超低能耗建筑, 起源于德国, 又称被动式建筑, 是指极少或不采用传统采暖方式和主动空调形式来实现舒适的冬夏季室内环境的建筑, 其节能率通常达92%以上, 是国际认可的一种集高舒适度、低能耗、经济性于一体的节能建筑技术。超低能耗建筑对于促进居住环境的可持续发展有重要意义, 能够保证建筑适应地域气候环境条件和资源环境条件, 让建筑满足适宜居住的同时, 最大限度地降低建筑能耗, 以达到绿色节能的目的。

“加快提高建筑节能标准”是住房和城乡建设部2017年3月发布的《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》 (建科[2017]53号) 文件中提出的主要任务之一, 要求“积极开展超低能耗建筑、近零能耗建筑建设示范, 提炼规划、设计、施工、运行维护等环节共性关键技术, 引领节能标准提升进程, 在具备条件的园区、街区推动超低能耗建筑集中连片建设。鼓励开展零能耗建筑建设试点”。同年8月, 住房和城乡建设部又发布《住房城乡建设科技创新“十三五”专项规划》 (建科[2017]166号) , 再次将“发展更高性能的建筑节能新技术”作为重点任务, 提出“研究超低能耗及近零能耗建筑技术体系及关键技术, 推进既有建筑节能及绿色化改造综合技术, 研发北方地区冬季清洁取暖关键技术, 加快高性能节能门窗和新型保温产品的应用”等任务要求。由于“被动房”具有超低能耗、超微排放、超高舒适度的特点, 对解决我国建筑行业能耗高、碳排放量大、供暖能耗高等问题具有重大意义。近几年, 北方各地已建成多个示范建筑, 并陆续制定了技术导则或设计标准。在北京市首批申报超低能耗建筑示范项目中, 北京住总集团采用全产业链集成模式建成了D-23居住公服项目。本文结合翠城D-23超低能耗建筑的设计、施工、验收, 简要探讨被动式超低能耗建筑的建设过程及要点, 并将施工实践中遇到的问题和解决方法进行简要归纳和整理。

D-23居住公服项目属于翠城馨园D南区的配套公共建筑, 总建筑面积为2 519m², 建筑体形系数为0.29, 朝向南偏东, 窗墙比≤0.7, 地上3层, 地下1层, 3层局部退台, 建筑高度12m。地上建筑面积1 719m², 地下800m²。地上1～3层为残疾人康复托养所, 地下1层为文体活动中心 (见图1) 。工程结构类型为框架结构, 基础为筏板基础, 外围护二次结构为蒸压加气块;外墙外保温采用300mm厚岩棉, 外饰面为涂料面层;外窗采用88系列三玻两空气层断桥塑钢高性能节能窗。

本项目在2014年已按照原有节能指标进行设计并报规划确认, 2015年调整为以全产业链模式开展的被动式建筑研究与试点重点科研项目, 但其建筑面积、高度及楼座朝向均不可调整。充分考虑集团全产业链的技术与资源特点, 在成本测算、指标分析、方案策划及可操作性等方面充分考虑开发、设计及施工各方的工作协同以及被动房性能指标与国内示范工程和北京市气候特点的对接, 超前策划保温、通风及气密性等关键材料的采购与供应。

本项目的建设目标是取得德国被动房研究所的认证并申报住房和城乡建设部被动式超低能耗绿色建筑示范项目, 因此在指标设计阶段充分考虑德国被动房研究所与住房和城乡建设部超低能耗绿色建筑相关指标要求, 相关指标如表1所示。

在初始设计时, 以上述节能目标为指导, 具体节能方案参考住房和城乡建设部2015年发布的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则 (试行) (居住建筑) 》及德国被动房研究所对外墙、屋面、地面、外门窗和新风系统的推荐性指标, 初步拟定6项关键技术设计指标如表2所示。

