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  • 【案例】嚴寒地區被動房建設實踐
      發布日期:2020-09-15    文章來源:互聯網      發布人:暖小風     瀏覽次數:
    裝配式建造和近零能耗建筑是中國建筑行業最受關注的兩個話題,在嚴寒地區建造近零能耗建筑(被動房)是一個不小的挑戰。五合國際的專家團隊參與了住建部2015年《被動式超低能耗綠

    裝配式建造和近零能耗建筑是中國建筑行業最受關注的兩個話題,在嚴寒地區建造近零能耗建筑(被動房)是一個不小的挑戰。五合國際的專家團隊參與了住建部2015年《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》和2019年國家標準《近零能耗建筑技術標準》的編制、以及部分近零能耗建筑的設計實踐工作。

    本項目所在地哈爾濱市地處嚴寒氣候區,冬季室外溫度可達攝氏零下30多度,在這樣的氣候環境下建造被動房難度較大,項目采用裝配式EPS模塊混凝土結構和一系列節能技術措施以提高近零能耗建筑(被動房)在嚴寒地區的可行性。本文專業性較強,建筑學專業的小伙伴們想讀懂這篇文章也是一個小挑戰。

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    項目背景

    建設被動式超低能耗建筑對于降低建筑能耗,構建低碳社區,有著重要意義,哈爾濱市屬于嚴寒地區比較有代表性的城市,冬季采暖期近六個月,常規建筑的采暖能耗較高。如僅依靠被動式的保溫手段,降低采暖措施的容量與使用強度,室內環境的舒適度會受到挑戰。

    以裝配式建筑為代表的建筑工業化是以低碳可持續為導向的一次建筑產業升級。它既可以大幅提升建筑質量,包括建筑的安全性、耐久性都會有很大的提高;還可以減少資源浪費和對周邊環境的影響。隨著建筑工業化水平逐步提高,裝配式建筑也在逐步向高品質、近零能耗建筑發展,我們完全可以在這種建筑身上附加更多的功能和價值,以適應我們國家新型城鎮化、新農村建設的需求。

    本項目嘗試采用裝配式EPS模塊混凝土結構技術在嚴寒區域建設被動式建筑,通過實際項目的建設,為嚴寒地區被動式建筑的設計建造提供一定的思路和經驗。

    項目概況

    本項目位于哈爾濱市,屬于嚴寒地區,五合國際負責該項目近零能耗(被動房)技術設計咨詢工作。圖1.1為項目規劃總圖,圖1.3~圖1.4為建筑方案設計平面圖。

    半地下室為庫房,地上一層有中西餐廳、廚房、服務員用房等空間,二層和三層為健身房、客房和客廳。總建筑面積593.84 m2 (使用面積528 m2 ) ,其中半地下室面積為150.05 m2,地上面積為443.79 m2。

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    ▲圖1.1  項目總規劃平面圖

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    ▲圖1.2  被動房展示項目效果圖

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    ▲圖1.3  首層平面圖

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    ▲圖1.4 二層平面圖

    02 設計標準和室內參數

    設計標準

    本項目被動房設計所采用的標準滿足2019年1月頒布的《近零能耗建筑技術標準》和住建部2015年頒布的《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》的要求,即嚴寒地區建筑的年供暖能耗指標要求為≤18kwh/㎡a;年供暖、供冷和照明一次能耗消耗量要求為≤55kwh/㎡a。房屋氣密性指標為n50≤0.6次。

    室內環境參數

    ①室內溫度:20~26℃,夏季開窗自然通風時,室內溫度≤28℃;

    ②室內相對濕度≤60%,夏季開窗自然通風時,室內相對濕度≤70%;

    ③新風量≥30m3/(h·人);

    ④全年室內溫度高于28℃的小時數占全年時間的比例≤10%;全年室內溫度低于20℃的小時數占全年時間的比例≤10%。

    03 項目所采用的技術系統

    預制模塊

    為了提高本項目的工程建設質量,做到外保溫與建筑同壽命,本項目外墻體系采用了保溫與結構一體化的被動式低能耗建筑建造技術,即外墻外保溫采用EPS模塊外墻外保溫現澆系統來取代EPS板外墻粘貼系統,此方法既可以加快施工進度,減少人工成本,又可保證施工質量,可實現保溫與結構模板一體化,杜絕了外保溫系統常年使用脫落的可能性。

