严寒地区超低能耗农宅应用实践

牟麒羽，李一田，苏圣媛，杨成港，石俊龙

（吉林省建筑科学研究设计院（吉林省建筑工程质量检测中心），吉林 长春 130011）

0 引言

随着我国城镇化进程的日益推进，我国建筑行业在迎接新发展机遇的同时也面临着新的挑战，特别在我国严寒地带，由于冬季采暖所产生的大量能源消耗及雾霾、酸雨等环境问题，在很大程度上危害到人们的日常生活，因此建筑节能减排成为新的城市建设要求。为遵循可持续发展战略，超低能耗建筑凭借着低运行成本、高舒适的特点得到了国内学者的广泛关注。农村建筑以自建为主，相对城镇建筑能源消耗更大。吉林省大部分农宅采暖以燃煤为主，能源消耗高且围护结构的保温性能较差，冬季室内温度偏低，居住舒适性较差。严寒地区超低能耗农宅应用的研究和实践，对降低农宅的能耗、改善农村居住建筑环境具有重要意义。

1 传统节能建筑与超低能耗建筑

目前，我国大多数设计沿用传统设计方法，即依照现行建筑设计规范和建筑设计方法进行设计，以我国现行的《公共建筑节能设计标准》GB 50189—2015和各气候区《居住建筑节能设计标准》为例，规范详细规定了建筑、暖通及电气专业的节能性能指标，包括热工参数限值，空调系统形式及设备能效限值等[1]。在传统设计中，为了满足室内舒适性要求通常利用自然通风技术来实现建筑室内环境的改善。在具体设计中，设计者通过合理的朝向与布局设计、利用浮力通风和让气流容易流动以增加建筑工程自然通风效果，减少设备的使用。同时在现代建筑节能设计中，设计者通常从传统建筑自然通风的设计技术、遮阳防晒及材料的合理选择等方面入手，以实现建筑的节能减排[2]。

2 工程建设概况

本工程为吉林省科技厅《严寒地区（吉林省）超低能耗农宅关键技术研究与示范》示范项目，按照国家标准《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350—2019对严寒地区超低能耗农宅进行设计。项目位于公主岭市双青湖，面积约为104.42 m2，地上1层，层高3.5 m（项目现场及平面图见图1~图2）。项目以绿色可持续发展为建筑设计策略，在围护结构设计、可再生能源利用、高效新风回收系统等方面提升农宅建筑节能，在满足使用舒适性的同时降低建筑运行能源消耗，从而达到节能减排的效果。

图1 示范工程现场图（图片来源：作者自摄）

图2 示范工程平面图（图片来源：设计图纸）

超低能耗建筑在创造更舒适室内环境的同时，其能耗较2016年建筑节能要求的标准值下降50%以上。表1为超低能耗建筑技术指标关系、吉林省现行居住建筑节能设计标准及本工程指标的详细对比。

表1 建筑能耗指标关系对比

3 主要应用技术

3.1 高性能外围护结构

1）外墙

综合严寒地区农宅建筑房屋类型、施工成本、安全特性等因素，本工程采用装配式EPS空腔模块混凝土建筑施工工艺。此方式可有效避免外墙保温层脱落问题的发生，在缩短施工周期的同时降低建造成本。本工程的装配式EPS空腔模块的主要构造为：内壁为60 mm厚EPS保温板，外壁为160 mm厚EPS保温板，内灌为130 mm厚C20发泡混凝土。装配式EPS模块内外两侧加涂20 mm厚的聚苯颗粒保温砂浆，外墙整体传热系数为0.15 W/（m2·k），施工现场见图3。

图3 施工现场（图片来源：作者自摄）

2）屋面及地面

本工程屋面保温做法（由上到下）：20 mm厚石灰砂浆隔离层+8 mm厚自粘性防水卷材+20 mm厚水泥砂浆找平层+50 mm厚水泥膨胀珍珠岩+40 mm厚发泡混凝土+最薄处180 mm厚XPS保温板+120 mm厚钢筋混凝土屋面。屋面传热系数为0.15 W/（m2·k）。