1) 结合表2所示6项设计指标, 参考北京市气候特征、自然条件, 北京属寒冷地区, 大陆季风性气候, 冬季寒冷干燥, 夏季炎热多雨。

2) 以冬季保温和充分获得太阳得热为主, 同时兼顾夏季隔热除湿, 通过能耗模拟计算进行技术措施的选择和优化。

3) 满足国内绿色建筑标识的要求。

4) 在可再生能源利用上采用地热能作为空调、供暖的冷热源。由于该项目朝向及周边建筑对其遮挡较多, 故在设计中未考虑太阳能集热系统。

通过对6项关键技术指标以及设计路线的分析, 结合超低能耗PHPP等软件对建筑能耗进行计划优化, 最终确定6项技术内容:连续高性能外保温措施、高隔热高气密性外门窗、无热桥节点处理、高效热回收新风系统、精细气密性措施、可再生能源利用技术等。

连续高效保温需要用厚度均匀的保温层将被动房整个包裹起来, 包括屋面、外墙和地面。地面外墙保温选用成熟的外墙外保温薄抹灰系统, 保温材料采用300mm厚岩棉条, 传热系数为0.14W/ (m²·K) , 岩棉条垂直于板面的抗拉强度≥80kPa, 优于岩棉板;地下部分外保温采用250mm厚挤塑聚苯板, 并在外侧增加1道防水层, 避免保温层着水后降低保温效果;屋面考虑到高抗压和低吸水性的要求, 选择250mm厚挤塑聚苯板 (双层) 作为保温材料, 传热系数为0.11W/ (m²·K) ;地面的保温铺在地下1层底板上方, 同样有高抗压性的要求, 采用250mm挤塑聚苯板 (双层) 作为保温材料, 传热系数为0.13 W/ (m²·K) 。对于洞口处节点外保温, 保温板应覆盖部分窗框, 覆盖宽度≥20mm, 如果开启扇外侧安装纱窗, 留出纱窗安装位置。应在门窗洞口四角保温板上沿45°方向加铺400mm×200mm增强玻纤网。增强玻纤网应置于大面玻纤网内侧 (见图2) 。

外窗采用三玻两空气层暖边+Low-E膜+充氩气增强型PVC外窗, 玻璃配置为暖边中空玻璃 (5Low-E+18Ar+5+18Ar+5Low-E) , 窗框为PVC窗框, 与墙体结合部位采用气密性胶带密封, 开启方式为内开内倒。外窗整体传热系数为0.8W/ (m²·K) , 太阳得热系数 (SHGC) 冬季≥0.45, 夏季≤0.30。外门采用断桥铝合金被动房保温门, 玻璃配置为5Low-E+0.2V+5+12Ar+5, 真空层在内侧, 门框为断桥铝合金型材, 外门整体传热系数为0.8W/ (m²·K) 。外门窗依据GB/T7106—2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》, 气密性等级≥8级, 水密性等级≥6级, 抗风压性能等级≥9 级。

1) 外窗安装采用外挂式 (见图3) , 与主体结构连接部位的金属配件均衬垫一定厚度的保温隔热材料。外窗还配置具有完全遮蔽功能的外遮阳。

2) 所有穿外墙的水管、线管、新风管等孔洞处, 管线居中敷设并在管线与墙体间填充一定厚度的保温绝热材料。

3) 在女儿墙根部间隔一定距离开槽洞, 屋面保温层穿过女儿墙与外墙保温直接相连, 使原来的线状热桥变为点状热桥, 较大地减少热量损失, 同时也便于施工操作。

4) 地下室外墙在无窗井部位, 保温层铺贴至垫层, 与地上外保温连成一体;有窗井部位窗井内侧墙体铺贴保温, 做至底板上, 同时墙体底部间隔一定距离做槽洞, 与室内地面保温连成一体 (见图4) 。

5) 外保温托架、锚栓同样采用断桥处理, 托架与结构面间衬垫保温绝热材料, 锚栓套管长度应大于保温板厚度70mm, 栓钉盖板嵌入保温板20mm, 并用保温材料封堵。锚栓断桥做法如图5所示。