    該模塊是按建筑模數、節能標準、建筑構造、結構體系和施工工藝的需求,通過專用設備和模具高溫真空一次成型制造。其熔結性均勻、壓縮強度高、技術指標穩定、幾何尺寸準確,最大負誤差0.2mm。該技術有易施工性強、工程質量易保證的特點。房屋建造如同擺積木,可以取代了粘土磚和塊狀組砌墻體,有利于淘汰落后技術和產能,摒棄了傳統的房屋建造施工工藝,實現了建筑保溫與建筑模板一體化和建筑保溫與建筑結構一體化。

    該EPS模塊,導熱系數為0.033W/(m·k),考慮到施工因素和室內舒適度余量等,外墻的保溫厚度設計值為300mm。依據黑龍江省地方標準《HS-ICF外墻外保溫建筑節能體系技術規程》,外保溫選用直板模塊150mm和150mm進行組合安裝。

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    ▲圖3.1 EPS模塊

    外墻平均傳熱系數設計為0.15 W/(m2·K),采用外墻外保溫形式。其中,外墻平均傳熱系數為包括主體部位和周邊熱橋(構造柱、圈梁以及樓板伸入外墻部分等)部位在內的傳熱系數平均值。地下室外墻平均傳熱系數設計為0.20 W/(m2·K),保溫厚度設計為250mm,保溫材料應具有抗壓、耐水性能。

    屋面平均傳熱系數設計為0.15W/(m2·K),采用外保溫形式,屋面保溫材料也采用普通EPS模塊,保溫厚度設計值為300mm,選用直板模塊150mm和150mm進行組合安裝。

    由于地下室為庫房,人員密度較低,實際運行中溫度有可能偏低,與首層的溫差會大于5℃,為保證首層房間的舒適度,本項目的地下室頂板進行保溫處理,并在地下室的樓梯間設置內門隔斷,防止冷風進入到首層。頂板的傳熱系數為0.5 W/(m2·K),按標準保溫材料選用EPS直板模塊70mm。

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    ▲模塊性能指標

    外窗體系

    本項目外門窗采用內外窗結構,外窗為三玻雙中空(4+12A+4+12A+4)鋁合金外窗,,內窗為雙玻中空結構5+12A+5,平均傳熱系數為0.80 W/(m2·K)。外窗玻璃采用暖邊技術,改善玻璃邊緣傳熱系數,避免外窗中空玻璃邊緣結露的可能性。

    外門窗具有良好的氣密、水密和抗風壓性能。依據現行國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T7106,其氣密性等級不應低于8級、水密性等級不應低于6級、抗風壓性能等級不應低于9級。外窗安裝的洞口,在室內側粘貼防水隔氣膜,或采用防水保溫涂料;室外側采用防水透氣膜處理。

    無熱橋設計

    本項目屋面與外墻的保溫層采用連續設置,以確保不出現結構性熱橋。突出屋面結構體的保溫與屋面、墻面連續,以確保不出現結構性熱橋。地面保溫也與外墻保溫形成連續的保溫層,不出現結構性熱橋。

    本項目窗戶采用外掛安裝,窗框內表面與結構外表面齊平,保溫層壓住窗框,以避免熱橋。窗框與墻體之間的縫隙應用密封材料處理。外窗采用金屬掛件的方式與墻體連接固定,固定位置均勻分布在外窗上下左右四個邊框上。外窗支撐件選擇耐久性好、導熱性差的塑料件,以避免熱橋。 

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    ▲圖3.2

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    ▲圖3.3

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    ▲圖3.4

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    ▲圖3.5

    ▲圖3.2-3.5 施工過程照片

    新風系統

    通過對建筑的全年逐時能耗模擬,本項目建筑總負荷包括建筑負荷和新風負荷,其中冬季新風負荷占建筑總熱負荷的85%以上,夏季新風負荷占建筑總熱負荷的20%以上。在合理的送風溫差內,新風系統能夠承擔房間的室內冷熱負荷,不需要另設其他形式的供暖系統.

