夏热冬冷地区居住建筑超低能耗技术设计思路探索.pdf

绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第3期034夏热冬冷地区居住建筑超低能耗技术设计思路探索夏热冬冷地区居住建筑超低能耗技术设计思路探索刘妍炯1，冯 伟1，乔 奇2 1.德勤管理咨询（上海）有限公司，上海 200002；2.中垠地产有限公司，山东 济南 250101摘要：继绿色建筑、健康建筑后，超低能耗建筑已然成为当下建筑业的热门设计产品。主要针对夏热冬冷地区居住建筑项目在外墙外保温系统、外窗系统、无热桥、气密性、空调和生活热水系统、电气节能及能耗监测控制这六项重点方面进行设计探索，为夏热冬冷地区超低能耗建筑设计提供参考。关键词：超低能耗建筑；能源消耗；围护结构；建筑气密性控制中图分类号：TU241 文献标志码：B 文章编号：1674-814X（2023）03-034-040 引 言2021年，国务院印发中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要，对“经济发展”“创新驱动”“民生福祉”“绿色生态”“安全保障”五大方面提出社会发展主要指标，其中，对“绿色生态”提出单位GDP能耗下降13.5%、单位GDP CO2排放降低18%（至2025年五年累计值）的约束性指标。中国房地产业单位GDP CO2排放量是全国各行业平均水平的2倍以上，如何降低建筑设计产品的碳排放量，成为“双碳”目标的重要攻克难题。超低能耗建筑1是指在围护结构、能源、设备系统、照明、智能控制、可再生能源利用等方面综合选用各项合理的节能技术；不用或者尽量少用一次能源，使用可再生能源；能耗水平远低于常规建筑的建筑设计产品。正是超低能耗建筑的低能耗特点，使其成为国家“3060”目标下首推的建筑设计产品。1 超低能耗设计技术措施1.1 外墙外保温系统设计在超低能耗建筑和外墙保温一体化建筑项目中，外墙保温一体化系统（内保温一体化除外）要求内一体化保温部分比例不得低于80%；外墙平均传热系数0.4 W/（m2K）时，可采用合理的外墙保温一体化系统（内保温一体化除外）与其他保温系统组合设计的方式，且外墙保温一体化系统的热阻应不小于组合保温系统热阻的60%。目前，主流的保温结构一体化系统设计有三种2：预制混凝土外墙保温反打、现浇混凝土免拆模、预制混凝土夹心保温。笔者通过对已完成设计项目的分析，汇总了不同的外墙保温做法所对应的传热系数及外墙一体化热阻占比数值，如表1所示。表 1 不同外墙保温做法传热系数及热阻占比应用范围保温做法传热系数/W/(m2K)外墙一体化热阻占比/%预制外墙采用85 mm硅墨烯（普通型）、硅微粉，反打预制外墙及30 mm挤塑聚苯板内保温0.3763.53现浇外墙采用85 mm硅墨烯（加强型）、硅微粉，免拆模板一体化外墙及30 mm挤塑聚苯板内保温0.3862.59厨房、卫生间预制外墙 85 mm硅墨烯（普通型）、硅微粉，反打预制外墙及30 mm硅墨烯内保板内保温0.4373.78厨房、卫生间现浇外墙85 mm硅墨烯（加强型）、硅微粉，免拆模板一体化外墙及30 mm硅墨烯内板内保温0.4472.92楼梯间外墙85 mm硅墨烯（加强型）、硅微粉，免拆模板一体化外墙0.58Green Building 绿 色 建 筑 绿色建筑2023年 第3期0351.2 外窗系统设计超低能耗建筑外窗（或透光幕墙）传热系数参考值要求为1.4 W/(m2K)；外窗（或透光幕墙）传热系数约束值要求为1.8 W/(m2K)。目前，超低能耗建筑设计中，阳台玻璃门均取1.8作为约束值，以聚氨酯外窗作为主要设计材料，根据每个项目体形系数和窗墙比的差异，外窗的最小传热系数为1.2。笔者通过对已完成设计项目的分析，汇总了满足超低能耗设计要求的外窗传热系数设计可选区间，如表2所示。表 2 外窗传热系数设计可选区间调研样本1234567传热系数1.6W/(m2K)1.4W/(m2K)1.2W/(m2K)1.4W/(m2K)1.2W/(m2K)1.2W/(m2K)1.4W/(m2K)外窗材料采用铝合金或聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用聚氨酯框与三玻两腔玻璃传热系数1.8W/(m2K)1.8W/(m2K)1.8W/(m2K)1.8W/(m2K)1.8W/(m2K)1.8W/(m2K)1.8W/(m2K)阳台玻璃门材料采用铝合金或聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用铝合金框或聚氨酯框并在中空玻璃中充氩气采用聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用铝合金或聚氨酯框与三玻两腔玻璃采用铝合金或聚氨酯框与三玻两腔玻璃在外窗窗框型材的选型方面，聚氨酯窗3的腔体简单、泡沫占比大，相对于热导较大的框材约等于断桥铝中的“断桥”，因此是目前优先推荐的设计方式。