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夏热冬冷地区被动式建筑实践
2017.02.06

夏热冬冷地区被动式建筑实践

-----朗诗布鲁克被动房

上海朗诗规划建筑设计有限公司 上海 200092


摘要:被动房技术是由德国率先提出、形成标准并加以实践。其特点是通过被动技术手段,在保证室内环境舒适的前提下大幅度降低建筑能耗。目前在欧洲、美洲和亚洲均有项目。布鲁克被动房项目由朗诗集团与德国被动房研究所、德国能源署合作建成,是中国夏热冬冷地区第一座按德国被动房标准设计建造的被动式建筑。本文通过对具体项目的剖析,介绍了在一个气候条件和经济发展差别较大的地区,如何秉持被动房技术原理因地制宜地开展项目实践。


关键词:被动房、低能耗、无热桥、气密性、热回收、外遮阳、可再生能源。



1 项目概况

布鲁克项目位于浙江长兴太湖南岸的朗诗集团研发基地内,基地紧邻太湖,布鲁克楼5层,总高17.4米,建筑面积约2500㎡。项目定位为绿色精品酒店,共有标准房间48间,套房4套。




方案由德国彼德鲁格建筑设计事物所进行方案设计,上海朗诗规划建筑设计院进行初步设计和施工图设计,德国被动房研究所作为咨询方参与项目的整个过程。在最大程度遵照德方设计的前提下,结合中国的规范和做法,最终将设计落地完成,得到德方的高度好评。为保证项目的顺利实施打下坚实的基础。



图2: 三层平面图




2 被动房的定义及评价指标

被动房的是指仅通过建筑新风系统提供采暖和制冷就能满足热舒适度的要求的低能耗建筑。其设计的核心是节能。所有的设计方法和技术手段都是从节能降耗的角度出发,在保证舒适度的前提下,将建筑能源消耗降到最低。 德国被动房研究所根据长三角气候特点给出夏热冬冷地区被动房设计指标:

(1) 单位面积采暖能耗≤15Kw/㎡.年

(2) 单位面积制冷能耗≤15Kw/㎡.年

(3) 包含热水 照明等单位面积综合能耗≤120Kw/㎡.年

(4) 气密性要求:50Mpa压力差情况下,换气次数≤0.6次/小时


3 布鲁克被动房采用的关键技术

为达到上述指标的要求,布鲁克被动房采用了无热桥的外保温系统,高效节能门窗系统,带热回收的新风系统,变频风冷热泵系统,外遮阳系统,太阳能+空气源热水系统,建筑内外墙及楼地面隔声系统,雨水回收系统8项关键技术系统。其中的隔声系统和雨水回收系统是满足DGNB认证采用。


4 外围护结构的保温性和气密性设计

按照德国被动房标准,屋顶传热系数不大于 0.15 W/m²K ,外墙传热系数不大于 0.15 W/m²K ,整窗传热系数不大于 0.8 W/m²K ;气密性要求: 鼓风门测试值(n50 < 0.6 h-1) ,在维持50Pa正压的情况下,室内换气次数小于0.6次/h;布鲁克被动房也按照该指标进行设计。


5 外保温及外门窗材料选择

5.1外墙外保温材料选择:通过对国内市场上经常采用的保温材料的保温性能和燃烧等级,最初选定的三种保温材料——模塑聚苯板(普通EPS,B2级)、石墨聚苯板(灰板,B1级)和岩棉板(A级),经过对外墙体传热系数的计算,要达到不高于0.15 W/(m2·K)的要求,模塑聚苯板需要260mm厚,石墨聚苯板需要200mm厚,岩棉板需要280mm厚。通过经济性评价,结合朗诗经验,最终选用了石墨聚苯板保温体系作为墙面的保温材料,并按照规范要求在每层设置岩棉防火隔离带,保证整个建筑防火保温性能,墙体综合传热指标值实现了0.15 W/(m2·K)。



图3:石墨聚苯板外保温构造示意图




5.2一层地面保温材料的选择:布鲁克项目中一层部分区域属于被动房范围内,需要在一层结构面铺设保温板。综合对比石墨聚苯板、挤塑聚苯板、岩棉板等各类保温材料,发现挤塑聚苯板具有更好的保温性能、更大的抗压强度、更好的防水性能以及更优的性价比,因此地面保温材料选用了挤塑聚苯板。挤塑聚苯板的厚度为40mm,一层地面的综合传热系数为0.6 W/(m2·K)以下。

 

