徐 靜,張 肖,秦桂明,王 麗,李孟庭

(1.煙臺市建筑設(shè)計研究股份有限公司,山東 煙臺 264000; 2.煙臺大學(xué)建筑學(xué)院,山東 煙臺 264005)

建筑業(yè)是我國最大的能源終端用戶,全國建筑全過程碳排放總量占全國的比重超半數(shù),其能源消耗占全社會的20%左右[1]。實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的“雙碳”目標,建筑行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型勢在必行。2022年,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中強調(diào)要展開超低能耗建筑建設(shè)示范并明確具體指標:要求到2025年完成建設(shè)超低能耗、近零能耗建筑5000萬平方米以上[2]。據(jù)研究統(tǒng)計,在寒冷A區(qū)建筑的全年能耗中,供暖制冷能耗通常占40%以上,圍護結(jié)構(gòu)傳熱的熱損失占建筑熱損失的70%～80%[3-4]。而國家規(guī)定:寒冷A區(qū)的節(jié)能應(yīng)該滿足冬季保溫要求并以圍護結(jié)構(gòu)保溫性能提升為主[5]、優(yōu)先考慮優(yōu)化外圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力并降低建筑用能需求[6]。由此可見,熱工性能良好的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計是寒冷A區(qū)超低能耗建筑節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵。

基于以上背景,本研究在寒冷A區(qū)超低能耗建筑項目實踐、《煙臺市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則》及《煙臺市超低能耗建筑后評估導(dǎo)則》(煙建節(jié)科[2022]12號)編制的基礎(chǔ)上,針對寒冷A區(qū)氣候條件下普通節(jié)能建筑的典型通用節(jié)點設(shè)計與超低能耗建筑節(jié)點設(shè)計的不適配問題,以煙臺飛龍集團有限公司創(chuàng)新研發(fā)中心項目(以下簡稱研發(fā)中心)為例,探討寒冷A區(qū)超低能耗建筑圍護結(jié)構(gòu)熱橋部位的節(jié)能設(shè)計,提出適合寒冷A區(qū)超低能耗建筑發(fā)展的節(jié)點優(yōu)化策略。

1 研發(fā)中心圍護結(jié)構(gòu)熱橋部位的節(jié)能設(shè)計實踐

1.1 項目概況

依據(jù)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》[6]、《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標準》[7],煙臺市在節(jié)能設(shè)計中屬寒冷A區(qū)。作為北方地區(qū)冬季清潔取暖試點城市,煙臺市大力推廣建設(shè)超低能耗建筑。研發(fā)中心則是首批通過超低能耗建筑評審的首個公共建筑,在寒冷A區(qū)超低能耗建筑項目示范推進中極具代表性。研發(fā)中心(圖1)位于山東省煙臺萊山區(qū)飛龍路1號,總建筑面積16 605.89 m2,其中:地上五層,主要功能為科研辦公、培訓(xùn)會議、行政管理,建筑面積10 860.29 m2;地下一層,主要功能為車庫、設(shè)備用房,建筑面積5 745.60 m2。建筑高度23.95 m,為多層公共建筑。

圖1 創(chuàng)新研發(fā)中心效果圖

1.2 節(jié)能設(shè)計指標

根據(jù)徐偉等[8]對美國現(xiàn)行節(jié)能標準ASHREA90.1—2016的研究,我國寒冷A區(qū)和美國氣候相似地區(qū)公共建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)如表1所示。比較后可發(fā)現(xiàn):我國寒冷A區(qū)公共建筑的外墻傳熱系數(shù)稍優(yōu),外窗傳熱系數(shù)與美國氣候相似地區(qū)的指標基本持平,而屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)則稍差。綜合而言,我國現(xiàn)行寒冷A區(qū)節(jié)能標準是科學(xué)可行且具有國際參考價值的。因此,按照我國《近零能耗建筑技術(shù)標準》[9],建筑綜合節(jié)能率≥50%、本體節(jié)能率≥25%、能耗綜合值與參考值相近,基本上即可表明其達到國際上認可的超低能耗公共建筑能耗指標要求[10]。

表1 我國寒冷A區(qū)和美國氣候相似地區(qū)的公共建筑外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對比

