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被動式超低能耗裝配式建筑設(shè)計初探

——以海淀永豐產(chǎn)業(yè)園項目為例

中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司

唐麗 王越 張建斌

1 被動式超低能耗技術(shù)與裝配式建筑結(jié)合的難點

1.1 構(gòu)件縫隙的處理

裝配式建筑以工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼接為宗旨，以求實現(xiàn)高效、精確的批量化建造模式。這種預(yù)制—組裝的建構(gòu)方式，決定了建筑構(gòu)件間的縫隙不可避免，對房屋氣密性存在不利影響。被動房力求以最大限度利用自然得熱，減少因保溫或氣密性不足造成的冷熱損失，實現(xiàn)低能耗投入。因此，被動房力求提高圍護(hù)系統(tǒng)的氣密性，做到“全方位包裹”，二者之間存在矛盾。預(yù)制構(gòu)件間的縫隙處理，成為裝配式被動建筑設(shè)計的難點之一。

1.2 保溫與裝飾結(jié)合

裝配式建筑提倡采用由內(nèi)葉板、夾心保溫、外葉板組成的預(yù)制夾芯板，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾一體化。特別是本項目所在的北京地區(qū)，結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾一體化外墻板受到大力推行。夾芯墻板將裝飾外葉板以拉結(jié)件固定于內(nèi)葉板上，拉結(jié)件多為強(qiáng)度較大的金屬材質(zhì)，傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于保溫材料，易形成冷橋。而寒冷地區(qū)的被動房保溫層厚度相對普通建筑更大，可達(dá)200mm以上，大大增加了對拉結(jié)件的強(qiáng)度要求。更粗或更密的拉結(jié)件加重了冷橋的形成，使得結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾一體化的外圍護(hù)體系難以在被動式建筑中推廣。

2 海淀永豐產(chǎn)業(yè)園項目基本情況

2.1 項目概況

海淀永豐產(chǎn)業(yè)園項目位于北京市海淀區(qū)北五環(huán)外的永豐產(chǎn)業(yè)基地，屬自持式居住項目。地上部分裝配式建筑比例為100%，預(yù)制率不低于65%，全裝修比例為100%。其中，被動房位于西地塊南側(cè)的0062地塊內(nèi)，由西側(cè)的A2#、西北側(cè)的A5#、東北側(cè)的A4#組成（圖1，2）。三棟均為6層居住建筑，總建筑面積約占西地塊總住宅建筑面積的10%。除A4#、A5#底層的商業(yè)、配套功能外，其余地上部分均按被動式超低能耗建筑要求進(jìn)行設(shè)計。

2.2 技術(shù)難點

本項目中，針對以上三棟裝配式被動居住建筑進(jìn)行施工圖設(shè)計，主要難點包括：

（1）裝配式技術(shù)與被動式超低能耗技術(shù)本身均具有較高的設(shè)計難度，將兩者結(jié)合并應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)的居住建筑，使此項目更具挑戰(zhàn)性。

（2）三棟建筑同時涵蓋南北向與東西向，需在設(shè)計階段研究不同朝向?qū)Ρ粍臃吭O(shè)計的影響，并通過對運營節(jié)點的實時監(jiān)控，盡可能全面地搜集各單體的各項參數(shù)指標(biāo)。

（3）為提高住宅品質(zhì)與舒適度，本項目采用了飄窗；立面與屋頂?shù)脑煨?、線腳豐富，不可簡單套用被動房的常用設(shè)計手法，因此立面效果的實現(xiàn)成為施工圖設(shè)計的難點（圖3）。

圖1 被動房與庭院

圖2 海淀永豐產(chǎn)業(yè)園項目被動房位置示意

圖3 豐富的立面效果

3 海淀永豐產(chǎn)業(yè)園項目的被動式技術(shù)應(yīng)用

被動式超低能耗建筑設(shè)計中強(qiáng)調(diào)“五指原則”，即：良好的保溫系統(tǒng)、完整的氣密性、無冷熱橋設(shè)計、被動式門窗系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)。針對以上設(shè)計原則，本項目具體應(yīng)對方案如下。

