被動(dòng)式超低能耗建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

郭紅斌 王亮亮 安俊慧 彭超 張金成

（中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京100024）

0 引言

被動(dòng)式建筑作為一種新型的節(jié)能建筑理念，近年來(lái)在我國(guó)逐漸被大眾所熟知。更早期，歐美國(guó)家就提出了“超低能耗建筑”或相近的一些概念。例如被動(dòng)房、低能耗、超低能耗、近零能耗、零能耗、甚至負(fù)能耗建筑等一系列概念不斷被提及[1]。在第五屆全國(guó)被動(dòng)式超低能耗建筑大會(huì)上，中國(guó)建筑科學(xué)研究院環(huán)能院徐偉院長(zhǎng)結(jié)合我國(guó)的節(jié)能發(fā)展路徑，提出了近零能耗建筑、超低能耗建筑、零能耗建筑的定義。從徐偉院長(zhǎng)提出的定義來(lái)看，超低能耗建筑其能耗水平應(yīng)較2016年國(guó)家建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)降低50%以上；近零能耗建筑其能耗水平較2016年國(guó)家建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)降低60%-75%以上；零能耗建筑充分利用建筑本身和周邊可再生能源，使得可再生能源年產(chǎn)能大于等于建筑全年用能。要實(shí)現(xiàn)如此低的能耗，甚至實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能房，必須要通過(guò)一系列技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 被動(dòng)式超低能耗建筑特征

被動(dòng)式超低能耗建筑的特征被稱為“五指原則”：高效保溫、卓越（良好保溫和高氣密性）的門窗、無(wú)熱橋設(shè)計(jì)、高氣密性、熱回收新風(fēng)系統(tǒng)；最新的PHI認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中將充分利用可再生能源也作為被動(dòng)式建筑的一大特征。我們都知道，被動(dòng)式超低能耗建筑的宗旨是通過(guò)極低的能耗實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的健康與舒適，而優(yōu)良的保溫結(jié)構(gòu)是被動(dòng)式超低能耗建筑降低能耗的核心。因此，本文將重點(diǎn)介紹有關(guān)被動(dòng)式超低能耗建筑外保溫技術(shù)的應(yīng)用。

2 被動(dòng)式超低能耗建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)要素

2.1 優(yōu)良的保溫材料

德國(guó)PHI對(duì)被動(dòng)房維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的指標(biāo)要求與我國(guó)現(xiàn)行節(jié)能建筑的指標(biāo)要求對(duì)比如表1所示，我國(guó)代表地區(qū)以北京為例。從表中可以看出被動(dòng)式超低能耗建筑要求屋面、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)U值要低于0.15W/（m2·K），北京市現(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要求中非透光部位傳熱系數(shù)為超低能耗建筑的3倍左右。因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫必須采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的保溫材料，才能實(shí)現(xiàn)如此優(yōu)良的保溫性能。

表1 動(dòng)式超低能耗建筑指標(biāo)與我國(guó)現(xiàn)行建筑節(jié)能指標(biāo)比較

目前被動(dòng)式超低能耗建筑常用的保溫材料有礦物纖維保溫材料、聚苯板、擠塑板、聚氨酯、泡沫玻璃、纖維素保溫材料、硅酸鈣板、真空絕熱板、氣凝膠等。常見材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。

表2 常見保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)

針對(duì)不同的氣候區(qū)以及不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，合理選擇保溫材料，才能使圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)的性能。

2.2 無(wú)熱橋設(shè)計(jì)

熱橋?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響包括兩方面：一方面會(huì)增加建筑的熱（冷）負(fù)荷；一方面會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面存在冷凝發(fā)霉的風(fēng)險(xiǎn)。PHI對(duì)被動(dòng)房熱橋的限值為：線熱橋ψ＜=0.01W/（m·K）。研究表明，保溫不連續(xù)導(dǎo)致的線熱橋經(jīng)過(guò)修正，損失可降低80%左右；穿墻管道等節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)熱橋經(jīng)過(guò)修正，損失可降低92%左右[2]。因此無(wú)熱橋設(shè)計(jì)對(duì)于被動(dòng)房是至關(guān)重要的。

