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长江流域被动式房屋(Passive House)建筑施工工艺及原理

作者:admin     点击:598      时间:2019-02-01

 

程 红 明

二〇一九年一月十八日

目    录

一、前言

二、被动式超低能耗建筑(Passive Ultra-Low Energy building)

三、被动式超低能耗建筑工艺及原理

四、结束语

五、参考文献

一、前    言

    随着全球经济的发展,全球气候、环境也随着发生巨大的变化,这些变化对人类的生存环境与生活质量已产生息息相关的重大影响。为了应对气候、环境的变化,实现可持续性发展战略,提高建筑能效水平以首当其冲作为发达国家的发展趋势。

    从世界范围看欧盟2002年通过并于2010年修订的《建筑能效指令》(EPBD),所有新建建筑在2020年前必须达到近零能耗水平。英国要求2016年后新建建筑达到零碳;德国要求2020年12月31日后新建建筑达到近零能耗;美国要求2020-2030年“零能耗建筑”应在技术上可行;韩国提出2025年全面实现零能耗建筑目标。许多国家都在积极制定超低能耗建筑发展目标和技术政策。

    建筑能耗分生产建材所消耗能耗、建材使用过程中能耗、建筑使用能耗等等。根据《中国建筑能耗研究报告(2017年)》:近些年,我国平均每年有160亿平方米的新建房屋面积为能源利用率仅33%的高能耗建筑,每年建筑总能耗占全国能耗总量的三分之一,建筑使用能耗占能耗总量的20%。

    由于我国地域辽阔,各地气候差异大,经济发展水平和室内环境标准、建筑特点、建筑技术和产业水平以及人们生活习惯不尽相同,自2007年起,中国住房城乡建设部引进德国先进建筑节能技术,以被动式超低能耗建筑技术为重点,结合其它发达国家近零能耗建筑节能技术,先后在河北、山东、新疆等地做出了示范项目,取得了很好的效果并开始推广。

在长江流域,由于其独特的地理环境,冬冷夏热,温差大,长年湿度大,结合地域特点,在中国城乡建设产业联盟的主导下,由国建联城乡建设开发公司投资,湖北金垦建设投资集团子公司施工的开始施工,样板房屋已建成,该项目结合地产、文旅、康养于一体,具有较强的研发性,为制定长江流域被动式房屋(Passive house)建筑标准提供技术指标,施工工艺提供主导依据。由中国城乡建设产业联盟与国建联城乡建设开发公司牵头,中南建筑设计院、武汉理工大学设计研究院、北京建材设计院、湖北金垦建设投资集团等单位参与主编的《湖北省被动式超低能耗绿色建筑设计标准》以此为依据正在制定中,该《标准》在整个长江流域具有一定的示范意义。

  • 二、被动式超低能耗建筑(Passive Ultra-Low Energy building)

    被动式房屋(Passive house)的称谓理念来源于德国。在1988年5月德国被动式房屋研究院(Passivhaus Institut)的Wolfgang Feist 博士与瑞典隆德大学Bo Adamson教授的一次讨论,通过一系列的研究和德国黑森林政府的资助,被动式房屋(Passive house)的概念逐步确立。1990年最早的一批被动式房屋在德国达姆施塔特建成。

    被动式超低能耗建筑是指适应气候特征和自然条件,通过保温隔热性能和气密性能更高的围护,采用新风热回收技术,在长江流域由于湿度大,而有特殊意义的除湿功能而建的房屋建筑。被动房这种建筑在显著提高室内环境舒适性的同时,可大幅度减少建筑使用能耗,最大限度地降低对主动式机械采暖和制冷系统的依赖。

    被动式房屋的特点:不需要主动加热,它基本上是依靠被动收集来的热量来使房屋本身保持一个舒适的温度,使用太阳、人体、家电及热回收装置带来的热能,不需要主动热源供给。

    被动式超低能耗建筑是一种高效节能建筑,节能效率达90%以上,同时也是高度舒适性建筑,室内温度常年处于20℃-26℃之间,湿度达40%至60%,CO2浓度小于1000PPM,为人类建筑提供了一种恒温、恒湿、恒氧、恒净的舒适健康的生活环境,正是由于被动式超低能耗建筑具有的节能、舒适的双重优越性而倍受人们喜爱,被动式超低能耗建筑越来越受社会的关注,世界各地新建成的被动房也如雨后春笋般的不断涌现。