3.1 良好的保溫系統(tǒng)

被動房需要最大限度減少建筑的冷熱損失，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度與室內(nèi)溫差不超過3℃，采暖能耗需求不超過15kW·h/m年。良好的保溫系統(tǒng)可以顯著減少建筑換熱，控制房屋的供熱制冷能耗，使室內(nèi)溫度均勻，減少冷熱輻射，提高住宅舒適度，避免冬季結(jié)露。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖集《被動式低能耗建筑—嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑》（16J908-8），寒冷地區(qū)被動房為保障能耗與舒適性要求，需滿足外墻、屋頂傳熱系數(shù)≤0.15W/（m·K）；地面及地下室外墻傳熱系數(shù)≤0.18W/（m·K）；外門窗傳熱系數(shù)≤1.00W/（m·K）。

3.1.1 外墻

（1）外墻形式

在外墻保溫材料的選擇上，本項目考慮了硬質(zhì)聚氨酯、擠塑聚苯板、石墨聚苯板以及新型材料——真空絕熱板。除真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到0.01W/（m·K）以下外，其余幾種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.03W/（m·K）左右。

本項目中，同時含有南北朝向與東西朝向的樓棟，經(jīng)過初步節(jié)能計算，真空絕熱板厚度可控制在100mm以下，其余三種材料所需保溫厚度在200～300mm之間，遠(yuǎn)大于普通居住建筑的外墻保溫厚度。若采用夾心保溫板，傳統(tǒng)保溫材料厚度大，外葉板與內(nèi)葉板相距較遠(yuǎn)，對拉結(jié)件的強(qiáng)度要求顯著提升，需要更多高強(qiáng)度的拉結(jié)件進(jìn)行固定，加劇冷橋形成。若采用厚度較薄的真空絕熱板，拉結(jié)件可能刺破保溫層，使其絕熱能力大幅下降。因此，本項目最終選擇了預(yù)制單板外墻加外保溫的技術(shù)體系。

（2）保溫材料

由于硬質(zhì)聚氨酯抵抗變形能力較弱，在對比過市面上幾種擠塑聚苯板后，傳熱系數(shù)低于石墨聚苯板的種類較少。綜合考慮成本與施工、維護(hù)難度，本項目決定選用石墨聚苯板（表1）。

經(jīng)過節(jié)能計算，三棟樓保溫厚度分別為：A2#樓280mm（東西向）、A4#樓220mm（南北向部分）與260mm（東西向部分）、A5#樓220mm（南北向）。施工時，采用雙層錯縫式排布避免通縫，減少保溫層的弱點。

由于本項目位于寒冷地區(qū)，冬季采暖壓力較大，被動房對于采暖能耗的限制提高了對外墻保溫的要求。若項目位于其他地區(qū)，保溫厚度適宜時，仍可采用夾心保溫板，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾一體化，對此本文暫不多做探討。

表1 保溫材料性質(zhì)對比

（3）外墻節(jié)點

被動房外墻保溫厚度較大，須確保固定方式的可靠性。本項目立面裝飾材料主要采用真石漆，小型裝飾線腳以粘貼小型保溫塊的形式實現(xiàn)，突出墻面的“壁柱”造型以陶板或石材幕墻的形式實現(xiàn)。飄窗間以陶板格柵“填平”，幕墻與窗臺交界處統(tǒng)籌處理，確保整個立面風(fēng)格的統(tǒng)一。

3.1.2 屋頂

本項目同時涵蓋了坡屋面與平屋面。經(jīng)節(jié)能計算，三棟樓屋面保溫厚度需做到300mm。

（1）坡屋面

坡屋面采用金屬屋面，依靠自然坡度將雨水排向屋面邊緣的天溝內(nèi)。天溝處出現(xiàn)保溫厚度局部不足300mm的情況，但是由于坡屋面下方設(shè)有悶頂，可以起到一定保溫作用，因此天溝保證保溫最薄處厚度不少于100mm，尚可相互權(quán)衡。飄窗上方局部進(jìn)行挑檐，用以固定天溝和金屬屋面龍骨。挑檐板上下全部以保溫材料填充，起到阻斷冷橋的作用。