图4:地面外保温施工现场                                                  图5:墙面外保温施工现场



5.3屋顶保温材料选择:建筑屋顶保温材料的选择综合考虑了材料的保温、防水和燃烧性能。在泡沫玻璃保温板、挤塑聚苯板和发泡聚氨酯三种材料中,泡沫玻璃保温板的保温性能较差,若要达到0.15W/(m2·K)需要采用350mm厚,造价极其昂贵;挤塑聚苯板由于板缝不可避免,解决不了防水和断热的问题。最后选择了B1级的现场发泡聚氨酯材料,实现了防水保温一体化技术。发泡聚氨酯的厚度为230mm,屋面的传热系数达到了0.10 W/(m2·K)。


 

图6:屋面聚氨酯外保温施工现场                                          图7:出屋面屋面管井外保温施工现场



5.4外门窗材料选择:根据德国被动房标准的要求,外门窗的传热系数不大于0.8 W/(m2·K)。外门窗面积一般占据整个外围护结构20%的比例,其保温隔热性能以及气密性直接关系到被动房的节能效果。选择达到该指标的门窗产品,中空玻璃的传热系数至少要低于0.7 W/(m2·K),框材的传热系数至少要低于0.9 W/(m2·K)。国内常用的门窗产品中,型材以断热铝合金、塑钢和木质窗框为主,而玻璃配置常见为双层玻璃单中空构造,难以满足被动房要求。通过考察,最终选择了目前国内唯一获得被动房“Passive 120”认证的一款铝包木型材三层双中空玻璃产品,整窗传热系数达到了0.75 W/(m2·K)。


图8:铝包木型材LOW-三玻窗                                       图9:常规项目外保温中锚固件热成像图



6节点无热桥设计

6.1外保温无热桥结构:锚固件在保温体系中起到了固定支撑的作用,但是锚固件本身却是保温系统的“热桥”,外饰面的雨水也有可能通过锚钉深入墙体内部。在常规的建筑中,通过热成像仪拍摄到的现有建筑中照片中,可以清晰的看到锚固件热桥。为了避免锚固件成为热桥,专门选用特别采取了特殊“断桥”设计锚固件,即在保温板粘贴完毕后,在板面挖出圆形的槽正好将锚固件和托盘安装进去,再用圆形保温板塞入槽内,实现了锚固件的“断桥”处理。 



图10:断热锚栓安装效果图


6.2窗洞口无热桥结构:在常规项目中,门窗与墙体的安装都是通过钢附框或者金属角铁安装,窗框与墙体之间必然存在缝隙。尽管现场的工人都采用了打发泡剂的方式封堵这道间隙来断热处理,但是,时间久了,发泡和密封材料都会有不同层度的老化现象,不仅产生冷热桥,更导致渗水。为了保证被动房的窗洞口部位具有更好的保温,外门窗的安装节点采用了特殊的设计手法,窗框的安装不再是置于墙体中心线部位,而是相当于“贴”在外墙墙体上,窗框尺寸大于窗洞口尺寸10~20,窗框置于保温层之下,彻底杜绝了窗洞口部位的热桥。


6.3女儿墙无热桥结构:女儿墙部位的保温,采用了保温材料进行了全面的包裹处理,同样阻断了热桥。女儿墙压顶部位采用了铝合金盖板保护了保温层,避免保温系统收到外界环境的破坏。


6.4架空层楼板板的无热桥结构:项目一层设计有架空车库(不在被动房区域内),因此该部位需要做保温处理,保温做法同外墙面保温,所有梁 板 柱都进行保温处理,已达到无热桥的目的。


6.5阳台、遮阳无热桥结构:对于外保温体系而言,挑阳台和雨蓬都很容易产生冷热桥。欧美有专业厂家生产特殊的断热桥构件,可以让保温层穿过挑梁挑板,从而解决该问题。但目前国内结构规范尚不支持这种做法,必须另辟蹊径。经过与被动房研究所的多轮协商,布鲁克项目采用外墙预留混凝土牛腿,以牛腿为连接点外挂C型钢,遮阳蓬、阳台、陶棒等都固定在C型钢上,避免与结构直接连接,从而大大减少热桥的产生。