 

三、被动式房屋建筑工艺及原理

    (一)高效保温系统

    在建筑物外围采用保温层持续不断地包裹整个采暖空间,相当于给房子穿了一层棉袄,保温又隔热。采用此保温层的建筑使外维护结构传热系数约为我国现行节能75%的建筑的三分之一,使建筑物保温性能更优越;在保温系统中设置防火隔离带,有效保障安全;在施工时,在建筑物保温层中,采用两层保温板之间错缝连接,有效的避免了保温层相邻缝隙的热量损失;保温层采用锚栓与墙体连接,增强连接安全系数,避免高空脱落;锚栓采用阻断热传递的断热桥锚栓,能有效的防止热流失。

    保温系统的材料应用,现市面建筑保温材料种类繁多,在武汉市江夏区由湖北金垦建设投资集团主导施工“鲁湖零碳小镇”示范工程中,外墙及屋面保温采用的阻燃系数高80mm厚的石墨聚苯板,双层错缝连接保温层,地面底层底于±0.00以下50cm处室内外均采取防水防潮处理,室内在防水防潮处理后再铺设挤塑复合板进行保温,楼地面采用挤塑板隔离处理。

外墙保温做法

屋面保温做法

地面保温做法

楼面隔声、保温做法

 

    (二)无热桥设计

    热桥指在建筑外围护结构的传热能力强,热流较密集的部位,有热桥的部位会造成大量的热量损失,经过无热桥处理的建筑使墙体保温层及热桥产生部位表面温度均匀,从而达到导热均匀,没有明显热量损失;在长江流域,季节性温差较大,室内外温差较大,空气湿度较大,从而由于热桥的存在,使室内容易结露、沾灰、逐渐变黑,从而滋生细菌发霉,被动房技术对建筑中存在的热桥部位进行断热处理后,有效的解决热桥效应。常见的热桥部及处理措施,如:与外墙连接部位的金属结构件与墙体相连的金属件用隔热垫阻断热传递;悬挑部位如女儿墙与悬挑结构用连续的保温,防止热桥效应;外墙周边的钢筋混凝土抗震柱、圈梁、门窗过梁、不同材质连接部位等采用有效的热桥处理措施,减少热传导的物理效应。

防热桥保温钉 

 

支架防热桥做法

 

    (三)气密性

    在风压和热压的作用下,建筑物的空气渗透主要来自室外门窗和外围结构中不严密的孔洞,气密性的优劣直接影响到建筑物的能耗,气密性能越高,热损失越小,因此气密性是保证建筑保温性能稳定的重要控制指标。

    被动房有连续并包围整个采暖空间的气密层,良好的气密性可减少室内热量的流失,并避免发霉、结露,并避免室外噪音、空气污染、提高室内环境品质;门窗洞口、穿墙预埋件用特殊的密闭材料和配件来确保气密层的完整性。

 

管道穿墙密封

室内气密性检测

回风口四周密封

    (四)被动式门窗

    门窗面积占整个建筑面积的1/5,通过门窗损失的热量却占整个建筑物热量损失的一半,传统的建筑门窗及施工工艺已不能满足被动式房屋的节能要求。被动式房屋采用被动式门窗,被动式门窗采用三玻两中空低辐射(Low-E)的高效节能门窗,其整窗传热系数的K值<0.8w/m2k,外挂式安装并用保温层覆盖窗框可以减少热桥效应,避免能量流失,窗框内外采用防水隔气膜和防水透气膜进行气密性处理,室内采用防水隔气膜、室外采用防水透气膜、防水、防风、防噪音;外窗台设置耐久性良好的金属台板,以免雨水浸蚀造成保温层的破坏。被动式门窗性能高于国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》的等级标准。

    被动式门窗的六大要求:

1、玻璃的透照部分的性能要求

①玻璃的传热系数应满足K≦0.8w(M2.k);

②玻璃的太阳能总透射比G≧0.35;

