夏热冬冷地区装配式零能耗建筑技术创新与应用*

李旻阳，李国建，周建中，朱清宇，徐 亮，袁 琦，王思功，汪少波，赵碧波，张 欢，蔡 倩，谢 超

(1.中建科技集团有限公司，北京 100070； 2.中亿丰建设集团股份有限公司,江苏 苏州 215131；3.苏州城亿绿建科技股份有限公司,江苏 苏州 215000； 4.苏州二建建筑集团有限公司，江苏 苏州 215122)

0 引言

自GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》[1]颁布实施以来，我国已在各地区推行和探索超低能耗建筑并取得不错的节能效果，在超低能耗的基础之上，零能耗建筑的探索与研究逐渐成为我国建筑节能重点。2016年3月“十三五”规划将装配式建筑列为发展方向，充分发挥建筑产业化的优势，在保障工期和质量的基础上做到绿色生产、绿色建造。

美国、英国、欧盟等国家对零能耗建筑的研究及推广起步较早，已制定相关政策法规并有实际项目落成，如英国的贝丁顿零能耗社区[2]、美国的道格拉斯零能耗住宅、德国的千万屋顶计划[3]等。目前我国对夏热冬冷地区该技术体系的研究较为有限，宋德萱等[4]介绍夏热冬冷地区近零能耗建筑技术体系，对关键技术进行适宜性分析；吴向阳等[5]介绍夏热冬暖地区装配式零能耗建筑的设计方法，并通过仿真软件计算进行设计目标验证。

本文以某新建PC构件项目3号综合楼为例，探讨夏热冬冷地区装配式零能耗建筑的设计方法，以被动节能技术结合建筑设计创新并适应气候的技术路线，将被动式建筑技术、主动式建筑技术、可再生能源技术与装配式建筑技术进行耦合应用，并通过软件模拟完成计算验证。

1 工程概况

某新建PC构件项目3号综合楼位于苏州相城区望亭镇，建筑功能为办公，总建筑面积9 063.02m2，地下1层为机动车库，地下建筑面积3 179.52m2；地上4层，地上1层为展厅，2～4层为办公区，地上建筑面积5 883.5m2。

2 零能耗建筑技术路线

零能耗建筑是近零能耗建筑的进阶表现形式，以节约能源为首要目标，目前许多绿色建筑虽达到近零排放标准并获得评级，但主要依赖大量新能源产能平衡建筑本身的能量消耗，并不环保。零能耗建筑强调建筑气候环境适应性，以被动式优先、主动式优化为设计原则，最大幅度降低建筑本体能耗需求，并充分利用场地内及周边可再生能源，实现建筑设计要素间的整合化，通过技术集成创新，最终实现建筑在满足人员及环境需求的同时，降低建筑能耗，达到相应节能目标。

夏热冬冷地区装配式零能耗建筑实施的关键在于装配式结构体系设计、高效保温隔热外围护结构设计、高气密性设计，同时还需考虑新风系统、遮阳系统及可再生能源系统应用等。本项目综合考虑该气候区气候特点、建筑使用功能及周边资源条件等，技术路线如图1所示。

图1 技术路线

3 零能耗建筑专项技术

3.1 全装配式预应力组合结构体系设计

本项目采用快速装配式组合结构体系，综合运用预应力、空心楼板、预制叠合、钢管混凝土等技术，集成各自优势并形成完整的建筑结构体系(见图2,3)。该结构体系具有以下特点：①抗震性能好 梁柱节点采用钢结构连接，具有良好的滞回曲线；②高度工厂化预制生产 预制装配率>70%，现场作业少，减少扬尘及噪声；③成本可控 采用高强度预应力筋，减少材料用量；④安装方便 新型大跨度叠合楼板四边不出筋，解决目前常见的梁板钢筋碰撞问题；⑤快速施工 钢结构连接、多层预制柱一次安装，操作时间只有湿法连接的1/10，整体施工速度提高20%；⑥大跨高效 同等截面跨度较普通混凝土梁跨度提高20%，预应力大跨度板无次梁可使办公区净高提高300mm以上。

图2 结构体系

图3 结构体系关键节点

3.2 非透明外围护结构设计

夏热冬冷气候区以夏季隔热为主，兼顾保温，根据性能化模型的设计、当地气候特征和行为习惯、装配式构件技术水平等条件，采用预制轻钢龙骨外墙、预制木龙骨外墙和预制混凝土夹心保温外墙，平均传热系数≤0.40W/(m2·K)。木龙骨墙板因结构骨架采用木料，比金属龙骨的热工性能更优异、质量更小，也更容易满足零能耗建筑保温要求，并且具有快捷方便的施工方式，因此，2～4层优先选用预制木龙骨作为外围护墙板，木龙骨墙板如图4所示。预制木龙骨外墙板采用SPF木材Ⅱ级制造，墙骨柱间距406mm，与混凝土接触的底梁板采用防腐处理，保温材料采用140mm厚岩棉，相比钢龙骨墙板，热桥显著降低。