7 外围护结构气密性设计

7.1外门窗安装气密性设计:铝包木门窗框、外保温系统以及基层墙体之间的密封处理,采用了专用的膨胀止水密封带、成品密封胶带等,有效的保证了密封效果,防止空气渗透以及外部雨水渗入。外窗不是安装在窗洞中间,而是外挂在窗洞口外,预留窗洞口尺寸小于窗框尺寸1~2cm,窗框与墙体连接部位安装膨胀密封胶条,用于调平及密封。窗框室内侧与墙体采用防水不透气胶带封堵,胶带应包裹住整个定位框,起到气密的作用。窗框室外侧与墙体采用防水透气胶带封堵,起到水密作用。



图11-1外窗安装现场照                                        图11-2外窗安装现场照



7.2外墙体气密性节点设计: 布鲁克被动房因为申请德国DGNB绿建认证的要求,外墙需要做隔声处理,经过计算,选择容重高达2100kg/m³的重质混凝土砖,外墙砌筑时为满足气密性要求,除了要严格控制砌体横缝竖缝灰浆密实饱满外,考虑到在填充墙体与结构梁柱间可能出现缝隙,特别是填充墙顶部与梁交接处很难砌筑密实,还在在砌块与梁柱之间采用气密性胶带封堵。


7.3 出屋(墙)面管道气密性节点设计:对于被动房而言,任何出屋面、出外墙的管道都必须重点处理,一方面不能产生冷热桥,一方面要保证气密性。管道出墙/出屋面时必须预留套管,套管与管道之间采用聚氨酯发泡进行填充,同时在内墙侧还应采用防水不透气胶带进行封堵,以保证保证气密性。尤其需要注意的是,对于出屋面的风管道/烟道,管道自身也应采用聚苯板或橡塑保温进行处理,达到无热桥的目的。


8 外遮阳设计

为控制夏季的辐射得热,根据长兴当地的太阳高度角(夏季最大太阳辐射高度角为82°,冬季太阳高度角为35°)结合立面需要来进行外遮阳设计,南向窗采用C型轻钢铝板材质的外遮阳构件,有效减少夏季太阳辐射热进入室内,降低空调制冷负荷,达到降低能耗目的。同时,布鲁克项目外立面采用外挂陶棒设计,一方面增加建筑整体的美观性,更重要的是在实墙面采用竖向陶棒百叶,也起到了遮阳效果,减少外墙的太阳辐射,降低外墙辐射得热,达到隔热保温目的。


9 暖通设计

布鲁克被动房暖通专业主要是在被动节能的基础之上采用合理的主动节能措施,采用带热回收的新风系统加变频风冷热泵系统,使被动房建筑能耗小于被动房的能耗标准。运用的节能技术有:全置换新风热回收装置、变频风冷热泵技术。


10 可再生能源的利用

布鲁克项目采用太阳能和热泵机组结合的方式供应热水:屋顶设真空管太阳能集热板和一台空气源热泵热水机组提供热量,热水系统优先利用太阳能提供热水,当太阳能不能满足用水要求,热泵机组启动,提供热水。这样的设计方式充分利用了可再生的能源,大大降低对一次能源的消耗,满足被动房对综合能耗的评价要求。


11 绿建认证其它技术

布鲁克被动房除了申报被动房认证以外,还同时申报德国DGNB金级认证,美国LEED金级认证和中国绿建三星认证。设计主要从以下几个方面进行考虑:

(1) 采用对环境影响最小的EPS、粉煤灰混凝土、轻钢龙骨石膏板墙作为被动房的使用材料。

(2) 采用混凝土空心楼面技术,为达到“节材”的目的。采用这种结构能够节省楼板处的混凝土4.86%。

(3) 采用雨水回收技术:屋顶雨水经雨水立管排放至地面下雨水回收站,经处理达标后,回用冲洗厕所,大大有效节约水资源。


12 设计总结

由于对被动房认识有限,对无热桥构造和气密性构造设计经验不足,保温节点的表达得不充分,部分节点的无热桥设计不到位,外围护结构气密构造没有绘制很清楚,没有在设计说明中针对被动房的特点提出施工的具体技术要求,好在在项目实施过程中,设计方、建设方、施工方和监理方等能够反复沟通、多方协调,最终达成设计目标。另外,在外遮阳设计及可再生能源的利用方面,还有优化提升的空间。譬如:固定遮阳不利于冬季辐射得热,采用卷帘遮阳是否更合适?是否可以将外挂陶棍换成太阳能光伏板更有利于节能?暖通专业能源端的选择上是否可采用更为节能的可再生能源(如地源热泵等)?这些都是对进一步降低被动房能耗、提高舒适性方面有利的地方,都是在后续设计中值得探讨和改进的地方。