    但冬季處理新風負荷的能耗較大,達到37kW。見圖3.1,通過模擬熱回收裝置可提供的能量圖,我們可以看到僅依靠室內人員及日照得熱和新風熱回收裝置無法滿足室內的舒適度要求。

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    ▲圖3.6  新風熱回收裝置可提供的能量

    另外對于嚴寒地區,隨著冬季新風溫度的降低,熱回收器排風側的溫度也會隨之降低,從而產生冷凝水,當溫度進一步降低時會產生霜凍及霜堵現象,影響系統運行。因此本項目的新風熱回收系統了防凍措施,在新風入口側設置空氣預熱器,當室外溫度降低到一定程度時(依據德國經驗,新風防凍加熱盤管余熱啟動溫度為-4℃),開啟預熱器,使熱回收新風入口側空氣溫度高于3℃以預防結霜。

    因此在冬季對新風進行熱處理,包括預熱、熱回收以及加熱等三個空氣處理過程,保證室內舒適度,見圖6.2。其中,新風經過預熱處理段后,溫度可達到3℃;通過顯熱熱回收效率為70%的熱回收段B,溫度可提升到14℃;之后通過空氣處理段C,將新風處理到送風狀態點。

    總新風量按照總人數確定,每人所需最小新風量按照30 m3/(h人)計算。

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    ▲圖3.7  新風處理系統流程圖

    在新排風之間設置旁通管,當冬季房間不使用或夜間值班采暖的情況下將新風閥門關閉,可以實現全回風模式,以大幅減少新風能耗。

    關于廚房排煙問題,由于中式炒菜做飯時油煙較大,廚房區域一般來說會設置獨立的排油煙系統;為了不使排油煙系統破壞房間整體的氣流組織與能量平衡,所以要在廚房采取就近補風措施,并從室外直接補風,補風口設置在灶臺附近,補風口上加設逆止閥,保證氣密性;同時,廚房門由推拉門改為平開門,并安裝閉門器,避免從室內補風或者影響其它房間的氣流組織。為了提高可操作性,將補風措施和閉門器與排油煙系統進行聯鎖啟停控制。

    04 能耗模擬分析

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    本項目能耗模擬采用IES(VE)模擬軟件,計算分析本項目冷熱負荷,并計算建筑總能耗。

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    ▲圖4.1  三維模型示意圖

    被動式房屋冷熱負荷模擬計算

    通過模擬軟件,對被動式房屋進行逐時冷熱負荷計算,模擬結果如下圖所示。

    冬季

    建筑最大熱負荷發生在每年的01月18日,此時熱負荷為5.00 kW。

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    ▲圖4.2  采暖季建筑逐時熱負荷(按小時)

    夏季

    建筑最大冷負荷發生在每年的07月30日,此時冷負荷為11.86 kW。

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    ▲圖4.3  空調季建筑逐時冷負荷(按小時)

    全年新風逐時冷熱負荷圖

    01月18日,此時新風熱負荷為37 kW;07月30日,此時新風冷負荷為3.35 kW。

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    ▲圖4.4  建筑全年逐時新風負荷(按小時)

    全年冷熱負荷計算結果

    由上模擬可知,不包括新風負荷,室內熱負荷為5.0 kW,室內冷負荷為8.51 kW。

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    ▲表4.1  建筑能耗統計匯總表

    05 結論

    本項目將被動式建筑技術體系與EPS模塊保溫與結構一體化技術相結合,提高建筑整體的圍護結構保溫性能和氣密性,從而大幅降低建筑冬季采暖負荷,進而降低本項目的一次能源消耗量。

    通過全年能耗逐時模擬分析和室內溫度模擬,我們可以得出在嚴寒地區僅依靠室內人員及日照得熱和新風熱回收裝置無法滿足室內的舒適度要求,必須要采用輔助熱源加以配合。

    對于在嚴寒地區的被動式建筑,冬季供暖熱負荷中占比最大的是新風負荷,負荷占比高達70~80%,而建筑本身熱負荷指標基本可以控制在10w/㎡以內。所以此類項目在冬季極端氣候時間可根據人員密度適當降低新風量以控制供暖系統的負荷需求,從而降低項目全年運行能耗。

    項目目前缺少建成后的實際運行數據,項目所獲得的經驗有待進一步總結和完善。可以預見,采用裝配式EPS模塊技術在嚴寒地區建造較低成本的被動房,未來有廣泛的應用前景。

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