建筑設計中超低能耗技術的運用研究

桑映輝，崔乃夫

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100000）

1 引言

相比于其他建筑類型，超低能耗建筑技術所追求的是近零能耗，為使用者提供舒適的空間，展示以人文本的設計理念，從室內溫度、空氣以及濕度等多個角度展開研究，在外墻保溫系統中采用升級版石墨聚苯板保證室內恒溫；在外窗系統中確保氣密性；在新風能系統中采用新風機組保留室內熱量；利用太陽能技術實現光伏發電降低能耗，實現可持續利用。

2 工程概況

某建筑工程小區位于市中環與內環之間，共占地面積為78 378 m2，其中相關能耗指標如表1 所示。

表1 能耗關鍵技術指標

3 超低能耗技術核心

3.1 外墻保溫技術

3.1.1 墻體保溫類型

外墻保溫主要分為3 道工序，分別為外墻內保溫、外墻夾心保溫以及外墻外保溫，其中超低能耗建筑的施工過程中往往會選擇后兩者，根據類型和特點如表2 所示。

表2 不同保溫類型及特點

3.1.2 墻體保溫材料及應用

外墻保溫技術是否能發揮其效能的決定性因素在于材料的選擇，通常會根據其性質劃分為有機材料和無機材料。有機材料常見于擠塑聚苯乙烯泡沫板、芬酸樹脂保溫板等，具有質量輕、吸水性弱的優勢，這類材料熱傳導系數在0.3 W/（m·K）以下。無機材料有巖棉、中空?；⒅榈?，這類材料優勢在于耐久性高，不易燃燒，但保溫性相對較差。目前，應用于建筑設計中的低能耗材料在不斷升級，并衍生出更多新材料，如VIP真空絕熱板、石墨聚苯板以及STP 超薄真空保溫板，其導熱系數≤0.008 W/（m·K）。石墨聚苯板導熱系數0.032 W/（m·K），適用于多種建筑結構中[1]。

外墻外保溫系統主要為了提升建筑的憎水性，實現方式有涂抹聚苯顆粒漿料、聚苯板薄抹灰等，首先聚苯顆粒需要去除墻面浮灰或其他物質以免影響其黏結強度，再將TS201、32.5水泥和中砂按照1∶（1.1~1.2）∶（1~1.2） 的比例拌和后涂抹墻體表面，第一遍厚度在30 mm 左右，當對表面用手按壓不留痕跡時進行第二遍，厚度控制在4 mm 左右。需要注意的是，已經攪拌均勻的保溫材料為避免其變質需要在3 h 內用完。完成以上工序3~7 d 后再抹保護層，將TS20R、32.5 水泥以及中砂按照（0.6~0.8）∶1∶3 的比例攪拌均勻涂抹兩遍，約3~5 mm 厚，刮涂1~2 遍后等材料變干后涂抹防水材料，檢查表面是否平整[2]。

3.2 氣密結構

關于氣密性膜的類型主要分為抹膠型氣密性膜和自黏型氣密性膜，在建筑超低能耗設計中比較常見的底涂膠是MS膠。通常情況下，抹膠型氣密性膜不僅擁有自己的背膠部分，還要有與之相匹配的底涂膠，而自黏型氣密性膜則只要有背膠即可。基于使用方式的差異，二者的檢測標準也存在一定差異，這里主要檢測二者的黏結強度、耐低溫程度以及耐紫外線檢測這3 種性能。

首先，抹膠型氣密性膜和自黏型氣密性膜的背膠檢測所需制樣尺寸為300 mm×12 mm，實驗材料分為木材、塑料和鋁合金；針對底涂膠黏性的檢測，通常會選用尺寸為150 mm×25 mm 的制樣，并用2 kg 的壓輥滾動碾壓，速度控制在10 mm/s，并將制樣靜置7 d 左右等待其固化再檢測其氣密性。

其次，是耐低溫檢測技術，采用服役耐溫檢測方案，將所收集的制樣放置在低溫狀態下，經過一定時間后查看制樣的黏結強度，再與常溫下的黏結強度進行對比，最佳條件為低溫-30 ℃，保留時間控制在16~24 h。

最后，是耐紫外檢測。氣密性膜會受到光照的影響，導致建筑內部氣密情況不佳，因此，要對氣密性膜進行耐紫外檢測。經計算結果顯示，全年太陽輻射能在6 000 MJ/m2，氣密性膜室外檢測計劃要進行3 個月測試，得出3 個月紫外線能量為120 MJ/m2，再根據天數換算為1 388.4 W/（m3·340 nm）。在檢測過程中利用專用輻射儀器，能量為140 W/m2，最終得出實驗時間為1 388/140=9.9 d。因此，最終的檢測方案是在輻照度1.55 W/（m2·340 nm）的紫外燈下照射10 d，再將其結果與正常狀態下的氣密性膜進行對比，從而明確其耐紫外性能[3]。

