同朝向位置，窗墙面积比值也有不同规定。严寒地区被动式超低能耗建筑设计中应选择较好朝向设置窗户，既要满足窗墙面积比极限值要求，也应保证建筑自然通风采光需求。

3、严寒地区被动式超低能耗建筑关键技术

3.1.外墙

提高外围护结构的保温性能是严寒地区被动式超低能耗建筑亟待解决的问题。外墙外保温施工做法对于提高建筑外围护结构保温性能有较为突出的优势，首先从热工性能角度分析，通过外墙外保温方式，提高保温隔热性能及气密性的同时可基本解决外围护结构热桥问题。其次，外墙外保温系统可减少由于温差、冻胀和风压等产生的应力对墙体结构的影响，有效的保护墙体结构。此外，采用外墙外保温系统，施工作业在建筑外部，避免对室内工作人群的干扰。所以严寒地区外围护结构节能保温做法多以外墙外保温为主。

（1）EPS薄抹灰外保温墙体构造

目前严寒地区住宅外围护结构墙体外保温多采用EPS薄抹灰外保温墙体构造，由于严寒地区冬季漫长而寒冷，会产生温差和冻胀现象，冬季西北季风盛行也会带来较强的风压，外围护结构EPS保温板需要承担更大的应力。EPS薄抹灰外墙保温系统通常由于施工工艺不规范，工程质量得不到保障，整体保温效果达不到预期设计标准，其中保温板脱落是尤为严重且常见的问题。

保温板脱落究其原因主要是因为EPS保温板与结构墙体粘贴不牢。在铺贴EPS保温板施工过程中有两点值得注意，首先应清理建筑结构墙体外表面，保证墙体外表面清洁度和平滑度，可增加粘结砂浆与结构墙体间的附着力。保温板胶粘剂粘贴面积不小于保温板面积的４０％[3]。并且要保证保温板边框和内部都抹粘结砂浆，保温板内部涂抹砂浆可保证粘结强度。当发生火灾时，保温板边框抹粘结砂浆可避免在EPS模块中产生“烟囱效应”，降低火灾纵向蔓延的可能性，对于建筑防火安全大有裨益。

（2）预制保温复合墙体

预制混凝土夹心保温板与EPS模块复合墙体。这种复合墙体的传热系数可达到0.2w/（㎡?k）。这种复合墙体分为预制混凝土夹心保温板和EPS模块，EPS模块处于预制混凝土夹芯保温板的外侧，预制混凝土夹芯保温板与EPS模块通过粘接层粘接为一体；预制混凝土夹芯保温板包括两侧浇铸的内混凝土层和外混凝土层，内混凝土层和外混凝土层间间隔浇铸有混凝土制连接肋，两个连接肋、内混凝土层和外混凝土层形成的密闭空间内填充有聚苯乙烯泡沫板；连接肋内置有U形的连接芯柱，内混凝土层和外混凝土层的内侧内布设有网片层，两个网片层与连接芯柱连接为一体[4]。

传统外墙外保温的做法通常是在结构墙体外侧粘贴一定厚度的EPS保温板，采用空腔粘贴的方式，EPS保温板粘贴剂粘贴面积为保温板面积的40%左右，EPS保温板和墙体外侧近60%的面积是空腔，这些空腔在一定程度上会降低外保温系统的保温性和气密性，随着使用年限的增加，水汽进入这些空腔中，会导致EPS保温板变形甚至脱落。新型墙体构造可极大避免传统外墙保温的弊端，具有整体性强，保温性好等优点。新型墙体的开发使用对于严寒地区被动式超低能耗建筑的发展起到积极推动作用。

3.2门窗

建筑的门窗是室内外进行直接热量交换最关键的部位，也是外围护结构中保温最薄弱的环节，严寒地区被动式超低能耗建筑中门窗是节能设计的重点。

3.2.1门窗材料选取

被动式房屋用整窗与门传热系数极限值U值需控制0.8W/(m2?K)以内，这就要求必须使用保温性能好导热系数低的门窗框以及玻璃。目前使用较多的保温窗框有断桥铝合金、铝包木框、木材复合高强度聚氨酯等。为达到节能效果，窗一般采用三层保温玻璃，其中两层是镀膜。Low-e玻璃或镀膜玻璃，具有优异的隔热效果，特别在寒冷的冬季，可以减少室内温度透过玻璃的流失，良好的透光性可保证室内充足的光照。