其次推荐的是强度低、易变形、钢衬降低保温性能的塑钢窗。铝木窗由于价格较昂贵且受到可以选用木头的限制，因此不作为主推的设计方案。目前，这三种型材的外窗的传热系数可达1.41.8 W/(m2K)。笔者将满足遮阳系数及气密性等级要求的玻璃配置进行总结，如表3所示。表 3 满足遮阳系数及气密性要求的玻璃配置型材分类玻璃配置传热系数/W/(m2K)遮阳系数单价/(元/m2)塑钢窗5Low-E+12Ar+5+12Ar+5暖边（80系列）1.700.601 800铝木窗5Low-E+12Ar+5+12Ar+5（92系列，木厚68 mm）1.600.602 500聚氨酯窗5Low-E+12Ar+5+12Ar+5暖边（65系列）1.200.601 6005Low-E+12Ar暖边+5（65系列高透超白玻）1.600.651 7005Low-E+16Ar暖边+5+20Ar暖边+5内置百叶（95系列）1.100.602 200外窗玻璃腔体的选择也会对超低能耗建筑的设计产生影响，笔者通过对多个超低能耗建筑设计成功案例的分析，将不同玻璃腔体的设计参数汇总如表4所示。表 4 不同玻璃腔体设计参数窗型材玻璃配置传热系数/W/(m2K)遮阳系数气密性塑钢窗5Low-E+12A+4+12A+51.61.80.50.5575Low-E+12A+5+9A+51.41.6可定制78铝木窗6Low-E+12Ar+51.61.80.380.46855Low-E+9A+5+9A+5Low-E1.51.70.350.4285Low-E+9A+5+9A+51.51.70.350.42855Low-E+12Ar+5+12Ar+51.51.7可定制8聚氨酯窗5Low-E+9A+5+9A+51.41.60.380.4685Low-E+12Ar+5+12Ar+51.21.4可定制855Low-E+12Ar暖边+51.01.4可定制81.3 无热桥设计无热桥设计的范围包括外保温、出屋面管道、女儿墙、阳台及设备平台、外窗安装、凸窗设计。目前，超低能耗建筑设计常用的无热桥处理方式4如表5所示。绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第3期036表 5 超低能耗建筑设计常用的无热桥处理方式无热桥设计处理方式调研样本123456外保温外围护外保温连续，不间断出屋面管道管道与套管之间采用填充保温层，向下延伸400 mm30 mm岩棉30 mm岩棉30 mm岩棉30 mm岩棉30 mm岩棉保温延伸至管道顶部女儿墙挤塑聚苯板保温延伸到女儿墙顶部全覆盖阳台及设备平台均采用A级保温材料对上下板面进行包覆，保温层延伸长度与平台出挑深度相同20 mm热固复合板20 mm硅墨烯板下20 mm无机保温砂浆，水平延伸300 mm20 mm硅墨烯20 mm硅墨烯30 mm硅墨烯外窗安装采用嵌入式安装方式窗外侧与保温层齐平预埋附框窗两侧及上口采用保温材料对窗框进行局部包覆，以降低外窗与结构墙体连接部位的热桥效应凸窗凸窗的上下及两侧侧板，采用保温材料进行包覆，上板为夹心保温板的部分，采用不小于外墙厚度的保温材料，同时在室内侧设置无机保温膏料作为内保温层；下板及侧板为混凝土板的部分采用室外侧50 mm热固复合聚苯板进行保温处理上板65 mm聚氨酯、下板及侧板50 mm热固复合聚苯板上下及两侧侧板50 mm硅墨烯反打上下及两侧侧板100 mm硅墨 烯及20 mm挤塑聚苯板上下及两侧侧板90 mm硅墨烯反打上下及两侧侧板90 mm硅墨烯反打预制上下及两侧侧板50 mm硅墨烯反打1.4 气密性设计气密性设计范围主要包括气密分区、外墙接缝气密性、外窗安装气密性处理、外门窗气密性、预制墙板连接部位、穿墙洞口的气密性处理以及外墙上的电线盒、插座等气密性处理。目前，超低能耗建筑气密性设计5常用的处理方式如表6所示。