寒冷地区超低能耗公共建筑项目实践分析

文_蔡倩 张金花 崔婧瑞

1 北京中建建筑科学研究院有限公司 2 中国建筑一局（集团）有限公司

1 项目概况

本文介绍的项目为北京市超低能耗公共建筑示范项目，该项目的建筑面积13460.60m2，地上层数为6层，地下2层，檐高29.1m。建筑外表面积11152.74m2，体积65609.65m3，建筑体型系数S=0.17，结构类型为框架剪力墙结构。该项目的用途为办公楼和部分实验室，外立面为幕墙体系。

2 设计思路

项目的设计首先应在满足建筑基本功能以及美观外形设计、体型系数、结构类型的基础上，再从节能减碳角度确定相应的建筑能效、室内环境等指标要求，指标要求以满足国家相关标准为前提，结合当地地方相关标准要求以及特定的示范项目或奖励办法的特殊要求，综合协调从严制定超低能耗建筑项目的能效指标和室内环境指标要求，作为项目的设计目标。本文介绍的超低能耗公共建筑项目首先应满足国家标准GB51350《近零能耗建筑技术标准》，并且作为北京市超低能耗建筑示范项目，本项目在设计阶段根据北京市超低能耗建筑示范工程（公共建筑）的要求，相比国家标准，北京市对超低能耗建筑示范项目（公共建筑）的指标要求更高，且还实行双指标要求即建筑能耗指标及关键部品性能参数要求。

在确定好建筑能效指标、气密性指标以及关键部品性能参数指标后，首先依据关键部品性能参数结合建筑防火及当地政策要求，优先选用市面上能够采购到的符合性能要求的材料，根据材料参数计算材料部品的尺寸及性能参数，从而初步制定围护结构各热工性能参数。为确保最终设计方案能够满足建筑能耗要求，需要采用建筑能耗模拟计算软件，对围护结构热工性能初设参数进行试算，并在满足相关标准的前提下调节符合能效指标要求。本项目首先依据北京市超低能耗公共建筑示范项目对于围护结构、新风系统等关键部品的性能要求进行初设，再通过建筑能耗模拟软件对建筑的初设参数进行初步验证并微调，以获得既能满足北京市示范项目要求又能达到建筑能效指标要求的性能参数（见表1和表2所示），形成项目的设计方案。

表1 不同的指标要求

表2 超低能耗公共建筑关键部品性能参数

3 主要应用技术

3.1 非透明围护结构的高性能保温措施

本项目为公共建筑，且其外饰面为幕墙体系，结合GB50016-2014《建筑设计防火规范》：“建筑高度大于24m时，保温材料的燃烧性能应为A级”的规定。本项目的檐高29.1m，因此采用A级保温材料。A级保温材料中岩棉的使用较为成熟且广泛，岩棉又分岩棉条和岩棉板。其中，岩棉板的导热系数较低为0.040W/（m2·K），为了达到外墙传热系数0.22W/（m2·K）的要求，则需要采用共200mm厚的岩棉板，而单层岩棉板不易做到200mm厚，因此本项目采用100mm+100mm双层岩棉板薄抹灰外墙外保温系统，以锚为主，粘锚结合。岩棉板上墙前在底层和面层都涂刷界面剂以保证粘接强度且有利于施工，待界面剂表干后、实干前用抹子在保温板上涂抹胶粘剂，第一层岩棉板与基层墙体之间的粘贴方式为点框法，第二层使用条粘法。保温层粘贴，水平顺序进行。先从墙拐角（阳角）处粘贴，使其粘贴时应上下接缝垂直交错连接。整块墙面的边角处用短边尺寸不小于300mm的保温板。锚栓安装在岩棉保温板粘贴24h后进行，锚栓数量每m2不少于6个，锚栓按设计数量均匀分布，呈梅花型布置。锚栓压盘应紧压保温板，锚钉长度小于锚栓套管，套管用发泡聚氨酯填满以隔绝金属锚钉与外界空气间的热桥效应。外饰面的幕墙体系与保温板间有空腔，为防止岩棉受潮在岩棉板外侧铺设防水透汽膜，自下至上铺贴，顺水搭接，上下搭接15cm，左右搭接10cm，将防水透汽膜与岩棉板用锚栓固定，固定处的锚栓用丁基胶带密封，密封处面积大小以丁基胶带将锚栓盘完全覆盖为标准，施工中尽量避免在防水透汽膜上穿透和开口，尽量保证防水透汽膜的完整性，从而提高了建筑外墙部分的整体气密性。