3.2.2门窗气密性要求

空气渗透率是指单位时间内通过单位面积的空气体积，空气渗透率是门窗气密性重要指标。被动式超低能耗建筑的气密性限制在n50≤0.6h，门窗气密性受门窗质量，门、窗扇与窗框间的空隙，窗扇开启方式，开窗方式等因素的影响。严寒地区窗户形式选择上，需选用节能型窗户，窗扇开启方式以及开窗方式可根据实际情况酌情考虑，其中平开窗的窗扇与窗框重叠部分较多，闭合更紧密，有益于减少空气的渗透，非大面积组合式窗户，可减少易产生冷风渗透的部位。

3.3建筑保温地面及浅基础

在北方严寒地区建筑基础埋深通常会考虑持力层所在深度与冻土层这两个主要因素。在被动式超低能耗建筑中，直接与土壤接触的地面也需要将传热系数值控制在0.15W/(m2?K)以内，为保证节能效果，通常需给地方面铺设一定厚度保温板，保温板传热系数很低，最大限度的减少了室内热量的流失以及室外冷空气的传入。但是仍然会有少量热量从室内经地面传递给土壤，因此被动式低能耗建筑与地面接触部分的土壤形成了不冻土层。由于被动式建筑外围护结构保温做法，考虑建筑埋深时可不考虑冻土层的影响因素，当基础承载力符合结构设计要求，且满足地基变形和稳定要求时，基础埋深深度满足《建筑地基基础设计规范》要求的大于500毫米即可。

地面保温和浅基础的优化设计不仅可以促进严寒地区建筑节能技术的进步还可以降低建筑能耗，带来可观的经济效益。

3.4供暖技术

我国严寒地区，冬季日照率较低，被动式建筑只依靠吸收太阳能辐射无法满足室内热舒适性要求，在能源日渐紧张的今天，太阳能和电能作为清洁可再生能源，其开发利用对于缓解能源危机，建设美丽中国起着重要作用，具有着广阔的发展前景。

3.4.1空气源热泵与太阳能联合采暖技术

空气源热泵和太阳能联合采暖技术其工作原理是：在光照条件较好的白天，吸收太阳能辐射，将热水加热至预定温度并储备在水箱中，水箱中的热水通过另外一套设备将热量输送到室内。在夜间或天气条件不具备使用太阳能时，为满足室内温度要求，可启动空气热源泵，热泵将水箱中的水加热至预设温度后会自动停止工作。

3.4.2太阳能光伏发电地热膜辅助供暖技术

在建筑室内铺设一层地热膜，通过设置太阳能光伏板，将吸收的太阳能转化为电能，并将转化的电能用于室内地热膜供暖。这是一种以电力为能源，通过红外线辐射进行传热的新型供暖方式，太阳能光伏发电和地热膜辅助采暖技术可实现自动切换和起停控制，可保证室内温度达到理想状态，满足室内热舒适度要求。

4、结语

被动式建筑现已成为国内外建筑节能领域中一种高级形态而存在，我国被动式建筑起步晚于欧美等发达国家，但是发展速度较为迅速，目前我国对被动式建筑的研究不仅仅停留在居住建筑中，公共建筑节能也逐渐成为节能研究的重点，这一发展得益于国家经济优惠政策和法规的支持与激励。通过对严寒地区被动式超低能耗建筑关键技术的研究，为严寒地区建筑节能提供理论支撑，践行可持续发展观，推动美丽中国的建设。

参考文献

[1]GUILLEＲMOQ，DANIELＲ，YVAND，etal．Acom-prehensivereviewofsolarfacades，Opaquesolarfacades［J］．ＲenewableandSustainableEnergyＲeviews，2012，16(5):2820－2832．

[2]《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015

[3]中国建筑标准设计研究院．１０Ｊ１２１外墙外保温建筑构造［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１０．

[4]《严寒B区被动式低能耗多层居住建筑围护结构优化设计研究》张帅

[5]丰晓航，燕达，彭琛，等．建筑气密性对住宅能耗影响的分析［J］．暖通空调，2014，44(2):5-14

作者情况：王丽颖长春工程学院教授