石家庄被动式超低能耗居住建筑浅析

梁 媛

(石家庄职业技术学院 建筑工程系,河北 石家庄 050081)

随着中国房地产业的飞速发展，我国每年的建筑竣工量逐年攀升.建设规模的持续增长需要消耗大量的建材和能源.而建筑产品的使用周期较长，使用能耗占全寿命周期总能耗的70%～90%,建筑面积的增加必然导致建筑能耗的增加[1].文献[2]表明，2017年建筑能耗占全国总能耗的21.11%，2018年建筑能耗约占能源消费总量的20%.

严峻的能源形势使一些国家纷纷提出近零能耗发展目标，如到2030年，美国所有的新建商业建筑达到近零能耗状态，日本所有新建建筑为近零能耗建筑……因此，发展适合我国国情的近零能耗或超低能耗建筑也势在必行.

伴随着城镇化进程的加快，石家庄每年的新开工建筑面积持续攀升.2019年，石家庄城镇化率为65.05%，比2018年提高了1.22个百分点；房屋新开工面积14 373 000 m2，比上一年增长25.8%，其中,住宅新开工面积增长57.6%[3].这些建筑中，低能耗或近零能耗住宅相对较少.发展适合于石家庄的低能耗或近零能耗住宅，对改变冬季采暖的能源结构和石家庄的空气质量具有极强的现实意义[4].而被动式超低能耗居住建筑则有利于实现石家庄低能耗或近零能耗住宅，减少能源消耗.

1 石家庄被动式超低能耗居住建筑相关情况简介

被动式超低能耗居住建筑采用被动式技术手段，以大幅提高围护结构的保温、隔热性能和气密性，运用高效新风热回收技术，适当采用可再生能源，来降低建筑供暖、供冷需求，从而以较少的能源消耗提供更舒适的室内环境.被动式超低能耗居住建筑的能耗设计标准为：采暖(制冷)需求≤15 kW·h/(m2·a)，采暖/制冷负荷≤10 W/ m2,一次能源总需求≤120 kW·h/(m2· a),气密性n50≤0.6 h-1,超温频率≤10%.这是我国现行节能住宅能耗的1/4～1/8.简而言之，被动式超低能耗居住建筑不用一次能源或用很少的一次能源即可满足舒适、健康的居住要求.

2018年以来，石家庄市大力支持发展超低能耗建筑，大力发展与被动式超低能耗居住建筑相关的产业集群，相继出台了一系列文件，如《关于加快推进被动式超低能耗建筑发展的实施意见》《关于落实被动式超低能耗建筑优惠政策工作的通知》等，对被动式超低能耗建筑在用地保障、容积率奖励、商品房提前预售、备案价格上浮、减免差别热费、给予财政补贴等方面提供了多项优惠政策[5-6].石家庄住房及城乡建设局相关数据显示，截至2020年底，石家庄竣工被动式超低能耗居住建筑项目8个，面积51 500 m2；在建被动式超低能耗居住建筑项目36个，面积2 367 400 m2，被动式超低能耗居住建筑数量及总面积均居全国领先地位[7].

2 石家庄现行节能建筑与被动式超低能耗居住建筑设计标准的差距

(1)设计理念不同

目前，石家庄的节能建筑以集中供热或空调作为冬季采暖、夏季制冷的主要方式.被动式超低能耗居住建筑则彻底改变了这种方式，主要依靠被动式设计理念和设施，不是采用集中供热，而是通过提高建筑物自身的保温、隔热、气密性能，在极端天气时才辅以空调或地源热泵系统，来获得健康、舒适的室内环境.如何达到不用或少用一次性能源，不采用集中供热同样可以具有舒适、健康的居住体验，是被动式低能耗居住建筑要解决的主要问题.

(2)建筑能耗认定标准不同

只要按照规范中规定的节能措施进行设计和施工，即可认定现行节能建筑达到了节能标准的要求，而不是以能耗指标和节能效果进行判定.被动式低能耗居住建筑设计规范则对建筑物总一次性能源消耗及各分项能源消耗都给出了明确的指标，见表1.

表1 被动式超低能耗居住建筑能耗指标标准[8]15

只有满足表1所示指标的标准要求，并经过严格测试，达到设计标准，才能被认定为被动式低能耗居住建筑.其建筑能耗、空调负荷、能耗需求的计算方法严谨，能耗标准明确，利用能耗指标来评定建筑物的节能效果.这是现行节能建筑不能实现的.

(3)户内空气品质和风量要求不同

在被动式低能耗居住建筑设计中，不仅对房内的新风和空气的品质有明确要求，而且对新风系统的热回收效率、运行模式也都有明确界定，见表2.

表2 超低能耗居住建筑室内环境参数[8]14

石家庄节能75%的居住建筑节能标准只是对房间的换气次数提出了明确要求，通风模式仍以自然通风为主，无法调控空气品质及新风量，在供暖和制冷季节容易造成热量或冷量的较大损失，不利于建筑节能.