依據(jù)設(shè)計圖紙并結(jié)合節(jié)能計算報告書,通過節(jié)能計算發(fā)現(xiàn)研發(fā)中心建筑體形系數(shù)為0.24(≤0.30),符合緊湊型設(shè)計原則。利用Design Builder軟件建立研發(fā)中心的能耗分析模型,按設(shè)計建筑實際朝向為0°,依次旋轉(zhuǎn) 90°、180°、270°建立基準建筑模型,設(shè)計建筑與基準建筑全年供暖、供冷、照明、生活熱水、電梯的各類分項能源消耗和建筑能耗綜合值詳見表2,通過表2數(shù)據(jù)測算得出:建筑綜合節(jié)能率ηp=|ED-ER|×100%/ER=59.04%(≥50%)、本體節(jié)能率ηe=|EE-ER|×100%/ER=55.19%(≥25%),達到規(guī)范要求的超低能耗公共建筑能耗指標。其中,ED和ER分別為設(shè)計建筑和基準建筑的建筑能耗綜合值,EE為設(shè)計建筑不含可再生能源發(fā)電的建筑能耗綜合值。

表2 創(chuàng)新研發(fā)中心能效指標

1.3 圍護結(jié)構(gòu)主要熱橋節(jié)點的優(yōu)化方案

文獻[11-12]顯示,考慮熱橋傳熱的綜合外圍護墻體傳熱系數(shù)將是主墻體傳熱系數(shù)的1.2～1.8倍,通過外圍護結(jié)構(gòu)熱橋損失的能耗可達到總能耗的20%以上。圍護結(jié)構(gòu)保溫性能對于寒冷A區(qū)超低能耗建筑的綜合能耗影響巨大。實踐[13-14]也表明熱橋部位會引起建筑外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面局部低溫并引發(fā)結(jié)露霉變,降低室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。更有研究[11]顯示,無保溫建筑中的熱橋能耗損失占建筑總能耗的5%～7%,普通節(jié)能建筑中其占比升至20%。因此,超低能耗建筑(較普通建筑更節(jié)能)熱橋部位是圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計的重中之重。80%以上的常規(guī)熱橋發(fā)生在不同外圍護結(jié)構(gòu)的交界處、門窗洞口等部位,通過創(chuàng)新研發(fā)中心的案例推進,針對造型及女兒墻熱橋節(jié)點、門窗洞口熱橋節(jié)點分別進行了專項節(jié)點設(shè)計,基于熱橋計算軟件flixo、三維能耗模擬軟件Design Builder,進行多方案對比研究,直觀地模擬檢查方案中熱橋節(jié)點部位設(shè)計效果。

1.3.1 造型及女兒墻熱橋節(jié)點 建筑被動區(qū)體形系數(shù)越小,保溫越有利,圍護結(jié)構(gòu)不可避免的凹凸變化會帶來體形系數(shù)增大。為了維持超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)的完整性,可以減少插入外墻結(jié)構(gòu)的連接件數(shù)量或在連接部位增設(shè)加隔熱墊塊的方式降低系統(tǒng)性熱橋;或?qū)姨舻臉?gòu)件與主體結(jié)構(gòu)分離,斷開線熱橋以消除結(jié)構(gòu)性熱橋。前者是普通節(jié)能建筑的常用方法,雖可減低傳熱系數(shù),但并不能改變建筑被動區(qū)的體形系數(shù);后者是超低能耗建筑中節(jié)能設(shè)計的常用方法,此方法將不規(guī)則形體分割為近似規(guī)則的體塊,研發(fā)中心在設(shè)計初期即通過設(shè)置變形縫來有效降低建筑被動區(qū)的體形系數(shù)(圖2),以便于后期圍護結(jié)構(gòu)主要節(jié)點部位的熱工性能調(diào)整。

圖2 變形縫斷熱橋

在控制體形系數(shù)的基礎(chǔ)上,研發(fā)中心女兒墻構(gòu)造節(jié)點推演模擬三種節(jié)能優(yōu)化的可行性方案(圖3)。具體方案為:外側(cè)100 mm厚XPS保溫,墻頂及墻內(nèi)側(cè)不設(shè)保溫(方案a);外側(cè)240 mm厚XPS保溫,墻頂及內(nèi)側(cè)全包100 mm厚XPS保溫(方案b);外側(cè)240 mm厚XPS保溫,延伸至墻頂,墻頂及內(nèi)側(cè)全包100 mm厚XPS保溫,屋面保溫穿透墻體(方案c)。三種女兒墻熱橋的保溫節(jié)能優(yōu)化方案的熱橋模擬結(jié)果(計算軟件flixo)與成本費用見表3,與常規(guī)厚度保溫方案(方案a)相比,加厚保溫全包方案(方案b)和穿透方案(方案c)可分別降低53%和76%的熱橋值,但方案c施工工序復(fù)雜,成本也將增高160%,在保證建筑效果的前提下,最終選取了較為經(jīng)濟合理的加厚保溫全包方案(方案b),提高了熱橋部位節(jié)能設(shè)計的經(jīng)濟性,同時又能有效控制增量成本。