图4 木龙骨墙板

考虑到建筑首层易受潮气及虫蚁蛀蚀影响，南北外立面采用耐候性更好的预制混凝土夹心保温外墙板，夹心保温层为100mm厚XPS保温板，墙板板缝间采用无热桥设计，并采用FRP连接件，可实现结构保温装饰一体化设计和施工。东西外立面采用轻钢龙骨一体化外墙板，中间填塞140mm厚保温岩棉，轻钢龙骨墙板轻质高强，自重最低可至120kg/m2，根据需要可做到大板幅跨度，整个墙板平均传热系数满足≤0.40W/(m2·K)的设计目标。钢龙骨墙板如图5所示。

图5 钢龙骨墙板

3.3 气密性设计

气密性是零能耗建筑的重要性能参数。根据《近零能耗建筑技术标准》，对夏热冬冷地区公共建筑气密性不做要求，为良好控制供冷季和供暖季的能耗，将气密性指标定为N50≤1.0次/h。气密层设置于外围护结构室内侧，包含所有外墙室内侧、地面室内侧、屋面室内侧及楼地面，气密层连续并包围整个围护结构，局部有穿透及打断气密层部位，使用气密性材料粘贴断层处，保证气密性连续(见图6)。

图6 气密区范围

3.4 门窗和遮阳设计

基于该办公楼的零能耗设计，门窗节能设计是关键，影响门窗热工性能的主要因素有传热系数、综合遮阳系数、气密性、可见光透射比等。本项目外窗窗框采用穿条式隔热段热桥铝合金型材，3层玻璃2层中空玻璃窗，整窗传热系数为1.80W/(m2·K)，采用整体内嵌式安装，窗与墙体缝隙处粘贴防水透气膜，采用密封胶将防水透气膜与窗框、墙体粘贴严实。

苏州地区夏季持续时间长，过多的太阳热导致建筑供冷负荷上升，考虑房间使用功能及窗口朝向等因素，采取适当的遮阳措施。东南西向外窗设置可调节遮阳设施，天窗设置电动遮阳百叶，通过手动或自动控制遮阳帘遮光效果，调节入射太阳光总量，同时天窗可电动开启，有利于过渡季自然通风降温。

3.5 热回收新风系统设计

项目每层设置吊顶式全热回收新风机组，全热回收效率≥70%，通过热交换器回收室内排风中的冷(热)量，大幅减少新风负荷，对办公室、会议室等均匀送风，集中回风口设置在机组附近，送风各支管设置电动调节阀，根据室内CO2浓度控制新风量。主要功能房间设置室内环境质量监测系统，监测温湿度、CO2浓度、PM2.5等指标，并与新风系统联动，具备参数限值设定及超限报警功能。全热交换器参数如表1所示。

表1 全热交换器参数

3.6 可再生能源系统设计

夏热冬冷地区位于太阳能资源一般区，阳光资源不充沛，通过扩大太阳能资源采集面积、优化阳光采集角度与朝向，最大化利用太阳能资源，选取办公楼及部分钢结构厂房屋面，铺设安装高效单晶硅光伏组件，装机总容量约390kW。基于厂房屋面结构特殊性，采用专门的铝合金夹具固定屋面板与光伏组件支架，然后在上面安装铝合金横梁，用铝合金压块固定光伏组件，此方案不破坏原有建筑结构，也不需在彩钢板上开孔固定，对屋面排水不产生影响。

混凝土屋顶利用光伏支架，以最佳倾角架设于混凝土平屋面上，并以水泥配重墩基础抵抗风荷载，支架及配重系统整体放置于水泥屋面上，并在原屋面防水层和水泥配重墩间铺贴防水保护层，以保证屋面防水系统不被扰动和破坏。混凝土屋面光伏组件安装如图7所示。

表4 对比近零能耗建筑能效指标

图7 混凝土屋面光伏组件安装

4 零能耗建筑能耗模拟分析

为验证该示范建筑能否达到零能耗设计标准，选用DeST模拟软件分别建立该示范工程模型与基于GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的基准模型，通过2个模型建筑负荷以及对比全年建筑能耗，计算节能指标，如表2所示。参照《近零能耗建筑技术标准》，对比零能耗与近零能耗建筑能效指标，如表3，4所示。

表2 计算结果统计

表3 与零能耗建筑能效指标对比

由表2可以看出，建筑本体和周边可再生能源产能量达34万(kW·h)/a时，整个办公楼可不再使用一次性化石能源，光伏系统装机容量约390kW，按照苏州当地光伏系统最佳倾角进行铺设安装，修正系数按0.83进行估算，年均发电量约35万(kW·h)/a，满足建筑年终端能源消耗量需求，可实现全年零能耗运行。

5 结语

本研究以某PC构件项目3号综合楼项目为依托，在装配式结构体系基础上应用的多项被动式建筑技术、主动式建筑技术及可再生能源利用技术，对夏热冬冷地区装配式零能耗建筑发展具有一定参考价值。由于本项目尚未竣工，本文仅从建筑设计角度进行分析、模拟验证项目可行性，建筑运行阶段将进行深入研究及分析，使建筑在运行中达到真正的零能耗。