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋粍?dòng)房施工手段是最終實(shí)現(xiàn)無(wú)熱橋的核心。施工過(guò)程中必須盡可能的保證保溫連續(xù)不間斷；另外，盡可能避免保溫層被穿透。

2.3 高氣密性

滲透熱損失在整個(gè)建筑能耗中占比是非常大的。氣密性設(shè)計(jì)在我國(guó)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中一直處于被邊緣化的狀態(tài)，直到被動(dòng)式概念被引入我國(guó)，通過(guò)合理的能效計(jì)算，才逐漸彰顯出良好的氣密性在建筑節(jié)能中的貢獻(xiàn)值。德國(guó)被動(dòng)房的氣密性限值：n50＜=0.6 h-1，n50是指在基準(zhǔn)壓差（50Pa）下建筑物的內(nèi)部體積除50Pa下的平均空氣滲漏量得到的換氣次數(shù)。n50一般通過(guò)鼓風(fēng)門法測(cè)試所得，它的數(shù)值表征了建筑物氣密性的優(yōu)劣。因此，被動(dòng)房實(shí)現(xiàn)超低能耗的重要措施之一，就是提高建筑氣密性，以此保證室內(nèi)的舒適度與健康的環(huán)境。

要保證被動(dòng)房的換氣次數(shù)達(dá)到指標(biāo)限值，必須通過(guò)最優(yōu)設(shè)計(jì)，精細(xì)化施工、選材優(yōu)良等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。施工的時(shí)候盡量避免氣密層被穿透，穿透的地方采用被動(dòng)房專用氣密性材料封堵，尤其在窗框處，室內(nèi)陰角做好密封處理。

回到萊陽(yáng)后，魯花試圖攻克這一難關(guān)，但一度以失敗告終。這并沒有阻擋這支團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難的決心，他們把廠區(qū)下邊建成地下室，讓所有的油品恒溫儲(chǔ)存。

2.4 被動(dòng)式門窗

被動(dòng)房對(duì)窗戶的要求非常高，必須滿足通過(guò)窗戶的得熱量遠(yuǎn)大于透過(guò)窗戶的熱損失；另外，要通過(guò)設(shè)計(jì)合理的遮陽(yáng)措施避免夏天太陽(yáng)直射，降低冷負(fù)荷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一棟建筑如果窗戶的面積占到外表面的20%左右，而通過(guò)窗戶流失掉熱能將近占了50%[2]。德國(guó)被動(dòng)房認(rèn)證準(zhǔn)則中，Uwindows＜0.8W/（m2·K），Uinstall＜0.85 W/（m2·K），同時(shí)玻璃g值（即陽(yáng)光透過(guò)比率）達(dá)到0.5-0.6左右，室內(nèi)空氣溫度和室內(nèi)玻璃表面的輻射溫差＜4.2℃[3]。被動(dòng)房窗戶通常采用鋁包木框或者PVC型材，內(nèi)部填充保溫材料，至少采用雙low-E三玻兩腔中空玻璃，有效平衡窗戶的得熱與熱損，以此實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的保溫性能和氣密性能。典型的被動(dòng)式窗戶如圖1所示。

圖1 典型的被動(dòng)式窗戶

被動(dòng)式門窗的安裝與傳統(tǒng)建筑中的窗戶安裝相比，精細(xì)化施工顯得尤為重要。確定正確的窗戶朝向，并采取有效遮陽(yáng)；選擇正確的安裝位置，有效阻斷熱橋；采用高效的氣密、水密材料，提高窗戶圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能等。

2.5 防水隔汽系統(tǒng)