表 6 超低能耗建筑气密性设计常用的处理方式气密性设计处理方式调研样本123456气密分区整栋建筑具有包绕整个采暖体积的、连续完整的气密层每个户型具有各自的包绕整个采暖体积的、连续完整的气密层外墙接缝气密性夹心墙拼接缝采用无收缩水泥灌浆料填充，并在外墙内侧采用专用高强灌浆封堵料封堵外窗安装气密性处理外窗与墙体连接处采用密封材发泡胶等进行结构缝填充，室内使用防水隔汽膜外门窗气密性外窗气密性能不低于8级；户门气密性能不低于6级预制墙板连接部位预制墙板横向拼接形成的竖缝，在交接部分内侧现浇混凝土实现密封处理；预制墙板竖向拼接部分形成的水平缝，在室内侧用高强度灌浆料填充并在室内侧设气密层抹灰层、无机保温膏料抹灰层抹灰层抹灰层抹灰层抹灰层穿墙洞口气密性处理穿墙管线应根据管径预先安放防水套管，用保温材料填充防水套管与管道之间的缝隙，并在接口处采用专用密封胶带进行密封，确保不会出现缝隙；穿墙管道处外围护结构内侧采用防水隔汽膜粘贴岩棉聚氨酯聚氨酯岩棉聚氨酯岩棉外墙上的电线盒、插座等气密性处理电线盒、插座盒需埋在石膏泥里，周围用抹灰完全封住，使得抹灰与石膏成连续不间断的气密层1.5 空调和生活热水系统设计超低能耗建筑设计要求全年性能系数(APF)应达到4.5以上，并且能效等级达到一级。推荐采用的空调形式有多联机、二联供，并需配置全热回收新风机。同时，建筑中Green Building 绿 色 建 筑 绿色建筑2023年 第3期03750%100%的户数需采用太阳能供热水。“多联机燃气壁挂炉”6供应地暖和生活热水的设计，是目前最传统的建筑设计方案，具有适用性广、成本可控、实施性强的设计特点。然而，天然气的碳排放比电多了一倍，且燃气壁挂炉在燃烧时还会产生空气污染和噪声问题。二联供设计，又分为燃气热水器（二联供）和空气源热泵热水器（二联供）。燃气热水器（二联供）设计仍需通过燃气供应热水，但可以降低用电负荷，从而减少碳排放。空气源热泵热水器（二联供）是通过运用空气源热泵代替太阳能供应生活热水，从而有效降低建筑能耗，但其出水速率会在一定程度上影响使用的舒适度，因此仍需辅助加热。2 超低能耗建筑的经济、环境效益分析首先，减少热岛效应，提高室内舒适感。超低能耗建筑不会产生热岛效应，如果将产生热岛的普通建筑改造成超低能耗建筑，将会在很大程度上缓解城市的热岛效应。超低能耗建筑的室内温湿度适宜，建筑内墙表面温度稳定均匀，与室内温差小，体感更舒适；具有良好的气密性和隔声效果，室内环境更安静。同时，通过有组织的新风系统设计，为室内提供足够的新鲜空气，并通过空气净化技术提升室内空气品质。其次，节约能源。目前，我国建筑对化石能源的消耗呈逐年上升趋势。建筑能耗增加的主要因素一是不断增加的新建建筑带来的能源消耗刚性增长；二是人们追求更舒适的室内环境造成的能耗增加。一栋超低能耗建筑至少可以比普通的建筑多节省90%以上的能源7，若我国的建筑都是超低能耗建筑，那么有可能节省出40%左右的社会终端能耗，从而极大缓解能源紧张问题，并大幅减少温室气体排放量。最后，延长建筑使用寿命。超低能耗建筑处于整个结构体系的保护中，免受风、霜、雨、雪的侵蚀，其室内温度一年四季基本在2026。相比于常规住宅建筑70年的使用年限，超低能耗建筑常规使用年限可达100年，这不仅提高了建筑的利用率，而且极大降低拆除及新材料生产对周边环境带来的影响。无热桥、高气密性设计，采用高品质材料部品，精细化施工及建筑装修一体化，也可以帮助建筑质量更高、寿命更长。3 结 语超低能耗建筑具有保温强、气密好、用能少、噪声低、空气佳等诸多优点，可以较大幅度减少化石能源消耗，也被称为“会呼吸的绿色建筑”。因其超低的能耗、优异的品质，它正逐步发展为建筑节能领域的新方向。大力发展超低能耗建筑不仅是建筑的未来发展趋势，也是推进碳达峰、碳中和的重要方式之一。在超低能耗建筑仍较为稀缺的当下，为响应国家碳达峰、碳中和的号召，笔者通过居住建筑的超低能耗设计探索，助力建筑领域的可持续发展，为夏热冬冷地区设计超低能耗建筑提供参考。参考文献：1 王昭,宋文寅,李震,等.山东省被动式超低能耗居住建筑评价指标体系研究J.建筑科学,2020,36(10):119124.2 崔国游,李楠,杨建中,等.寒冷地区超低能耗建筑的舒适性和能耗响应特性研究J.建筑节能(中英文),2021,49(8):132138.3 夏晓东,石铁矛.基于预制轻钢轻混凝土复合外保温墙板的超低能耗建筑设计与应用J.建筑技术,2022,53(1):8083.4 陈富平,丁晓欣,陶进,等.多能互补型超低能耗建筑能源供应及对比分析J.建筑科学,2021,37(12):144151.5 陈书云,张亚文,彭梦月,等.超低能耗建筑气密性膜施工性能检测技术研究J.建设科技,2021(21):5355.6 徐伟,杨芯岩,张时聪.中国近零能耗建筑发展关键问题及解决路径J.建筑科学,2018,34(12):165173.7 李骥,乔镖,张永清,等.夏热冬暖地区超低能耗建筑技术体系探索J.建筑节能,2021,49(3):1925,38.收稿日期：2023-02-09作者简介：刘妍炯，大学本科，高级工程师，研究方向为绿色建筑、超低能耗建筑、海绵城市，现供职于德勤管理咨询（上海）有限公司。通信地址：上海市黄浦区延安东路222号外滩中心9层。