夏热冬冷地区被动房围护结构节能设计研究——以武汉凌悦华府项目为例

丁祥璐 | Ding Xianglu

尚 伟 | Shang Wei

张灼芊 | Zhang Zhuoqian

吕 桑 | Lyu Sang

韩 杨 | Han Yang

自18世纪工业革命以来，全球平均气温快速上升，导致温室效应频发[1]；经济社会的发展同时伴随着“能源消耗严峻”的问题等，面对全球气候变暖、能源消耗及碳排放巨大的紧迫形势，“节能减排”成为全球重点[2]，建筑能耗因其在社会总能耗中的巨大占比而引起广泛关注[3]。在亟需改变传统建筑构造形式来降低建筑能耗的全球背景下，逐渐形成了“被动房”这一新的建筑体系（图1）。

图1 中国建筑能耗占比

“被动房”被定义为通过太阳能、保温、地热、热回收新风系统等综合技术，使建筑仅依靠本身的构造设计，就能达到室内舒适的热环境，不需要依赖“主动”提供能量的采暖、制冷等设备的建筑[4]。被动房在降低能耗的同时，并不会降低建筑空间的舒适性，高性能的外围护结构使得建筑在严寒的冬天和炎热的夏季也能保持室内温度恒定[5]，同时通过新风系统提供足够的、清洁的新鲜空气保证室内空气质量。如表1所示，极大地降低非再生能源的消耗，再通过利用风能和太阳能等可再生能源，有效减少了二氧化碳排放，具有可持续性[6-7]。虽然被动房的建造费用较高，但在建筑的全寿命周期，运营及维护费用极低，整个成本相对传统建筑更经济。

表1 德国被动房标准

1 国内外被动房研究发展

1988年瑞典Lund大学Bo Adamson教授和德国Wolfgang Feist 博士首先提出“被动房”这一概念。1991年德国达姆施塔特（Darmstadt）建成第一座被动式房屋（Passive House Darmstadt Kranichstein），十几年来一直按照设计的要求正常运行，取得很好的效果。

近年来，国内外学者针对被动式房屋开展了一系列不同角度的研究，主要是针对不同气候的地区开展了不同的研究分析。其中李楠等通过实测和模拟分析的方法对寒冷地区过渡季被动房的各项通风策略进行了研究，提出借助可再生能源来保障被动房的节能与舒适性[8]。金松涛等从严寒地区被动房外墙系数入手通过计算比较与德国的差异性，提出适用于我国高纬度地区的外墙传热系数[9]。而对于温和地区，崔跃结合了民用建筑能耗统计结果讨论了适宜温和地区的以改善冬季室内保温情况的被动房技术指标体系[10]。Gamero关注了降低热带地区室内过热风险方面的相对影响，通过热模拟的方式评估室内过热风险，强调被动冷却以及保护设计策略在当地的重要性[11]。为了比较中德两国间的现实差异，任志刚等以气候适应性为出发点选取两国22座城市，研究了德国被动房类型在中国的契合度，得出了以维度为分界线的中国各地区的冷暖需求与除湿需求的大致变化[12]。

我国现阶段的绿色建筑被动式技术脱胎于德国的技术体系，其构造重点集中在围护结构得到高保温性能、被动式门窗的高气密性、新风热回收装置以及可再生能源的利用等方面[13]，我国严寒地区和寒冷地区被动式超低能耗建筑技术导则节能率可以达到90%，夏热冬冷和夏热冬暖地区的节能率可以达到85%[14]德国被动房的室内环境标准过高，若直接使用导致我国建筑夏季冷负荷过大。因此设计阶段需要针对被动房发展出适用于我国气候变化的结构选型及参数标准。

2 夏热冬冷地区被动房设计要点及参数

夏热冬冷地区夏季高温闷热，冬季阴冷，冷感强烈，且夏季时间持续较长，因而，该地区的建筑需兼顾夏季隔热和冬季保温。在整个建筑能耗中，渗透热损失占比一般达到20%～30%左右[15]，因此在被动房中所有外露构件均需进行保温处理，杜绝热桥。这样可以减少热量损失及防止室内结露；当热桥系数≤0.01w/m2K，可视为无热桥结构设计。除此之外，被动房还应注意建筑的气密性，建筑能耗与气密性密切相关（图2）。气密性等级越高，建筑物漏气量越小，室内能量损失越小，同时高度的气密性还具有隔音降噪、防潮、防霉的功能。表2所示德国被动房能耗指标及气密性指标，普通节能建筑对建筑物气密性没有要求，被动式建筑要求建筑整体气密性指标N50≤0.6次/小时，也就是1小时室内由于不可控制的渗透造成的空气替换率不大于60%，这样可以极大地减小空气流通造成的能量损失。