被動(dòng)房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)節(jié)能建筑有三大特點(diǎn)：較高厚度的屋面保溫系統(tǒng)、外墻保溫系統(tǒng)和傳熱系數(shù)極低、氣密性極高的門窗系統(tǒng)，它們的最終目的就是實(shí)現(xiàn)建筑的超低能耗。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就必須保證保溫材料發(fā)揮自己的最佳性能，而保持干燥是保證任何保溫材料發(fā)揮出自身的最佳性能的必要措施。我國(guó)大部分地區(qū)的夏季都比較潮濕。所以在保溫下面設(shè)置蒸汽阻攔層，保溫板上面直接設(shè)置防水層，這種做法對(duì)于被動(dòng)式超低能耗建筑也是必不可少的。

另外，較優(yōu)的體型系數(shù)（A/V＜0.7m2/m3）和合理的窗墻比，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞有著不可忽視的影響。

3 被動(dòng)式超低能耗建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用

被動(dòng)式超低能耗建筑優(yōu)異的保溫隔熱性能對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在被動(dòng)房差距是明顯的，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1）保溫層厚度偏低和施工工藝粗糙導(dǎo)致傳熱系數(shù)比較大；2）選材缺乏合理性論證，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障；3）建筑氣密性沒有得到足夠重視，并反映在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中[4]。

3.1 常見外保溫系統(tǒng)

目前國(guó)際上比較常見的被動(dòng)房外保溫系統(tǒng)，包括木結(jié)構(gòu)絕熱板或全絕熱工字梁結(jié)構(gòu)、整體式多孔保溫磚、砌塊木板墻體結(jié)構(gòu)、外保溫夾心墻體結(jié)構(gòu)、輕骨料砌體復(fù)合礦物棉保溫墻體、薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)、聚苯乙烯-ICF外墻外保溫系統(tǒng)。木結(jié)構(gòu)絕熱板或全絕熱工字梁結(jié)構(gòu)在歐洲得到大量應(yīng)用，這也是主要應(yīng)用了木材導(dǎo)熱性能比較差、輕質(zhì)、環(huán)保的特點(diǎn)。我國(guó)目前應(yīng)用比較多的還是外保溫夾心墻體結(jié)構(gòu)、薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，裝配式建筑中主要應(yīng)用聚苯乙烯-ICF外墻外保溫系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 典型的被動(dòng)式墻體結(jié)構(gòu)

3.2 外保溫技術(shù)原則

3.2.1 外保溫系統(tǒng)的合理性

傳統(tǒng)外墻外保溫系統(tǒng)一般由保溫層、抹面層、固定材料（膠粘劑、錨固件等）和飾面層構(gòu)成構(gòu)成。PHI認(rèn)證的被動(dòng)房，在寒冷地區(qū)，要求屋面、外墻、樓板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)U值要低于0.15W/（m2·K）。很顯然，傳統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)極低的傳熱系數(shù)是不可能的。尤其在我國(guó)，地緣遼闊，氣候分布比較復(fù)雜，結(jié)合不同類型地區(qū)的氣候特征和人文地理因素，選取正確、合理的保溫系統(tǒng)才能建成超低能耗、高舒適性的被動(dòng)式建筑。

被動(dòng)式超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻的提高，必然導(dǎo)致保溫層厚度的增加。在寒冷地區(qū)，以模塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)為例，被動(dòng)房保溫層厚度將達(dá)到200mm以上。這就對(duì)施工工藝提出了更高的要求，通過(guò)嚴(yán)格設(shè)計(jì)、排版、可靠連接來(lái)避免長(zhǎng)期承受自重、風(fēng)荷載和室外氣候的反復(fù)作用而產(chǎn)生有害的變形和破壞[6]。

