被动式超低能耗建筑外围护结构关键技术

2019-07-01郭红斌王亮亮安俊慧彭超张金成

中国建材科技 2019年2期

郭红斌王亮亮安俊慧彭超张金成

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京100024）

0 引言

被动式建筑作为一种新型的节能建筑理念，近年来在我国逐渐被大众所熟知。更早期，欧美国家就提出了“超低能耗建筑”或相近的一些概念。例如被动房、低能耗、超低能耗、近零能耗、零能耗、甚至负能耗建筑等一系列概念不断被提及[1]。在第五届全国被动式超低能耗建筑大会上，中国建筑科学研究院环能院徐伟院长结合我国的节能发展路径，提出了近零能耗建筑、超低能耗建筑、零能耗建筑的定义。从徐伟院长提出的定义来看，超低能耗建筑其能耗水平应较2016年国家建筑节能设计标准降低50%以上；近零能耗建筑其能耗水平较2016年国家建筑节能设计标准降低60%-75%以上；零能耗建筑充分利用建筑本身和周边可再生能源，使得可再生能源年产能大于等于建筑全年用能。要实现如此低的能耗，甚至实现产能房，必须要通过一系列技术措施来实现。

1 被动式超低能耗建筑特征

被动式超低能耗建筑的特征被称为“五指原则”：高效保温、卓越（良好保温和高气密性）的门窗、无热桥设计、高气密性、热回收新风系统；最新的PHI认证标准中将充分利用可再生能源也作为被动式建筑的一大特征。我们都知道，被动式超低能耗建筑的宗旨是通过极低的能耗实现室内的健康与舒适，而优良的保温结构是被动式超低能耗建筑降低能耗的核心。因此，本文将重点介绍有关被动式超低能耗建筑外保温技术的应用。

2 被动式超低能耗建筑外围护结构技术要素

2.1 优良的保温材料

德国PHI对被动房维护结构热工性能的指标要求与我国现行节能建筑的指标要求对比如表1所示，我国代表地区以北京为例。从表中可以看出被动式超低能耗建筑要求屋面、外围护结构传热系数U值要低于0.15W/（m2·K），北京市现行建筑节能设计要求中非透光部位传热系数为超低能耗建筑的3倍左右。因此围护结构保温必须采用导热系数较低的保温材料，才能实现如此优良的保温性能。

表1 动式超低能耗建筑指标与我国现行建筑节能指标比较

目前被动式超低能耗建筑常用的保温材料有矿物纤维保温材料、聚苯板、挤塑板、聚氨酯、泡沫玻璃、纤维素保温材料、硅酸钙板、真空绝热板、气凝胶等。常见材料的导热系数如表2所示。

表2 常见保温材料导热系数

针对不同的气候区以及不同的围护结构形式，合理选择保温材料，才能使围护结构系统实现其最优的性能。

2.2 无热桥设计

热桥对围护结构产生的影响包括两方面：一方面会增加建筑的热（冷）负荷；一方面会使围护结构内表面存在冷凝发霉的风险。PHI对被动房热桥的限值为：线热桥ψ＜=0.01W/（m·K）。研究表明，保温不连续导致的线热桥经过修正，损失可降低80%左右；穿墙管道等节点的点热桥经过修正，损失可降低92%左右[2]。因此无热桥设计对于被动房是至关重要的。

严谨的被动房施工手段是最终实现无热桥的核心。施工过程中必须尽可能的保证保温连续不间断；另外，尽可能避免保温层被穿透。

2.3 高气密性

渗透热损失在整个建筑能耗中占比是非常大的。气密性设计在我国建筑节能设计中一直处于被边缘化的状态，直到被动式概念被引入我国，通过合理的能效计算，才逐渐彰显出良好的气密性在建筑节能中的贡献值。德国被动房的气密性限值：n50＜=0.6 h-1，n50是指在基准压差（50Pa）下建筑物的内部体积除50Pa下的平均空气渗漏量得到的换气次数。n50一般通过鼓风门法测试所得，它的数值表征了建筑物气密性的优劣。因此，被动房实现超低能耗的重要措施之一，就是提高建筑气密性，以此保证室内的舒适度与健康的环境。

要保证被动房的换气次数达到指标限值，必须通过最优设计，精细化施工、选材优良等途径来实现。施工的时候尽量避免气密层被穿透，穿透的地方采用被动房专用气密性材料封堵，尤其在窗框处，室内阴角做好密封处理。

回到莱阳后，鲁花试图攻克这一难关，但一度以失败告终。这并没有阻挡这支团队攻坚克难的决心，他们把厂区下边建成地下室，让所有的油品恒温储存。

2.4 被动式门窗

被动房对窗户的要求非常高，必须满足通过窗户的得热量远大于透过窗户的热损失；另外，要通过设计合理的遮阳措施避免夏天太阳直射，降低冷负荷。据统计，一栋建筑如果窗户的面积占到外表面的20%左右，而通过窗户流失掉热能将近占了50%[2]。德国被动房认证准则中，Uwindows＜0.8W/（m2·K），Uinstall＜0.85 W/（m2·K），同时玻璃g值（即阳光透过比率）达到0.5-0.6左右，室内空气温度和室内玻璃表面的辐射温差＜4.2℃[3]。被动房窗户通常采用铝包木框或者PVC型材，内部填充保温材料，至少采用双low-E三玻两腔中空玻璃，有效平衡窗户的得热与热损，以此实现优良的保温性能和气密性能。典型的被动式窗户如图1所示。