地面保温做法（由上到下）：20 mm厚1:3干硬水泥砂浆结合层+120 mm钢筋混凝土+130 mm厚XPS保温板。地面传热系数为0.13 W/（m2·k）。

3）外门窗

“中国中心观”正式形成于柯文《在中国发现历史——中国中心观在美国的兴起》一书，之所以说是正式形成，是因为在柯文之前，部分学者在个别问题研究上已有“中国中心观”方面的著作。例如，孔飞力在其代表作《帝制晚期中国的叛乱及其敌人》(1970年)中指出，“在西方大规模冲击中国之前，中国社会内部已经出现危机，新的力量已经在开始削弱中国传统社会”。换言之，“中国中心观”实际是美国史家群体研究中国近代史方法论和认识论的转变，并不是柯文一个人的观点，他只是做了系统的总结和概括。正如柯文所言，“中国中心观”是“70年代初逐渐发展起来的，只是迄今为止还没有人对该趋势做出系统的明确的描述而已”。

外门窗是超低能耗建筑节能的重要组成部分，其影响建筑能耗的参数主要包括传热系数、太阳能得热系数及气密性。本工程的外窗采用塑钢86系列（5 mmLow-E+10 Ar+5 mm+10 Ar+5 mm+10 Ar+5mmLow-E）暖边隔条，传热系数为1.0 W/（m2·k）；外门采用超低能耗户门，传热系数为1.2 W/（m2·k），在大幅度提高室内环境舒适性的同时，降低了建筑运行能耗。

外窗采用外挂式安装，预留口尺寸略小于窗外框的尺寸，外窗用角钢固定件固定在基墙上，安装前应在窗框周围贴上预压膨胀密封胶带，以确保外窗与墙体连接的气密性。安装完成后，对墙体与外门窗连接处打密封胶，并在门窗内侧粘贴防水隔气膜，外侧贴防水透气膜。防水隔气膜具有很好的防水隔气效果，可有效阻止水汽侵入保温层。

3.2 可再生能源建筑应用

1）空气源热泵系统

本工程冷热源选用超低温空气源热泵，空气源热泵是基于逆卡诺循环原理的一种节能、环保型供热技术，是利用高势能使热量从低势能热源空气流向高势能热源的节能装置，系统安全可靠、对环境无污染。

本工程选用的空气源热泵的型号为HP10，额定制热量（7℃）10 kW，制热输入功率2.9 kW，可满足冷热负荷和热媒温度的要求，空气源热泵机组见图4。

图4 超低温空气源热泵

2）太阳能光伏发电系统

本工程设置太阳能光伏发电系统，采用多晶硅光伏组件，装机容量4 kW，年发电量约5 000 kW·h，屋面太阳能光伏发电系统见图5。

图5 太阳能光伏发电系统

3）太阳能热水系统

太阳能热水系统指的是通过收集太阳能量将太阳能装置中的水进行加热[4]。本工程设置太阳能热水系统，采用真空管型太阳能集热器，采光面积3.2 m2，热水量195 L，可满足农宅生活热水需求。

3.3 高效的新风回收系统

新风系统向室内送入清洁新风，排出室内污浊气体，在降低室内污染物浓度的同时保证了人们对舒适度的要求。但新风系统在提供新风的同时也带来了额外的负荷[5]。因此超低能耗建筑应当引入高效新风热处理系统，通过利用回收排风中的热能来降低供热制冷需求及减少辅助供热制冷系统的应用，以实现超低能耗目标。全热交换器见图6。

图6 全热交换器

本工程设计新风量为150 m3/h，全热交换器热回收效率为75%。新风系统单位风量耗功率0.43 W/（m3·h），机身需采用双层钣金复合消音材料，运行安静，室内噪声满足白天≤40 dB（A），夜间≤30 dB（A）。

3.4 能耗监测平台

为了解严寒地区农宅室内环境和能源消耗情况，本工程设置能耗监测平台，能耗监测平台主要包括如下参数。

1）室内环境指标：温度、TVOC、相对湿度、PM2.5、甲醛、CO2等。

2）建筑能耗监测：按采暖用电、新风+照明+插座用电、总用电分别进行用电量监测。

按照《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350—2019，严寒地区超低能耗居住建筑供暖年耗热量≤30 kW·h/（m2·a）。经过绿建斯维尔软件的计算，本项目供暖年耗热量为29.96 kW·h/（m2·a），满足标准要求。

4 结论

综上所述，本工程采用的高性能围护结构、空气源热泵、太阳能光伏、高效新风热回收等技术，实现了超低能耗农宅的建设目标。证明了严寒地区超低能耗农宅可为我国绿色低碳发展、环境保护与节能减排起到积极推动作用。严寒地区超低能耗农宅的研究和实践，在我国严寒地区的农宅建筑设计中具有可推广的应用价值。