③玻璃的选择性系数S,越大越好,并满足S=TL/g≧1.25的要求,其中TL是可透射比。

    在这种条件下,房屋的外门窗的透明材料只可能选用Low-E中空玻璃或真空玻璃等透明材料。因为只有Low-E才能对阳光具有选择性。它能够反射红外能量,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。Low-E中空玻璃具有传热系数低和能够反射红外线的特点,其主要功能是降低室内外远红外线的辐射能量和太阳能辐射能量的传递,从而维持室内温度。Low-E玻璃生产工艺分为两种:一种是采用真空磁控溅射方法的离线Low-E玻璃,表面辐射率低于0.15;另一种是采用化学气相沉和方法的在线Low-E在线玻璃,其表面辐射率值低于0.25。

2、型材的选择

    被动式门窗采用专用型材,目前市场上材质有木材与铝塑型材,型材传热系数K 应符合国家标准《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484 规定的方法测定,并符合K ≤1.3W/(m2·K)规定。这项规定既保障了外窗整体的传热系数能够控制在一定范围以内,又保障了在使用过程中,冬季室内一侧型材表面温度高于露点温度。

3、窗框的密封材料

    在建筑工程领域,工程用门窗普遍忽视门窗的密封材料。被动式房屋的门窗采用三道耐久性良好的密封材料密封,能有效在避免门窗本身在冬季室内一侧结露,并降低被动房应有的室内环境温度。

4、玻璃间隔条的选择

    由于被动式门窗透明部分一般采用高性能玻璃间隔条三玻二腔充氩气或是真空玻璃,高性能玻璃间隔条原来在我国一直是一个产业空白,我国相关的标准还未建立。现在由于被动式房屋建筑的发展,我国在上海已有厂家开始生产。

5、对外门窗的气密性、水密性和抗风性能要求

    被动式门窗的气密性、水密性和抗风压性能高于同类普通非被动式房屋的建筑要求。依据现行的国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T7106,其气密性等级不应低于8 级、水密性等级不应低于6级、抗风压性能等级不应低于9 级。

6、对门窗的安装要求

    被动式房门窗与传统的建筑门窗安装方法不同,被动式门窗一般安装外墙外侧。外门外窗与墙体连接有防水透气膜、防水隔气膜和密封胶组成的完整密封连接系统。这种安装方式比传统的安装方法相比较,可以减少20% 左右的热损失。

 

被动窗

被动门安装

 

被动窗安装

被动窗护角

被动门、窗支架安装

武汉市江夏区“鲁湖零碳”小镇

 

(五)新风系统

    被动式房屋节能不需要主动加热,它依靠被动收集来的热量来使房屋本身保持一个舒适的温度。使太阳、人体、家电及热回收装置带来的热能,不需要热源的供给,这个热回收交换装置就是全热交换中央(除霾)新风系统。

    全热交换中央(除霾)新风系统是被动 房的“呼吸系统”,持续不断的为室内提供充足的氧气,新风系统的智能监测及控制功能,使室内温度控制在20℃-26℃,湿度控制在40%-60%,CO2浓度控制在<1000PPM,保证室内环境处于恒氧、恒湿、恒湿、恒净水平,采用G4初效和H11高效组合过滤持续对新风进行净化,PM2.5的一次通过净化率达到99.7%,高效热交换器采用全热交叉递流式,高效回收排风中热量和水蒸气,热回收效率>75%。

 

清华同方被动房

新风系统主机

 

新风管道

多功能控制器

 

新风口

 

(六)遮阳系统

    优秀的被动式房屋设计,必须有高品质的建筑外遮阳系统。建筑遮阳是建筑节能的有效方式之一,被动式建筑使用建筑遮阳更是一种自我调节手段,通过外围护结构上安装遮阳设施,可有效遮挡直射阳光、改善室内环境,节省建筑能耗,尽量减少能量在传输过程中的流量流失,还可以调节自然采光以满足不同功能的需求,使房屋的能量系统最优化,是被动式房屋高品质的保证之一。

     遮阳系统可以使室外窗玻100%的太阳光热能于室内窗玻阻隔至6%受热,无遮阳则使室内窗玻至81%受热,遮阳系统可以降低建筑表面90%以上的太阳直接辐射得热,总体下可以节约空调用能25%以上。

(七)雨水回收系统

    由于城镇化的迅速发展,道路、建筑群等不透面积的扩大,一方面雨水不能再入渗地下补充地下水,另一方面径流迅速汇集造成地面积水和局部洪灾,同时雨水流失造成水资源的浪费,于是通过收集、利用建筑物屋顶及地表的降雨径流,达到综合利用雨水资源和节约用水的目的,也是水资源可持续利用的重要措施之一。

