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
本文来源:《建筑技艺》.2019年10月
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