图1 典型的被动式窗户

被动式门窗的安装与传统建筑中的窗户安装相比，精细化施工显得尤为重要。确定正确的窗户朝向，并采取有效遮阳；选择正确的安装位置，有效阻断热桥；采用高效的气密、水密材料，提高窗户围护结构性能等。

2.5 防水隔汽系统

被动房的围护结构相较于传统节能建筑有三大特点：较高厚度的屋面保温系统、外墙保温系统和传热系数极低、气密性极高的门窗系统，它们的最终目的就是实现建筑的超低能耗。要实现这个目标，就必须保证保温材料发挥自己的最佳性能，而保持干燥是保证任何保温材料发挥出自身的最佳性能的必要措施。我国大部分地区的夏季都比较潮湿。所以在保温下面设置蒸汽阻拦层，保温板上面直接设置防水层，这种做法对于被动式超低能耗建筑也是必不可少的。

另外，较优的体型系数（A/V＜0.7m2/m3）和合理的窗墙比，对围护结构的热传递有着不可忽视的影响。

3 被动式超低能耗建筑外围护结构应用

被动式超低能耗建筑优异的保温隔热性能对外围护结构提出了更高的要求，传统保温结构被应用在被动房差距是明显的，主要表现在以下几点：1）保温层厚度偏低和施工工艺粗糙导致传热系数比较大；2）选材缺乏合理性论证，产品质量得不到保障；3）建筑气密性没有得到足够重视，并反映在外围护结构中[4]。

3.1 常见外保温系统

目前国际上比较常见的被动房外保温系统，包括木结构绝热板或全绝热工字梁结构、整体式多孔保温砖、砌块木板墙体结构、外保温夹心墙体结构、轻骨料砌体复合矿物棉保温墙体、薄抹灰外墙外保温系统、聚苯乙烯-ICF外墙外保温系统。木结构绝热板或全绝热工字梁结构在欧洲得到大量应用，这也是主要应用了木材导热性能比较差、轻质、环保的特点。我国目前应用比较多的还是外保温夹心墙体结构、薄抹灰外墙外保温系统，装配式建筑中主要应用聚苯乙烯-ICF外墙外保温系统，如图2所示。

图2 典型的被动式墙体结构

3.2 外保温技术原则

3.2.1 外保温系统的合理性

传统外墙外保温系统一般由保温层、抹面层、固定材料（胶粘剂、锚固件等）和饰面层构成构成。PHI认证的被动房，在寒冷地区，要求屋面、外墙、楼板等围护结构的传热系数U值要低于0.15W/（m2·K）。很显然，传统的围护结构实现极低的传热系数是不可能的。尤其在我国，地缘辽阔，气候分布比较复杂，结合不同类型地区的气候特征和人文地理因素，选取正确、合理的保温系统才能建成超低能耗、高舒适性的被动式建筑。

被动式超低能耗建筑围护结构热阻的提高，必然导致保温层厚度的增加。在寒冷地区，以模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统为例，被动房保温层厚度将达到200mm以上。这就对施工工艺提出了更高的要求，通过严格设计、排版、可靠连接来避免长期承受自重、风荷载和室外气候的反复作用而产生有害的变形和破坏[6]。

被动房必须通过精细化施工来极大的降低热桥损失。降低热桥损失不仅要通过采用专用的断热桥锚栓、暖边条、连接线条等配件连接，还需要合理布局、精细化安装才能达到降低热桥的目的。

围护结构良好的气密性也须通过精细化施工来实现。有效的针对建筑中容易产生渗漏的节点，比如室内阴角、窗户内角、窗外角、混凝土楼板等处，严格按照被动房施工要求执行，通过精细化施工来保证气密层的连续和完整[7]。

只有做到高效防火才能称得上是健康、安全、舒适的建筑。被动房的高性能保温系统对建筑的防火性能带来的高难度要求是不言而喻的。只有严格按照被动房施工工艺要求，合理设置防火隔离带，才能提高建筑的整体防火性能。

3.2.3 系统性地评价外保温技术

被动房是集成了产品性能、设计技术、施工技术、工程技术等高端技术的一种建筑形式。目前，国内外基本都采用认证的模式来评价这种建筑。那么，针对外围护结构，必然要有一整套完整的指标体系来评价各种技术要素是否得以实现。比如，保温材料应具有热工性能、强度性能、物理化学稳定性能等指标，还包括对外保温效果长效性和工程安全长效性的综合评价指标等。

按照传统的外保温技术标准要求，系统检测应该包括：1）保温材料及所有配套产品完整指标体系的性能检测；2）保温系统性能检测，包括抗风压、抗渗、抗冲击、抗冻融等全项整体性能检测以及耐候性能检测；3）施工过程中的驻场检查；4）热工性能检测，包括围护结构传热系数、热桥。

标准体系方面，外保温系统执行现行国家标准JGJ 144《外墙外保温工程技术规程》；外窗、外门气密性参照现行国家标准GB/T 7106《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》执行；外墙保温系统防火性能及防火隔离带的设置按国家现行标准GB 50016《建筑设计防火规范》和JGJ 289《建筑外墙外保温防火隔离带技术规程》的要求等。

被动房在我国正处于蓬勃发展的初期，标准体系也处于正在完善的阶段。完整的评价指标体系尚未形成，大多评价标准沿用传统建筑评价体系。现针对被动房的技术标准包括住建部已发布的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》；《近零能耗建筑技术标准（征求意见稿）》也已发布，该标准涉及20个参编单位，涵盖公共建筑和居住建筑，覆盖设计、施工、运行、设备、部品等方面，这项标准必将使我国被动房发展迈向新的台阶。另外，河北、山东等一些地方省市也已发布一些被动式的相关标准。