表3 女兒墻熱橋值(計算軟件flixo)與成本費用

圖3 女兒墻熱橋的保溫節(jié)能優(yōu)化方案

由于該方案的最大特色在于有意突出外形挑檐(圖1),因此在熱橋部位的節(jié)能設(shè)計中,須考慮人視角度下挑檐外形的舒展效果。在不考慮節(jié)能的施工圖設(shè)計中,此類外形轉(zhuǎn)折通常采用平挑樓板下掛吊頂找平的方法(圖4方案a),其特點是:保溫轉(zhuǎn)折較多,熱橋值為0.218 W/(m2·K),且吊頂交接處易開裂;優(yōu)化后的普通節(jié)能建筑的通常方法為結(jié)構(gòu)降板,板底平梁底且頂部回填找平(圖4方案b),由于保溫構(gòu)造厚度幾乎不變,僅增加了找平層熱阻,其特點是:綜合熱橋值為0.215 W/(m2·K),且結(jié)構(gòu)荷載較大、鋼筋量增加;最終的優(yōu)化方案中,節(jié)點采用板底平梁底、保溫填平的方案(圖4方案c),將熱橋部位的設(shè)計簡化,減少保溫材料的厚度變化,其綜合熱橋值提升至0.201 W/(m2·K),有效地降低了熱橋部位的傳熱系數(shù),提升了保溫效率。

圖4 挑檐造型熱橋保溫構(gòu)造推演

1.3.2 門窗洞口熱橋節(jié)點 氣密性成為門窗洞口熱橋部位設(shè)計的關(guān)鍵因素之一。在設(shè)計研發(fā)中心的正負零穿樓板處的風(fēng)管洞口節(jié)點時,最初是依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范將管井土建砌筑、內(nèi)襯風(fēng)管(圖5方案a),在風(fēng)管與洞口封邊梁的交界處無任何密閉處理,其氣密性指標(即換氣系數(shù)N50)可高達20.0 h-1以上。而超低能耗建筑的常規(guī)方法是將風(fēng)管的外側(cè)增加保溫,由于保溫與土建間并不能完全密封,通常將機房整體劃至被動區(qū),采取增設(shè)被動門以及機房外圍整體增加保溫的方法以保證節(jié)點氣密性 (圖5方案b,N50≤1.0 h-1)。在實際的工程中,對方案b進行了優(yōu)化,在管道、橡膠保溫與洞口封邊梁間增加防水隔汽膜(圖5方案c),其氣密性可達到N50≤0.6 h-1(達到超低能耗居住建筑氣密性要求)。

圖5 門窗洞口熱橋構(gòu)造推導(dǎo)

在保證洞口氣密性的基礎(chǔ)上,大量文獻[15-16]表明外窗熱損失占建筑外圍護結(jié)構(gòu)整體熱損失的40%～50%。在外窗節(jié)點推敲中,區(qū)別于普通保溫建筑常見的居中安裝外噴保溫漿料(圖6方案a)、超低能耗建筑常見的外掛式被動窗(圖6方案c),研發(fā)中心采用內(nèi)嵌玻纖增強聚氨酯附框的節(jié)點處理方式(圖6方案b)進行窗口斷熱橋,三種方案的熱橋模擬結(jié)果及成本費用見表4。經(jīng)過對煙臺市整體施工隊伍的調(diào)研,方案c的施工返工率高,給氣密性檢測與后期維護帶來極大困難,故考慮到當(dāng)?shù)厥┕ぜ夹g(shù)水平與安裝費用,選取方案b作為最終的窗口節(jié)點方案,確保斷熱橋處理效果的長期穩(wěn)定。

