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觀點分享丨被動式超低能耗裝配式建筑設計難點與解決思路

廣東裝配式建筑分會     2022-01-21     3221

被動式超低能耗裝配式建筑設計初探



——以海淀永豐產(chǎn)業(yè)園項目為例



中國建筑標準設計研究院有限公司



唐麗 王越 張建斌



1 被動式超低能耗技術與裝配式建筑結(jié)合的難點



1.1 構件縫隙的處理



裝配式建筑以工廠預制、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。這種預制—組裝的建構方式,決定了建筑構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系統(tǒng)的氣密性,做到“全方位包裹”,二者之間存在矛盾。預制構件間的縫隙處理,成為裝配式被動建筑設計的難點之一。



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、外葉板組成的預制夾芯板,實現(xiàn)結(jié)構、保溫、裝飾一體化。特別是本項目所在的北京地區(qū),結(jié)構、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)件多為強度較大的金屬材質(zhì),傳熱系數(shù)遠大于保溫材料,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200mm以上,大大增加了對拉結(jié)件的強度要求。更粗或更密的拉結(jié)件加重了冷橋的形成,使得結(jié)構、保溫、裝飾一體化的外圍護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行設計。



2.2 技術難點



本項目中,針對以上三棟裝配式被動居住建筑進行施工圖設計,主要難點包括:



(1)裝配式技術與被動式超低能耗技術本身均具有較高的設計難度,將兩者結(jié)合并應用于北方寒冷地區(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,需在設計階段研究不同朝向?qū)Ρ粍臃吭O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。



(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計手法,因此立面效果的實現(xiàn)成為施工圖設計的難點(圖3)。


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圖1 被動房與庭院


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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應用



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



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,控制圍護結(jié)構內(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)標準圖集《被動式低能耗建筑—嚴寒和寒冷地區(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。除真空絕熱板導熱系數(shù)可達到0.01W/(m·K)以下外,其余幾種保溫材料的導熱系數(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,對拉結(jié)件的強度要求顯著提升,需要更多高強度的拉結(jié)件進行固定,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制單板外墻加外保溫的技術體系。



(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、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


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(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,尚可相互權衡。飄窗上方局部進行挑檐,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荷,還會產(chǎn)生結(jié)露風險,嚴重影響保溫層作用。



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)。設備安裝時,應注意避免破壞抹灰層。



3.3 無冷熱橋設計



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



本項目無室外陽臺,懸挑結(jié)構主要出現(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,進而影響建筑立面效果。在綜合權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)構空調(diào)板,以懸挑形式固定,減少冷熱橋風險。本項目部分采用輕鋼結(jié)構空調(diào)板,部分因立面造型原因采用了150mm厚鋼筋混凝土懸挑板?;炷量照{(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。當百葉位于保溫層內(nèi)側(cè)時,易同時與結(jié)構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。保溫墊塊下方對應的預制外墻處預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,固定構件設置于金屬窗框后方,以點狀、間斷的形式固定,減少冷熱橋風險(圖5)。



3.5 新風系統(tǒng)



為滿足使用人群的新風要求,本項目采用吊頂式新風全熱交換器,熱回收效率達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,故新風系統(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)量一級標準),保障室內(nèi)人員呼吸健康。室外新風通過全熱交換器過濾器后,與衛(wèi)生間的排風進行高效熱交換,從而將溫度適宜的新鮮空氣送入室內(nèi)各個房間內(nèi),滿足人員新風要求的同時,排除衛(wèi)生間異味。新風全熱交換器設旁通管,過渡季節(jié)直接將室外新風送入室內(nèi),減少阻力損失,消除室內(nèi)冷負荷。


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圖4 外墻板縫示意


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圖5 門窗節(jié)點示意圖


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圖6 屋頂挑檐處斷橋做法


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圖7 外掛窗與電動遮陽百葉


來源:《建筑技藝》


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