(4)对施工、运行管理的要求不同

石家庄现行节能建筑设计模式大多是以措施促目标，缺乏对施工、测试、运行管理的明确规定.而被动式超低能耗居住建筑的节能设计标准则对此有明确的规定，是我国现行标准中首个以节能效果为目标的节能设计标准.只有通过施工、测试、使用阶段的过程控制，使实际运行能耗得到控制，各类指标达到标准要求，方可被认定为被动式超低能耗居住建筑.

3 石家庄被动式超低能耗居住建筑设计的关键技术

与现行节能建筑相比，被动式超低能耗居住建筑是高舒适度、超低能耗的建筑.高保温隔热性能设计、高气密性设计、热交换新风系统设计等技术是关键.

3.1 外围护结构保温设计

被动式超低能耗居住建筑设计规范规定了外围护结构的传热系数限值，见表3.

表3 两种建筑外围护结构传热系数比较

由表3可以看出，被动式超低能耗居住建筑的外围护结构的传热系数为现行75%节能建筑的1/3～1/2.只有大幅度提高外围护结构的保温性能，才可能达到不用或少用一次性能源就满足采暖、隔热需求的目的.目前，主要通过3种途径来提高外围护结构的保温性能.(1)选择更高绝热性能的保温材料.(2)对建筑物进行全方位的保温处理，在普通建筑外墙和屋面进行保温的基础上，增加地面保温措施.(3)进行周密的无热桥设计.

3.1.1 外墙

传统的外墙保温材料为挤塑聚苯板.石家庄的75%节能建筑中，外墙保温材料厚度为120 mm.被动式超低能耗居住建筑外墙传热系数为普通75%节能建筑外墙保温传热系数的1/3，传统的聚苯板无法达到要求.石墨聚苯板(SEPS)导热系数约为0.033，比目前广泛采用的可发性聚苯乙烯(EPS)低0.008，其导热系数、吸水率均较低，为B1级难燃材料，其中添加了遇高温易挥发的阻燃剂，且含有红外反射物，防火性能较高.220～250 mm石墨聚苯板为被动式低能耗居住建筑外墙保温的首选材料.屋顶保温层不仅要有较好的保温性能，还要有足够的抗压性能，因此主要选择270 mm厚高容重模塑聚苯板或270 mm厚岩棉板.由于石墨聚苯板的厚度过大，一次铺贴容易出现粘贴不牢导致的易脱落问题，因此一般外墙保温采用双层铺贴,如图1所示.

图1 外墙保温构造做法

3.1.2 外窗

寒冷地区外窗是建筑能耗较大的构件，一般采用三玻两中空玻璃型材窗.窗框采用未增塑聚氯乙烯塑料、木材等保温性能较好的材料，现在多采用铝包木形式，与普通中空玻璃相比，Low-E(低辐射镀膜玻璃)中空真空玻璃传热系数可降低约2.0 W/(m2K)，因此，可选择Low-E中空真空玻璃，且膜朝向真空层.为了提高外窗的保温性能，改善玻璃边缘的传热状况，在中空玻璃的边缘应采用暖边间隔条.为达到连续不断的外保温层效果，所有外窗均为外挂安装.建筑外墙应考虑窗的安装空间，外墙保温层应覆盖一部分窗框，以减小窗的安装热桥，外窗安装节点见图2.

图2 外窗安装节点详图

3.2 无热桥设计

要实现高保温性，就需要进行周密的无热桥设计.热桥是围护结构中传热能力较强，在采暖时热量损失明显高于其他建筑构件的部位，如门窗与外墙接缝处、女儿墙处、阳台或外飘窗的挑板处、外墙底部、管道穿墙或穿楼板处等.热桥的存在会使建筑的室内构件局部温度过低，从而导致该部位结露、发霉，甚至损坏.

无热桥设计的规则有3方面.第一，避让规则.在进行设计时，需要建筑、结构、设备各专业协同配合，力求使各类管道不破坏或穿透外围护结构.第二，击穿规则.当管线不可避免要穿透外围护结构如门窗开洞、空调进风口时，可以在穿透处扩大孔洞，以保证有足够的空间进行保温处理，如出屋面通风道的保温做法见图3.第三，连接规则.保温层是提高建筑构件保温隔热性能的保障，如屋顶女儿墙的保温层、地下室楼板及地面的保温层.

图3 通风道出屋面构造做法

3.3 高气密性设计

建筑物气密性是衡量建筑物门窗在正常关闭状态下，空气通过围护结构的渗透能力的主要指标.被动式超低能耗居住建筑要求房屋的气密性达到n50≤0.6 h-1,即在室内外压差为50 Pa时，房屋的每小时换气次数≤0.6，但普通节能建筑对此没有要求.进行高气密性设计和有效的过程监控，实现高气密性构造，是被动式超低能耗居住建筑的设计要点和施工要点之一，也是其区别于普通节能住宅的独有之处[9].

被动式超低能耗居住建筑在我国的发展时间较短，气密性还需进一步完善和提高.通过对河北省秦皇岛市第一个被动式超低能耗居住建筑项目“在水一方”的一年使用效果调研发现，其门窗局部有漏风点，房间隔音、隔热效果并不理想[10].