表2 建筑能耗指标及气密性指标

图2 建筑能耗与气密性

门窗在整个建筑面积中所占面积比例约为21%的建筑中，通过门窗损失的热量可占到整个建筑物热量损失的一半[16]。因此，被动房设计中，门窗的性能也是建筑节能的重要点。表3为德国在不同气候区被动房窗户的认证标准，夏热冬冷地区窗户均采用三玻两中空构造，或玻璃间充惰性气体，使用Low-e玻璃和暖边材料，整窗传热系数小等于0.85W/（m2K），且节能玻璃需要满足三个指标：传热系数≤0.8；太阳能得热系数≥0.35；光热比LSG=tv/g≥1.25。

表3 被动房窗户认证标准

3 夏热冬冷地区被动房围护结构设计研究与实践

3.1 研究概况

武汉市地处长江流域属于亚热带季风气候，室内温度低、舒适度差，是典型的夏热冬冷城市，本文以湖北武汉凌悦华府项目为研究对象，该项目充分体现了被动式房屋的设计理念和施工标准，且通过了德国PHI相关机构认证，主要通过分析其无热桥设计原则、外门窗气密性处理要点、被动式门窗及遮阳系统设计等围护结构方面的设计与施工技术，总结夏热冬冷地区进行被动房建筑设计时应考虑的绿色建筑设计理念。

3.2 无热桥设计

凌悦华府项目中大量运用了严谨的结构设计与新型绝热材料并行的无热桥设计，从而尽可能地大幅减少供热制冷的能源消耗。湖北凌悦华府项目在避免热桥方面遵循以下几点原则。

①避让原则：尽可能不破坏或穿透外围护结构；②击穿原则：当管线等必须穿透外围护结构时，在穿透处增大孔洞，保证足够的间隙进行密实无空洞的保温；③连续原则：用连续不间断的保温消除热桥效应，减少热量损失及防止室内结露；④几何原则：避免几何结构的变化，减少散热面积。

图3及图4为湖北凌悦华府项目的无热桥设计细部图，其设计要点如下。

图3 防热桥处理

图4 外墙防热桥保温锚栓安装

①项目外墙以挤塑聚苯乙烯泡沫（XEPS）多孔聚苯乙烯（XPS）为主要保温隔热材料，材料具有特有的微细闭孔蜂窝状结构，与传统EPS板相比，具有密度大、压缩性能高、导热系数小、吸水率低、水蒸气渗透系数小等特点。在夏热冬冷地区长期高湿度或浸水环境下，XPS板仍能保持其优良的保温性能，以聚合物粘接、钉的方式与墙身固定。

②墙体采用提高热工效果的LC7.5轻骨料混凝土垫层和轻质多孔保温隔热防火性能良好的加气混凝土砌块，因其保温隔热、防火性能良好是较为理想的被动式建筑材料之一。

③门窗与墙体间使用聚氨酯发泡剂进行填充，有填缝、粘结、密封、隔热、吸音等多种效果。

在该项目性能优秀的外保温包裹的情况下，热量通过建筑围护结构传导较为困难，主要通过边、角、连接点等细部节点传导，对此采用无冷热桥的设计，以及优化冷热桥细部节点是降低热传导，提高建筑节能最有效的方法。上述三点表明凌悦华府项目在外围护结构的边、角、门窗连接点等处作了降低热传导的处理，最大可能地避免了外墙薄弱处的热桥效应。

