被动式超低能耗装配式建筑设计初探

　　——以海淀永丰产业园项目为例

　　中国建筑标准设计研究院有限公司

　　唐丽 王越 张建斌

　　1 被动式超低能耗技术与装配式建筑结合的难点

　　1.1 构件缝隙的处理

　　装配式建筑以工厂预制、现场拼接为宗旨，以求实现高效、精确的批量化建造模式。这种预制—组装的建构方式，决定了建筑构件间的缝隙不可避免，对房屋气密性存在不利影响。被动房力求以最大限度利用自然得热，减少因保温或气密性不足造成的冷热损失，实现低能耗投入。因此，被动房力求提高围护系统的气密性，做到“全方位包裹”，二者之间存在矛盾。预制构件间的缝隙处理，成为装配式被动建筑设计的难点之一。

　　1.2 保温与装饰结合

　　装配式建筑提倡采用由内叶板、夹心保温、外叶板组成的预制夹芯板，实现结构、保温、装饰一体化。特别是本项目所在的北京地区，结构、保温、装饰一体化外墙板受到大力推行。夹芯墙板将装饰外叶板以拉结件固定于内叶板上，拉结件多为强度较大的金属材质，传热系数远大于保温材料，易形成冷桥。而寒冷地区的被动房保温层厚度相对普通建筑更大，可达200mm以上，大大增加了对拉结件的强度要求。更粗或更密的拉结件加重了冷桥的形成，使得结构、保温、装饰一体化的外围护体系难以在被动式建筑中推广。

　　2 海淀永丰产业园项目基本情况

　　2.1 项目概况

　　海淀永丰产业园项目位于北京市海淀区北五环外的永丰产业基地，属自持式居住项目。地上部分装配式建筑比例为100%，预制率不低于65%，全装修比例为100%。其中，被动房位于西地块南侧的0062地块内，由西侧的A2#、西北侧的A5#、东北侧的A4#组成(图1，2)。三栋均为6层居住建筑，总建筑面积约占西地块总住宅建筑面积的10%。除A4#、A5#底层的商业、配套功能外，其余地上部分均按被动式超低能耗建筑要求进行设计。

　　2.2 技术难点

　　本项目中，针对以上三栋装配式被动居住建筑进行施工图设计，主要难点包括：

　　(1)装配式技术与被动式超低能耗技术本身均具有较高的设计难度，将两者结合并应用于北方寒冷地区的居住建筑，使此项目更具挑战性。

　　(2)三栋建筑同时涵盖南北向与东西向，需在设计阶段研究不同朝向对被动房设计的影响，并通过对运营节点的实时监控，尽可能全面地搜集各单体的各项参数指标。

　　(3)为提高住宅品质与舒适度，本项目采用了飘窗；立面与屋顶的造型、线脚丰富，不可简单套用被动房的常用设计手法，因此立面效果的实现成为施工图设计的难点(图3)。

　　图1 被动房与庭院

　　图2 海淀永丰产业园项目被动房位置示意

　　图3 丰富的立面效果

　　3 海淀永丰产业园项目的被动式技术应用

　　被动式超低能耗建筑设计中强调“五指原则”，即：良好的保温系统、完整的气密性、无冷热桥设计、被动式门窗系统、新风系统。针对以上设计原则，本项目具体应对方案如下。

　　3.1 良好的保温系统

　　被动房需要最大限度减少建筑的冷热损失，控制围护结构内表面温度与室内温差不超过3℃，采暖能耗需求不超过15kW·h/m2年。良好的保温系统可以显著减少建筑换热，控制房屋的供热制冷能耗，使室内温度均匀，减少冷热辐射，提高住宅舒适度，避免冬季结露。

　　根据标准图集《被动式低能耗建筑—严寒和寒冷地区居住建筑》(16J908-8)，寒冷地区被动房为保障能耗与舒适性要求，需满足外墙、屋顶传热系数≤0.15W/(m2·K)；地面及地下室外墙传热系数≤0.18W/(m2·K)；外门窗传热系数≤1.00W/(m2·K)。

　　3.1.1 外墙

　　(1)外墙形式

　　在外墙保温材料的选择上，本项目考虑了硬质聚氨酯、挤塑聚苯板、石墨聚苯板以及新型材料——真空绝热板。除真空绝热板导热系数可达到0.01W/(m·K)以下外，其余几种保温材料的导热系数在0.03W/(m·K)左右。