（2）平屋面

平屋面兩側(cè)高起的山墻，為保證保溫效果與立面平整，以立面保溫厚度進(jìn)行包裹。對于高度較矮、不便以相同厚度包裹的女兒墻，控制最薄弱處保溫厚度不低于100mm。女兒墻高度需結(jié)合立面效果與構(gòu)造需求確定，既要滿足防水收頭的高度要求，又要保證包裹100mm厚的保溫材料后不影響立面整體效果。

3.2 完整的氣密性

被動房要求氣密性通過風(fēng)門試驗，滿足N50≤0.6/h，即50Pa氣壓差下，每小時換氣不超過0.6次。氣密性不足不僅會增加冷熱負(fù)荷，還會產(chǎn)生結(jié)露風(fēng)險，嚴(yán)重影響保溫層作用。

保證氣密性的普通做法，是以完整的抹灰層覆蓋房屋內(nèi)部。裝配式建筑存在大量板縫，均為建筑氣密性薄弱的部位，需增加氣密性膠帶密封。例如疊合樓板的現(xiàn)澆層與上層外墻板之間連接處，雖以砂漿封堵，但仍存在氣密性隱患。本項目中，在內(nèi)側(cè)墻角處粘貼氣密性膠帶，再做抹灰等內(nèi)裝飾面層做法，可有效增強(qiáng)外墻的整體氣密性（圖4）。

對于屋頂部分，需在保溫層內(nèi)側(cè)設(shè)置連續(xù)氣密層，防止冷凝。門窗及管道等洞口四周的縫隙，需在外側(cè)粘貼防水透氣膜，內(nèi)側(cè)粘貼防水隔汽膜，消除洞口附近的冷凝隱患（圖5）。設(shè)備安裝時，應(yīng)注意避免破壞抹灰層。

3.3 無冷熱橋設(shè)計

本項目中，可能出現(xiàn)冷熱橋的部位主要有以下幾類。

3.3.1 與非被動房部分交界處

本項目采取外保溫系統(tǒng)，以外圈保溫包圍整棟房屋，層間樓板未采取特殊保溫措施。因此，只需處理好與非被動房部分之間的樓板或地坪即可。

三棟建筑中，A2#從地上1層起為被動房，A4#、A5#從地上二層起為被動房。其中，A2#以150mm厚巖棉滿鋪地下室頂板下表面，并沿地下室外墻內(nèi)側(cè)，從頂部向下延伸1m高。地坪處的外墻保溫層，以被動房外墻保溫厚度，向地下延伸1m后，再轉(zhuǎn)為普通地下室外墻做法。A4#、A5#在一層樓板下方滿鋪100mm厚巖棉保溫，保證被動房區(qū)域保溫系統(tǒng)的完整性。

3.3.2 懸挑結(jié)構(gòu)

本項目無室外陽臺，懸挑結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在飄窗、屋頂挑檐和空調(diào)板處。

（1）飄窗

飄窗頂板、底板的保溫材料厚度會影響上下層飄窗間的空間高度，進(jìn)而影響建筑立面效果。在綜合權(quán)衡保溫效果與建筑形象后，本項目將飄窗頂板、底板處的保溫厚度定為200mm。

（2）屋頂挑檐

飄窗上方與支撐天溝的懸挑板之間以保溫材料填充，并完整包裹懸挑板與女兒墻，形成連續(xù)的保溫系統(tǒng)。屋頂幕墻系統(tǒng)龍骨間同樣以保溫填充，保證懸挑板周圍、女兒墻兩側(cè)及壓頂處保溫不小于100mm，確保屋頂保溫系統(tǒng)中無冷熱橋問題（圖6）。