④保温层上设有与基层墙体固定的防热桥锚栓（图4），能更好地减少或避免锚栓在外墙保温中的热桥效应，以提高建筑节能指数，使保温系统具有更好的保温隔热效果。

3.3 被动式门窗及遮阳系统设计

该项目中为外挂式安装方式被动门窗，对于窗户所用的铝型材、隔热条、玻璃、五金件都有非常严格的要求（图5）。门窗产品采取以下设计。

图5 门窗与遮阳安装节点

①被动式130C铝包木外开门、内开内倒铝包窗；②RAICO系统75DI铝合金被动式进户门；③铝合金可拆卸百叶窗、铝合金防雨百叶窗，内置防虫网；④铝包木外开门，内开门、内开内倒窗选用红松；⑤表面静电粉沫喷涂的铝材；⑥铝包木窗全部选用5Lowe+16Ar+5+16Ar+5Low-e三玻两腔两片高性能单银Low-e玻璃，它们是能够反射红外能量，兼具“最大限度充许可见光进入”和“控制太阳能”两种性能的玻璃。三玻两腔的被动式窗户，可以获得更多的能量，同时减少能量损失；性能优于普通双层玻璃四倍以及优越的隔音效果，暖边、钢化、充氩气等惰性气体用来降低窗体地导热性；⑦内外墙板均采用导热系数≤0.032，具有良好绝热能力的高强石墨聚苯板；⑧以耐碱玻璃纤维网格布为基材的玻璃纤维增强水泥（GRC）。

被动窗和楼宇门整体U值不应大于0.8（W/mK）。玻璃的SHGC（g值）和U值指中空或真空玻璃整体，不是单片玻璃。SHEC（g值）应严格按规范选用，不可进行数值上下调整，U值可小于规定值。为便于安装，被动门窗四周需为混凝土且结构宽度不低于250mm。同时，该项目建筑外窗户设有可调节外遮阳系统，在进行夏季遮阳计算时，外窗遮阳按照全部遮住进行设置即遮阳率为88%，确保夏季能耗减少到最低。

3.4 气密性设计

湖北凌悦华府项目的气密性设计严格遵循以下三点。

（1）气密线绘制

在建筑平面图和剖面图中，用红色粗虚线沿被动区围护结构内侧绘制气密线，以便施工人员识别并采取技术措施予以保证。气密层需要连续无中断地包裹整个被动区。

（2）气密施工

位于气密线上的所有孔洞、缝隙均需要采取气密保证措施予以处理，为了保证建筑气密性需严格按照相关气密性节点进行施工。

（3）门窗安装气密性处理

外门窗气密性等级不应低于8级、水密性等级不低于6级、抗风压性能等级不低于9级。对于高气密性要求的建筑，在窗框与结构墙结合部位应进行防水密封处理，所采用的防水隔气膜材料应符合技术指标要求。

以该项目外窗部位的气密性处理为例来阐述被动式住宅的低能耗绿色建筑设计理念（图6）。外门窗安装部位气密性处理要点如下。

图6 外窗部分构造大样图

①窗框与结构墙面结合部位是保证气密性的关键部位，在粘贴隔汽膜和防水透汽膜时要确保粘贴牢固严密。支架部位要同时粘贴，不方便粘贴的靠墙部位可抹粘接砂浆封堵。②在安装玻璃压条时，要确保压条接口缝隙严密，如出现缝隙应用密封胶封堵。外窗型材对接部位的缝隙应用密封胶封堵。③为降低潮气和浮尘对粘结力的影响，刷基层处理剂将潮湿基层进行密封。④使用较普通防水涂料附着性强、密度大、防水效果更佳的高分子防水涂料。⑤良好热工效果的LC15轻骨料混凝土楼地面隔热层。⑥门窗扇安装完成后，应检查窗框缝隙，并调整开启扇五金配件，保证门窗密封条能够气密闭合。

结语

低能耗建筑是全球“节能减排”背景下促进建筑转型发展的关键，同时也是中国目前处于存量更新状态的建筑可持续发展的必由之路。本文分析始于德国的被动房设计理念及参数，并通过国内夏热冬冷地区被动式建筑的实际工程项目实践，总结出以下三大技术措施，并可广泛应用于我国的民用建筑设计。

①无热桥设计。基于“避让、击穿、连续、几何”四大原则最大限度保证建筑的无热桥设计，避免热流集中导致的内墙结露和热量损失问题。②被动式门窗设计。通过遵从规范系数的被动式门窗辅助外设遮阳系统可大幅度改善屋内热量堆积情况，避免夏季冷负荷过大、室内能耗严重的情况出现。③建筑气密性设计。通过对建筑细部及门窗等结构的气密性设计乃至于后续的施工实践，保证在风压和热压的作用下，建筑围护体系内温度恒定。

本文在研究居住建筑结构指标参数时，未对其他建筑形式进行对照研究，需要在后续的研究发展中进一步深入。

资料来源：

图1：引自《中国建筑能耗报告》；

图2：引自《被动房概念标准与外保温设计要点》；

表1～2：引自《德国被动房标准》；

其余图片均为作者自绘。