　　本项目中，同时含有南北朝向与东西朝向的楼栋，经过初步节能计算，真空绝热板厚度可控制在100mm以下，其余三种材料所需保温厚度在200~300mm之间，远大于普通居住建筑的外墙保温厚度。若采用夹心保温板，传统保温材料厚度大，外叶板与内叶板相距较远，对拉结件的强度要求显著提升，需要更多高强度的拉结件进行固定，加剧冷桥形成。若采用厚度较薄的真空绝热板，拉结件可能刺破保温层，使其绝热能力大幅下降。因此，本项目最终选择了预制单板外墙加外保温的技术体系。

　　(2)保温材料

　　由于硬质聚氨酯抵抗变形能力较弱，在对比过市面上几种挤塑聚苯板后，传热系数低于石墨聚苯板的种类较少。综合考虑成本与施工、维护难度，本项目决定选用石墨聚苯板(表1)。

　　经过节能计算，三栋楼保温厚度分别为：A2#楼280mm(东西向)、A4#楼220mm(南北向部分)与260mm(东西向部分)、A5#楼220mm(南北向)。施工时，采用双层错缝式排布避免通缝，减少保温层的弱点。

　　由于本项目位于寒冷地区，冬季采暖压力较大，被动房对于采暖能耗的限制提高了对外墙保温的要求。若项目位于其他地区，保温厚度适宜时，仍可采用夹心保温板，实现结构、保温、装饰一体化，对此本文暂不多做探讨。

　　表1 保温材料性质对比

　　(3)外墙节点

　　被动房外墙保温厚度较大，须确保固定方式的可靠性。本项目立面装饰材料主要采用真石漆，小型装饰线脚以粘贴小型保温块的形式实现，突出墙面的“壁柱”造型以陶板或石材幕墙的形式实现。飘窗间以陶板格栅“填平”，幕墙与窗台交界处统筹处理，确保整个立面风格的统一。

　　3.1.2 屋顶

　　本项目同时涵盖了坡屋面与平屋面。经节能计算，三栋楼屋面保温厚度需做到300mm。

　　(1)坡屋面

　　坡屋面采用金属屋面，依靠自然坡度将雨水排向屋面边缘的天沟内。天沟处出现保温厚度局部不足300mm的情况，但是由于坡屋面下方设有闷顶，可以起到一定保温作用，因此天沟保证保温最薄处厚度不少于100mm，尚可相互权衡。飘窗上方局部进行挑檐，用以固定天沟和金属屋面龙骨。挑檐板上下全部以保温材料填充，起到阻断冷桥的作用。

　　(2)平屋面

　　平屋面两侧高起的山墙，为保证保温效果与立面平整，以立面保温厚度进行包裹。对于高度较矮、不便以相同厚度包裹的女儿墙，控制最薄弱处保温厚度不低于100mm。女儿墙高度需结合立面效果与构造需求确定，既要满足防水收头的高度要求，又要保证包裹100mm厚的保温材料后不影响立面整体效果。

　　3.2 完整的气密性

　　被动房要求气密性通过风门试验，满足N50≤0.6/h，即50Pa气压差下，每小时换气不超过0.6次。气密性不足不仅会增加冷热负荷，还会产生结露风险，严重影响保温层作用。

　　保证气密性的普通做法，是以完整的抹灰层覆盖房屋内部。装配式建筑存在大量板缝，均为建筑气密性薄弱的部位，需增加气密性胶带密封。例如叠合楼板的现浇层与上层外墙板之间连接处，虽以砂浆封堵，但仍存在气密性隐患。本项目中，在内侧墙角处粘贴气密性胶带，再做抹灰等内装饰面层做法，可有效增强外墙的整体气密性(图4)。

　　对于屋顶部分，需在保温层内侧设置连续气密层，防止冷凝。门窗及管道等洞口四周的缝隙，需在外侧粘贴防水透气膜，内侧粘贴防水隔汽膜，消除洞口附近的冷凝隐患(图5)。设备安装时，应注意避免破坏抹灰层。

　　3.3 无冷热桥设计

　　本项目中，可能出现冷热桥的部位主要有以下几类。

　　3.3.1 与非被动房部分交界处

　　本项目采取外保温系统，以外圈保温包围整栋房屋，层间楼板未采取特殊保温措施。因此，只需处理好与非被动房部分之间的楼板或地坪即可。

　　三栋建筑中，A2#从地上1层起为被动房，A4#、A5#从地上二层起为被动房。其中，A2#以150mm厚岩棉满铺地下室顶板下表面，并沿地下室外墙内侧，从顶部向下延伸1m高。地坪处的外墙保温层，以被动房外墙保温厚度，向地下延伸1m后，再转为普通地下室外墙做法。A4#、A5#在一层楼板下方满铺100mm厚岩棉保温，保证被动房区域保温系统的完整性。