表4 窗口熱橋值(計算軟件flixo)與成本費用

圖6 窗口部位斷熱橋保溫構(gòu)造示意

2 寒冷A區(qū)超低能耗建筑圍護結(jié)構(gòu)熱橋部位的節(jié)能設(shè)計策略

外圍護結(jié)構(gòu)熱橋部位據(jù)其產(chǎn)生原因可分為結(jié)構(gòu)性熱橋和系統(tǒng)性熱橋[17-18]。結(jié)構(gòu)性熱橋是由于外圍護結(jié)構(gòu)造成保溫層減薄或不連續(xù)所形成的熱橋,此類熱橋須盡量通過無熱橋設(shè)計來消除熱橋;系統(tǒng)性熱橋則由聯(lián)結(jié)保溫材料與外圍護結(jié)構(gòu)的錨栓或連接件等所形成,此種熱橋是由保溫系統(tǒng)引發(fā),不可避免地須進行斷熱橋處理以削弱熱橋。在寒冷A區(qū)超低能耗建筑項目實踐和《煙臺市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則》編制的基礎(chǔ)上,通過上述主要節(jié)點的優(yōu)化推敲設(shè)計,我們嘗試提出寒冷A區(qū)超低能耗建筑圍護結(jié)構(gòu)熱橋部位的節(jié)能優(yōu)化策略。

2.1 進行斷熱橋處理,減少熱傳遞與體形系數(shù)

針對同一建筑,不同的被動區(qū)劃分形式將導(dǎo)致不同的熱橋處理方式及體形系數(shù),如“1.3.1”小節(jié)中,適當(dāng)?shù)卦O(shè)置變形縫斷熱橋,將有效地優(yōu)化降低超低能耗建筑的熱傳遞與體形系數(shù)。

2.2 提升保溫效率,降低傳熱系數(shù)

超低能耗建筑較普通節(jié)能建筑而言,熱橋部位能耗損失更為明顯,如“1.3.1”小節(jié)中的女兒墻及挑檐處理既可避免保溫材料外形變化、削弱土建結(jié)構(gòu)外形轉(zhuǎn)折,又可減少結(jié)構(gòu)性熱橋并提升保溫效率。

2.3 保證整體氣密性,優(yōu)化密封性能

氣密性是保證超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能穩(wěn)定的重要控制性指標,在風(fēng)壓、熱壓作用下,氣密性能與空氣滲透率相關(guān),如“1.3.2”小節(jié)中的門窗洞口處節(jié)點,氣密性能等級越高,由空氣滲透導(dǎo)致的熱損失越小。

2.4 考慮當(dāng)?shù)丶夹g(shù)水平,落實施工可行性

不同地區(qū)的施工人員的技術(shù)水平參差不齊,超低能耗建筑要求樣板先行亦有此考量。需要考慮施工技術(shù)水平,保證當(dāng)?shù)厥┕ぜ夹g(shù)可以實現(xiàn)節(jié)點設(shè)計,確保節(jié)點的施工可行性?！?.3.2”小節(jié)中的門窗若施工不到位,填堵措施處理不當(dāng),將直接在平整部位產(chǎn)生大量非設(shè)計因素的結(jié)構(gòu)性熱橋,嚴重影響超低能耗建筑的氣密性和保溫性能。

2.5 多方案對比,綜合考慮經(jīng)濟性

在熱橋部位的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計過程中,如“1.3.1”小節(jié)中的女兒墻和“1.3.2”小節(jié)中的門窗節(jié)點,增加保溫厚度和修改節(jié)點構(gòu)造等均可達到相似的節(jié)能效果。應(yīng)選取經(jīng)濟合理的方案,在不明顯降低節(jié)能水平的情況下對比優(yōu)化構(gòu)造、降低節(jié)點成本。

綜上所述,煙臺飛龍集團有限公司創(chuàng)新研發(fā)中心在適應(yīng)煙臺地區(qū)氣候特征和基地周邊場地條件的基礎(chǔ)上,通過被動式超低能耗建筑設(shè)計最大幅度地降低了建筑能耗損失,是極具代表性的寒冷A區(qū)超低能耗公共建筑項目。熱橋部位是外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的薄弱環(huán)節(jié),通過對案例的施工圖設(shè)計以及后期調(diào)研、相關(guān)理論研究,總結(jié)歸納出超低能耗公共建筑的外圍護結(jié)構(gòu)熱橋部位節(jié)能設(shè)計應(yīng)當(dāng)針對超低能耗關(guān)鍵技術(shù)進行合理優(yōu)化設(shè)計:提升保溫效率、進行斷熱橋處理、完善氣密性、考慮施工可行性及綜合經(jīng)濟性。