其中，針對外窗氣密性的檢測主要依靠硬件系統，包括供風系統檢測、主機檢測、高級密封塑料布與管組等，同時配合軟件系統。在建筑設計相關工序完成后需要裁剪一個適合風管的尺寸，并將其密封于窗件上，連接計算機與主機，對環境、窗件等參數進行設定。系統正向加壓檢測流程如下所示：（1）正向預備加壓；（2） 自動控制并記錄靜壓箱100 Pa 和150 Pa 的風量值；（3）將密封膠帶去除，并控制變頻風機完成升壓和降壓的動作，記錄靜壓箱100 Pa 和150 Pa 的風量值。

結合流體力學的相關內容可以得出，圓管內的管壁處的速度值為0，相比下管中心部分的流體黏性作用逐漸隨著與管壁距離的增大，黏性會逐漸變小，流速最大值為μmax，圖1 為管內流速分布圖。

圖1 管內流速分布圖

在計算風量測量指數時需要求平均流速，數學表達式如式（1）：

對于圓管有：

式（2）代入式（1）得：

式中，qv為管道的流量，m3/h；A 為管道內部的橫截面積，m2；μx為管道界面速度分布情況，m/h；r 和R 分別為在管道截面流速值達到μx時所對應的半徑與實際管道截面半徑，m。

3.3 新風熱回收系統

新風熱回收系統的研究主要針對新風風管放樣和安裝技術，有酚醛彩鋼復合新風管，T 形、矩形風管以及矩形彎管，變徑管等，按照BIM 模型畫出切割線。關于PVC 管的安裝需要嚴格遵循圖紙進行現場定位，明確管道走向和各個風口的位置，做好前期安裝準備工作。在熟悉圖紙的過程中需要核實風管系統的各項指標是否正確，包括預留孔洞、軸線以及標高等，再進行后續工作，若存在問題需及時向監理匯報，以免造成損失。首先，需要對PVC 管路進行規定，采用支吊架、吊卡使其緊貼管壁以免松動。其次，需要用打孔機完成打孔工序，務必保證孔徑和位置與設計圖紙相一致，若存在問題需要聯系相關單位。最后，是吊架、風管之間距的問題，水平方向固定卡的最佳距離為1 m，垂直方向則為1.5 m。

3.4 可再生能源

我國太陽能資源全面總量在3 350~8 370 MJ/（m2·a），每年2/3 地區的太陽輻射量在5 000 MJ/m2以上，將太陽能技術應用于超低能耗建筑中能夠進一步緩解能源消耗問題，實現資源利用最大化。在應用過程中分為主動式和被動式技術兩種，主動式包括太陽能熱利用和光伏發電，被動式技術主要為集熱儲熱墻。在建筑設計超低能耗技術中，光伏發電技術的應用能夠直接轉換太陽能，成為能夠并入電網供建筑使用的能源，將電池板安裝在屋面，并根據建筑的具體結構，形成里面與玻璃結合的幕墻，從而最大化地利用建筑自身結構優勢，既不會造成其他影響，又能適當遮陽。在設置太陽能光伏板時需要結合建筑圍護結構，確保將二者分離開，以免由于溫度過高對建筑外表的材料造成影響，尤其針對防火效果弱的材料。在隔離的空腔中需要做好通風處理，分為自然通風與機械通風。自然通風主要依靠建筑結構設計情況，機械通風則用排風扇、鼓風機等設備。針對太陽能光伏發電，相關研究者提出設計立面開口的光伏幕墻，能夠降低空氣夾層溫度。

太陽能空調系統所采用的超低能耗技術是利用集熱器來驅動熱力制冷，通過集熱系統、蓄能系統、空調末端系統等組合而成。在應用過程中，單效溴化鋰與水吸收式制冷技術逐漸完善，具有循環性能系數COP 高、對溫度條件依賴性不強的優勢，得到建筑設計領域的青睞。部分研究人員對熱源泵系統進行研究，能夠起到直接取暖的作用，太陽能集熱器能夠回收一部分新風，并采取加熱的方式為室內提供暖氣，通過建模分析發現，太陽能空氣源耦合系統能夠實現70%以上的熱源供給，熱源泵系統能夠充分利用太陽輻射。

4 結語

在多數資源不可再生的大環境下，節能一直是我國建筑領域的重點研究內容，為了進一步降低建筑對能源資源的消耗，需要從多個角度進行分析，在確保建筑室內舒適度的同時兼顧節能效果。從外墻保溫的角度分析，根據不同地區的需求采用適當材料，能夠提升建筑的保溫性和隔熱性，降低夏季和冬季的空調能源消耗，同時確保外窗結構的氣密性和穩定性，采用多種檢測方式加以檢測，提升資源的循環利用。加大對可再生資源的研發力度，利用建筑結構的優勢開發太陽能資源，有效降低能耗問題，實現可持續發展。