　　3.3.2 悬挑结构

　　本项目无室外阳台，悬挑结构主要出现在飘窗、屋顶挑檐和空调板处。

　　(1)飘窗

　　飘窗顶板、底板的保温材料厚度会影响上下层飘窗间的空间高度，进而影响建筑立面效果。在综合权衡保温效果与建筑形象后，本项目将飘窗顶板、底板处的保温厚度定为200mm。

　　(2)屋顶挑檐

　　飘窗上方与支撑天沟的悬挑板之间以保温材料填充，并完整包裹悬挑板与女儿墙，形成连续的保温系统。屋顶幕墙系统龙骨间同样以保温填充，保证悬挑板周围、女儿墙两侧及压顶处保温不小于100mm，确保屋顶保温系统中无冷热桥问题(图6)。

　　(3)空调板

　　装配式被动房多采用轻质钢结构空调板，以悬挑形式固定，减少冷热桥风险。本项目部分采用轻钢结构空调板，部分因立面造型原因采用了150mm厚钢筋混凝土悬挑板。混凝土空调板上下各包100mm厚保温层，整体固定于120mm厚的叠合楼板上，板顶标高与楼板板顶相同，利用保温材料完成立面的装饰。

　　由于本项目部分首层空调板位于室外地坪标高以下，上下均需保温包裹，空调板上方考虑排水与造型需求，以保温材料包裹至高于室外地坪的完成面高度，并在空调板下方以暗散水形式与场地交接。

　　3.4 被动式门窗系统

　　3.4.1 被动式门窗

　　《被动式低能耗建筑—严寒和寒冷地区居住建筑》(16J908-8)中要求，寒冷地区被动房外窗传热系数≤1.00W/(m2·K)。

　　目前现有被动房项目中，普遍要求门窗传热系数不超过0.80W/(m2·K)，且安装后不超过0.85W/(m2·K)。综合对比后，本项目选用三玻两腔双银Low-E充惰性气体暖边塑钢窗。

　　传统门窗多安装于洞口内部，窗框同时接触外部空气与结构墙，易形成冷热桥。被动式门窗采取外挂形式安装(图5)，控制了结构体与外界空气间的接触，有效减少了热量传递。

　　3.4.2 电动遮阳百叶

　　电动百叶为金属材质，传热系数较高。当百叶位于保温层内侧时，易同时与结构体和外界空气接触形成冷桥。因此，本项目中将遮阳百叶盒向外移动至与外墙外表面相平(图7)，在窗框与百叶之间形成保温断桥层。有线脚的部位，以轻质保温材料粘贴于百叶外侧，完成造型需求。保证同一立面内，电动百叶位于同一平面，避免遮阳放下后产生立面深浅不一的杂乱感。

　　电动百叶上端通过保温垫块固定于结构基层墙体上，飘窗部分采用下方固定，普通窗采用侧边固定。保温垫块下方对应的预制外墙处预留电动百叶的电线槽，具体尺寸需避免对防火隔离带造成影响。百叶侧轨通过金属窗框固定，固定构件设置于金属窗框后方，以点状、间断的形式固定，减少冷热桥风险(图5)。

　　3.5 新风系统

　　为满足使用人群的新风要求，本项目采用吊顶式新风全热交换器，热回收效率达75%以上，降低了能源消耗，满足被动房要求。被动房的室内颗粒物主要来源于新风，故新风系统内安装高效过滤器，对Pm2.5的过滤效率大于90%时，可有效降低室内颗粒物浓度，保证室内Pm2.5日平均值不超过35μg/m3(空气质量一级标准)，保障室内人员呼吸健康。室外新风通过全热交换器过滤器后，与卫生间的排风进行高效热交换，从而将温度适宜的新鲜空气送入室内各个房间内，满足人员新风要求的同时，排除卫生间异味。新风全热交换器设旁通管，过渡季节直接将室外新风送入室内，减少阻力损失，消除室内冷负荷。

　　图4 外墙板缝示意

　　图5 门窗节点示意图

　　图6 屋顶挑檐处断桥做法

　　图7 外挂窗与电动遮阳百叶