气密性施工属于隐蔽工程, 且由于项目为框架结构, 在二次结构砌筑时对砌筑质量要求非常严格。施工中严禁采用断裂及棱角受损的砌块, 切割必须采用专用工具, 严格要求水平、竖向灰缝饱满度达到100%, 确保严密;外窗框内外部与墙体交接部位、穿墙管孔洞内外部位、模板螺栓孔以及外墙面不同结构交界处等容易产生漏气的部位均采用专用的气密性胶带进行铺贴处理。

本项目的新风系统按横向分区, 每层为一个独立的新风系统, 每层设置新风机房, 新风机房采用层层取风、层层排风的方式, 不设置预热设备。卫生间不设独立排风竖井, 与新风系统进行热交换并统一排出;厨房内设置独立的排油烟竖井和补风机, 与排油烟机联动启停。新风机组为高效全热回收新风处理机组, 其温度交换效率≥75%;全热热回收装置的焓交换效率≥70%;热回收装置单位风量风机耗功率<0.45W·h/m³, 同时增设PM2.5过滤装置, 过滤效率>90%。新风机组安装采用弹性吊杆吊装风机, 风机的各风口与风管采用消声软管连接。

本项目利用地热能作为空调、供暖的冷热源及生活热水的热源。地源热泵系统设置3台地源热泵机组, 其中2台用于空调系统夏季制冷、冬季采暖, 另一台用于加热生活热水。地源热泵机组采用竖直埋管形式, 共打孔40口, 布置40套地下换热器, 地埋管系统分为1个区域。打井口径采用ϕ160mm, 有效深度120m, 井内安装ϕ32双U管, 钻孔平均间距为4.5m。

在建筑能耗方面, 德国被动房研究所采用PHPP软件验算该项目能耗为:采暖需求为16kW·h/ (m²·a) , 采暖负荷为10W/m², 采冷需求为 14kW·h/ (m²·a) , 采冷负荷为5W/m², 总一次能耗为114kW·h/ (m²·a) , 此能耗计算结果符合德国被动房研究所的指标要求。根据DeST软件的计算结果, 该项目供暖、制冷和照明的总能耗在GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》的基础上降低60.2%, 满足住房和城乡建设部对《被动式超低能耗绿色建筑示范项目》及北京市超低能耗建筑示范项目的要求。

气密性检测是超低能耗建筑关键检测项目, 也是超低能耗建筑成败的关键因素, 在设计中要与施工单位充分配合, 全面细致考虑工程中可能存在漏气的部位和节点并在图纸中加以明确, 在施工中气密性施工均为隐蔽工程, 更要高度重视气密性措施的施工质量。现场施工期间采用逐点、逐项验收签认方式, 每个气密性部位均由专业人员检验合格后方可签认。由国家建筑工程质量监督检验中心对该项目进行气密性测试, 测试结果为0.19次/h (50Pa) , 远优于北京市超低能耗建筑示范项目0.6次/h的要求, 顺利通过气密性检测。

本项目成本测算如表3所示。由表3可知, 由围护结构、外门窗等产生的增量成本约占56%, 新风系统、冷热源及末端供冷供热系统产生的增量成本约占30%, 被动房对墙洞密闭性的特殊要求产生的增量成本约占13.7%。工程实际增量成本约为 1 400元/m², 不包括管理费、利润、规费、税金等工程附加费用。需要指出的是, 翠城D-23被动房项目原设计方案是普通公建, 施工图完成后才决定改为

被动式建筑, 因此对图纸进行了重新设计。同时, 本项目是北京市第一个被动房项目, 可参照的示范工程较少, 国内生产被动房专用材料或产品的厂家还不多, 在招采过程中也遇到不少困难, 所以工程增量成本数据仅供参考。

本项目在建设伊始充分考虑了设计与施工的协同, 在外保温工艺、断桥节点构造设计以及气密性技术措施等方面进行了比较充分的调研、分析和优化, 最终形成了科学、经济、合理、可行的成套技术体系, 并编制了企业技术标准, 同时兼顾超低能耗各项指标、性能和施工上的可操作性。经过计算及检测, 各项能耗与性能指标均符合德国被动房研究所的认证要求、住房和城乡建设部被动式超低能耗示范项目及北京市超低能耗建筑示范项目的要求。