被動(dòng)房必須通過(guò)精細(xì)化施工來(lái)極大的降低熱橋損失。降低熱橋損失不僅要通過(guò)采用專用的斷熱橋錨栓、暖邊條、連接線條等配件連接，還需要合理布局、精細(xì)化安裝才能達(dá)到降低熱橋的目的。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好的氣密性也須通過(guò)精細(xì)化施工來(lái)實(shí)現(xiàn)。有效的針對(duì)建筑中容易產(chǎn)生滲漏的節(jié)點(diǎn)，比如室內(nèi)陰角、窗戶內(nèi)角、窗外角、混凝土樓板等處，嚴(yán)格按照被動(dòng)房施工要求執(zhí)行，通過(guò)精細(xì)化施工來(lái)保證氣密層的連續(xù)和完整[7]。

只有做到高效防火才能稱得上是健康、安全、舒適的建筑。被動(dòng)房的高性能保溫系統(tǒng)對(duì)建筑的防火性能帶來(lái)的高難度要求是不言而喻的。只有嚴(yán)格按照被動(dòng)房施工工藝要求，合理設(shè)置防火隔離帶，才能提高建筑的整體防火性能。

3.2.3 系統(tǒng)性地評(píng)價(jià)外保溫技術(shù)

被動(dòng)房是集成了產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)技術(shù)、施工技術(shù)、工程技術(shù)等高端技術(shù)的一種建筑形式。目前，國(guó)內(nèi)外基本都采用認(rèn)證的模式來(lái)評(píng)價(jià)這種建筑。那么，針對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，必然要有一整套完整的指標(biāo)體系來(lái)評(píng)價(jià)各種技術(shù)要素是否得以實(shí)現(xiàn)。比如，保溫材料應(yīng)具有熱工性能、強(qiáng)度性能、物理化學(xué)穩(wěn)定性能等指標(biāo)，還包括對(duì)外保溫效果長(zhǎng)效性和工程安全長(zhǎng)效性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)等。

按照傳統(tǒng)的外保溫技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)檢測(cè)應(yīng)該包括：1）保溫材料及所有配套產(chǎn)品完整指標(biāo)體系的性能檢測(cè)；2）保溫系統(tǒng)性能檢測(cè)，包括抗風(fēng)壓、抗?jié)B、抗沖擊、抗凍融等全項(xiàng)整體性能檢測(cè)以及耐候性能檢測(cè)；3）施工過(guò)程中的駐場(chǎng)檢查；4）熱工性能檢測(cè)，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、熱橋。

標(biāo)準(zhǔn)體系方面，外保溫系統(tǒng)執(zhí)行現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JGJ 144《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》；外窗、外門氣密性參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7106《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測(cè)方法》執(zhí)行；外墻保溫系統(tǒng)防火性能及防火隔離帶的設(shè)置按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 50016《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和JGJ 289《建筑外墻外保溫防火隔離帶技術(shù)規(guī)程》的要求等。

被動(dòng)房在我國(guó)正處于蓬勃發(fā)展的初期，標(biāo)準(zhǔn)體系也處于正在完善的階段。完整的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系尚未形成，大多評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)沿用傳統(tǒng)建筑評(píng)價(jià)體系。現(xiàn)針對(duì)被動(dòng)房的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括住建部已發(fā)布的《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則》；《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》也已發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)涉及20個(gè)參編單位，涵蓋公共建筑和居住建筑，覆蓋設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、設(shè)備、部品等方面，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)必將使我國(guó)被動(dòng)房發(fā)展邁向新的臺(tái)階。另外，河北、山東等一些地方省市也已發(fā)布一些被動(dòng)式的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）健康、舒適、節(jié)能的被動(dòng)式超低能耗建筑符合人們對(duì)未來(lái)居住和工作環(huán)境的更高要求，也符合建筑形式向精細(xì)化、高端化發(fā)展的產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)。

2）因地制宜，建立合理、有效的技術(shù)指標(biāo)體系才能保證被動(dòng)式超低能耗建筑在我國(guó)健康、高效的發(fā)展。

3）合理選材，深化設(shè)計(jì)、精細(xì)化施工、全方位評(píng)價(jià)是滿足被動(dòng)房高效卓越的外保溫系統(tǒng)的必然路徑。