（3）空調(diào)板

裝配式被動房多采用輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)空調(diào)板，以懸挑形式固定，減少冷熱橋風(fēng)險。本項目部分采用輕鋼結(jié)構(gòu)空調(diào)板，部分因立面造型原因采用了150mm厚鋼筋混凝土懸挑板。混凝土空調(diào)板上下各包100mm厚保溫層，整體固定于120mm厚的疊合樓板上，板頂標(biāo)高與樓板板頂相同，利用保溫材料完成立面的裝飾。

由于本項目部分首層空調(diào)板位于室外地坪標(biāo)高以下，上下均需保溫包裹，空調(diào)板上方考慮排水與造型需求，以保溫材料包裹至高于室外地坪的完成面高度，并在空調(diào)板下方以暗散水形式與場地交接。

3.4 被動式門窗系統(tǒng)

3.4.1 被動式門窗

《被動式低能耗建筑—嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑》（16J908-8）中要求，寒冷地區(qū)被動房外窗傳熱系數(shù)≤1.00W/（m·K）。

目前現(xiàn)有被動房項目中，普遍要求門窗傳熱系數(shù)不超過0.80W/（m·K），且安裝后不超過0.85W/（m·K）。綜合對比后，本項目選用三玻兩腔雙銀Low-E充惰性氣體暖邊塑鋼窗。

傳統(tǒng)門窗多安裝于洞口內(nèi)部，窗框同時接觸外部空氣與結(jié)構(gòu)墻，易形成冷熱橋。被動式門窗采取外掛形式安裝（圖5），控制了結(jié)構(gòu)體與外界空氣間的接觸，有效減少了熱量傳遞。

3.4.2 電動遮陽百葉

電動百葉為金屬材質(zhì)，傳熱系數(shù)較高。當(dāng)百葉位于保溫層內(nèi)側(cè)時，易同時與結(jié)構(gòu)體和外界空氣接觸形成冷橋。因此，本項目中將遮陽百葉盒向外移動至與外墻外表面相平（圖7），在窗框與百葉之間形成保溫斷橋?qū)?。有線腳的部位，以輕質(zhì)保溫材料粘貼于百葉外側(cè)，完成造型需求。保證同一立面內(nèi)，電動百葉位于同一平面，避免遮陽放下后產(chǎn)生立面深淺不一的雜亂感。

電動百葉上端通過保溫墊塊固定于結(jié)構(gòu)基層墻體上，飄窗部分采用下方固定，普通窗采用側(cè)邊固定。保溫墊塊下方對應(yīng)的預(yù)制外墻處預(yù)留電動百葉的電線槽，具體尺寸需避免對防火隔離帶造成影響。百葉側(cè)軌通過金屬窗框固定，固定構(gòu)件設(shè)置于金屬窗框后方，以點狀、間斷的形式固定，減少冷熱橋風(fēng)險（圖5）。

3.5 新風(fēng)系統(tǒng)

為滿足使用人群的新風(fēng)要求，本項目采用吊頂式新風(fēng)全熱交換器，熱回收效率達(dá)75%以上，降低了能源消耗，滿足被動房要求。被動房的室內(nèi)顆粒物主要來源于新風(fēng)，故新風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)安裝高效過濾器，對Pm.5的過濾效率大于90%時，可有效降低室內(nèi)顆粒物濃度，保證室內(nèi)Pm.5日平均值不超過35μg/m（空氣質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)），保障室內(nèi)人員呼吸健康。室外新風(fēng)通過全熱交換器過濾器后，與衛(wèi)生間的排風(fēng)進(jìn)行高效熱交換，從而將溫度適宜的新鮮空氣送入室內(nèi)各個房間內(nèi)，滿足人員新風(fēng)要求的同時，排除衛(wèi)生間異味。新風(fēng)全熱交換器設(shè)旁通管，過渡季節(jié)直接將室外新風(fēng)送入室內(nèi)，減少阻力損失，消除室內(nèi)冷負(fù)荷。

圖4 外墻板縫示意

圖5 門窗節(jié)點示意圖

圖6 屋頂挑檐處斷橋做法

圖7 外掛窗與電動遮陽百葉

來源：《建筑技藝》