    雨水收集的方法:

1、地下储雨水池,用于收集屋面、庭院和地面的雨水,所收集来的雨水经储雨水池沉淀、过滤,通过输送系统用于冲厕、洗车、绿化用水、景观用水或消防用水。储雨水池的规格依收集量与使用量规模而定,亦可依规模集成合并使用。

2、地上储雨器,主要用于屋面雨水收集,所收集的雨水主要用于庭院洒水、浇灌花草,节约自来水。

(八)同层排水系统

    同层排水就是指同一层或本层,厨、厕卫生器具污水排水模管设置在本层套内,排水支管以套内本户为界,排水支管不穿越楼板进入他户而流径主管的排水方式。同层排水的布置设计依据是:《住宅设计规范》(GB50096-1999)6.1.6条与《建筑给排水设计规范》(GB50015-2003)4.3.3,4.3.6,4.3.8条规定,以及国家标准图《住宅厨、卫给排水管道安装》03SS408针对同层排水标准设计。

同层排水系统相对于传统的隔层排水处理方式,同层排水方案彻底摆脱了相邻楼层间的束缚,产权明晰,无噪音干扰,无渗漏隐患,更卫生。

 

(九)太阳能光电系统

    被动式房屋能源的应用是一个较为复杂的不需要外部能源供应的系统的应用,它除了太阳能、热能的利用外,太阳能光电则是替代外部能源供应的主要方法之一,它集供电、蓄电于一体,有效的解决了建筑物机械、电器、照明所需的能源供应。

    光伏电站每发一度电,就相当于节约标准煤0.4kg,减少二氧化碳1.11kg,具有明显的节能减排效果。

    太阳能光电的利用,是太阳的辐射能光子通过半导体材料转变为电能的过程,通常叫“光生伏特效应”,太阳能电池就是利用这种效应制成的。太阳能电池是太阳能利用中最重要的作用之一;也是发展最快的技术之一,它有效的解决了被动式房屋建筑的用电延时应用。

     太阳能电池的应用很广,但目前太阳能电池的蓄电成本较高,使用周期较短(目前使用周期约三至四年),但随着科学技术的发展,到时太阳能电池无论是蓄电能力、成本、使用周期都将会有大的发展。

(十)太阳能热水系统

    在能源紧缺的今天,热水是建筑物中排在供暖、空调和照明之后的第四大能耗,太阳能热水器是太阳能利用技术中最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域。我国越来越多的城乡居民开始安装使用太阳能热水器。太阳能热水器在安装使用上存在诸多的问题,特别体现在太阳能热水器没能与建筑完美结合。因此,太阳能热水器与建筑一体化的设计与研究使各地纷纷出台《太阳能热水系统与建筑一体化技术规程》,被动式房屋通过对太阳能热水系统的一体设计与应用对这一技术规程的实施,使得原有的太阳能热器在设计上、布置上、使用上、集成化、系统化,有机的与建筑物融为一体。

    被动式房屋太阳能热水系统的应用配置根据建筑物使用配置而设置,被动式房屋对太阳热水系统的设计使得相对应的每台太阳能热水器每年可节约标准煤约0.17吨,节约电费约780元,减少二氧化碳排放0.47吨。

 

四、结束语

    被动式超低能耗建筑,兼顾了舒适、健康、节能的特性,是人类应对气候变化,实现可持续发展战略重要支撑,在世界各地得到了广泛的推广,目前中国已经有100多项示范项目完工或正在建设,全国各地纷纷出台鼓励政策支持被动房的发展,建筑节能将迎来一场颠覆性的革命。

 

五、参考文献

1、《计算建筑围护结构中热桥传热的等效平板法》(万方数据库)

2、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》

3、《提高建筑气密性的适应性研究》(学术年会资料)

4、《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T 7106

5、《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484

6、《住宅设计规范》(GB50096-1999)

7、《建筑给排水设计规范》(GB50015-2003)

8、《太阳能热水系统与建筑一体化技术规程》(DB34/1801-2012)

9、《太阳能光伏与建筑一体化技术规程》(DB34/5006-2014)