3.3.1 气密层及材料设计

在被动区与非被动区之间，需设计气密层，并准确将其绘制在建筑平面图和剖面图中.一栋楼可以有一个完整的气密层，或者部分楼层有自身完整的气密层，但要明确气密空间和非气密空间的界限.气密层可以由室内连续的墙面、楼面、顶棚抹灰、防水材料、密封材料构成.提前规划和设计出气密层及穿过气密层的构件、管线，可以避免气密层渗漏或中断.

石家庄某被动式住宅楼，地下2层，地上7层，总建筑面积8 677.21 m2，被动式区域面积6 437.56 m2.在剖面划分上，将非采暖地下室作为非被动区，地上居住及公共交通部分为被动区，被动区、非被动区分隔情况见图4.由图4可知，在两区域中间交界处，进行了完备的气密性设计及保温设计.在其平面设计图中，将户内部分及公共交通部分作为被动区，但为保障户内使用效果，将公共楼梯间单独设区，采用墙两侧均设置保温层的做法将其与主要功能空间分隔，开口处设有被动门.

图4 石家庄某工程被动区、非被动区分隔节点

3.3.2 气密层节点设计

在门窗洞口处，气密层容易被打断.门窗框与外墙连接处应采用防水隔汽膜和防水透汽膜组成的防水密封系统.室外一侧采用防水透汽膜，室内一侧采用防水隔汽膜.由于气密层的存在，在设计中应尽量避免穿墙开洞或安装电线盒等，减少外墙上比较密集的新风管道开洞.如果开洞，则要保证所有穿外墙的管道和插座的气密性构造完整.图5为通风管道穿墙节点，其中的防水隔汽膜、透汽膜加强了气密层的气密性.

图5 通风管道穿外墙安装节点详图

3.4 热回收新风系统设计

热回收新风系统是普通节能建筑与被动式超低能耗居住建筑的第二个极为不同的设计策略.热回收新风系统示意图见图6.

图6 热回收新风系统示意图

通过新风系统把室内潮湿、浑浊的空气排出室外，将新鲜空气送入室内.冬天，为防止进入的新风温度过低，使用热交换设备将排出的气体中所含的热量传递到从室外进入的新鲜空气中；夏季炎热时，则反向运作.新风系统还可以过滤空气中的花粉、粉尘和PM2.5.在被动式超低能耗居住建筑设计规范中，新风量一般为每人每小时30 m3；为了避免温度过高和粉尘燃烧产生异味，新风加热的最高温度限制在50 ℃，最大热负荷为10 W/m2，热回收效率在75%以上.新风系统具有智能控制与显示功能，可根据室内二氧化碳浓度自动启停.

被动式超低能耗居住建筑不进行集中供热，尽管房屋的热损耗特别少，采暖单位面积热负荷指标qH≤10 W/m2，空调单位面积冷负荷指标qK≤20 W/m2，但是为保障在冬季和夏季的极端天气中房间的舒适温度，均设计了相应的补充供热制冷方案.石家庄被动式超低能耗居住建筑常采用的供热制冷系统方案有3种.(1)能源环境一体机(空调新风一体机)，需要预留空调室内、室外机位置.(2)专用多联机+高效热回收新风系统，需要预留空调室内、室外机位置.(3)风机盘管系统(每户独立冷热源)+高效热回收新风系统，需要预留空调室内、室外机位置.

4 石家庄发展被动式超低能耗居住建筑面临的问题

与普通节能住宅相比，被动式超低能耗居住建筑在降低能耗，提高住宅舒适度方面有很大的优势，但是在推广和使用过程中也存在一些问题 .

(1)通过对石家庄已建成被动式超低能耗居住建筑的调研知，它的造价比常规节能住宅每平米高600～1500元.工程造价的提高对其迅速发展和占领市场具有一定的阻力.

(2)高气密性设计与装修甲醛的排放相矛盾.由于甲醛、TVOC(总挥发性有机物)等有害物质的释放具有较长周期，甚至达到1～3年，高气密性构造与有害物的释放需要大量通风之间就会产生矛盾.

(3)石家庄的被动式超低能耗居住建筑多为毛坯房，业主要入住就必须进行装修，而装修势必对气密层造成不同程度的破坏，节能和舒适效果会大打折扣.

5 结语

大力发展被动式超低能耗居住建筑，是石家庄应对能源危机的积极举措，更是改善石家庄能源结构，治理环境污染，改善空气质量的必然选择.被动式超低能耗居住建筑在石家庄获得了有力的政策支持，也取得了在建面积和竣工面积在全国领先的成就，对降低住宅能耗，提高住宅的舒适度具有引领作用和现实意义；同时也带动了配套建筑材料及产品的研发与生产，推动了建筑施工及检测新技术的发展，促进了被动式建筑全产业链的提升，为全面实现河北省乃至全国被动式超低能耗居住建筑的高质量发展提供了有力支撑.但也面临着一些挑战，需要更多的政策支持和更细致深入的研究与实践.