屋面考虑到其抗压强高和吸水率低的要求，选择250mm厚的挤塑聚苯板作为保温材料，传热系数为0.15W/（m2·K）。屋面保温施工前，穿过屋面结构层的管道、预埋件等已采用断热桥和气密性措施安装完成并通过验收。先用水泥砂浆找坡找平，再使用冷底子油作为界面剂，而后粘贴2.5mm厚耐碱铝箔面层自粘性改性沥青防水隔汽卷材，其上表面是一层耐碱、耐腐蚀的铝膜，下表面为可撕去的自粘胶保护隔离膜，隔汽膜可以有效地隔绝室内和结构层的水汽进入到保温层。隔汽膜上侧双层保温层施工采用干式施工，保温层与保温层之间用PU胶粘接，板间缝隙不得大于2mm，板间缝隙大于2mm时，应用保温条将缝塞满，板间高差大于5mm的部位打磨平整。保温层上侧设置3mm+4mm厚双层SBS改性沥青防水卷材，底层防水卷材为自粘型，而上层防水卷材采用热熔方式安装可以更好地形成完整密闭的防水层。防水层延续到女儿墙顶部盖板内，使保温层得到可靠保护。

3.2 高隔热气密性的外窗

被动式外窗的关键选型参数是传热系数、太阳得热系数(SHGC)以及气密性等级。依据本项目的设计要求，本项目的外窗采用断桥铝合金5单银Low-E+16Ar（中空）+5单银Low-E+0.2V（真空）+5钢化暖边玻璃，幕墙采用断桥铝合金6单银Low-E+16Ar（中空）+6单银Low-E+0.2V（真空）+6钢化暖边玻璃，天窗采用断热桥铝合金框材、8单银Low-E+12Ar暖边+6单银Low-E+12Ar暖边+6+1.52PVB+6mm超白双中空夹胶玻璃，外窗、幕墙和天窗传热系数均不大于0.9W/(m2·K)。

被动式外窗的安装方式一般分为内嵌式安装和外挂式安装方式，其中外挂式安装方式的安装热桥最低，因此本项目外窗采用外挂式安装，窗框内表面与基层墙体外表面齐平，门窗位于外墙外保温层内。外挂式固定连接件相邻距离不大于500mm，位于角部的连接件与角部的距离不大于150mm，且每侧连接件与外窗之间设置厚度不小于5mm保温隔热垫片作阻断热桥的处理措施，外门窗外表面与基层墙体联结处粘贴防水选汽材料，门窗内表面与基层墙体联结处粘贴防水隔气材料。外门窗安装方式采用外挂式安装。防水隔汽膜采用“L”字型粘贴方式，在外窗固定在连接件上后，再将防水隔汽膜粘贴在与墙体洞口的搭接处。粘贴前将粘贴面清洁干净，窗框与墙体间的缝隙填充发泡聚氨酯，之后粘贴防水隔汽膜。防水隔汽膜的总宽度为100mm，与框粘接宽度不小于20mm，与墙体的粘接宽度不小于60mm；防水隔汽膜的接头处搭接宽度均不小于100mm。另外外窗还设置竖向固定百叶，百叶间距800mm，综合遮阳系数为0.70，并且紧邻外窗设置电动遮阳外百叶，电动百叶遮阳系数0.28～1.0，中庭天窗在室内侧设置电动活动遮阳帘。

3.3 无热桥节点处理

无热桥处理遵循避让规则、击穿规则、连接规则和几何规则。针对项目热桥产生的节点特点，如保温层连接部位、外窗与结构墙体连接部位、管道等穿墙或屋面部位以及遮阳装置等部位，灵活采用上述规则进行节点处理。①保温板固定采用断热桥锚栓；②外窗采用外挂式安装，与外墙平齐安装，窗框和托架之间增加隔热垫块；③幕墙龙骨与墙体预埋件之间增加隔热垫块；④活动外遮阳、固定竖向铝板的连接件与基层墙体之间设置保温隔热垫片；⑤所有穿外墙和屋面的水管、线管、新风管等都进行断热桥处理，首先将管道临时固定于墙体预留孔洞或套管内，管道应位于孔洞中央，管道与孔洞或套管间填充保温材料；⑥岩棉板、挤塑聚苯板双层铺设时，分层错缝铺贴；⑦屋面设备基础保温与屋面连续保温，连接件出挑位置加不少于5mm隔热垫块，降低热桥影响，并且太阳能集热器基础不在屋顶结构层生根，不破坏屋顶保温层；⑧地下室顶板保温层沿墙体往下延伸1m，降低热桥对能耗的影响。

3.4 高效热回收新风系统

本项目办公区域采用两管制主动式冷梁加新风系统。屋顶设集中转轮式全热回收机组提供一次新风，机组全热回收效率不小于60%。各层新风机房另设二级新风机组，对送风进行冷热加湿再热等处理后，接至末端冷梁设备，末端风管上设置定风量阀。新风机组风量标准满足8m2/人、30m2/（h·人）的使用需求。新风机组除提供空调新风满足卫生标准外，还负责担负办公区的湿负荷控制。

实验室基础新风系统与其它各层办公的新风系统合用。屋顶设集中转轮式全热回收机组提供一次新风，机组全热回收效率不小于70%。一层新风机房另设二级新风机组，对送风进行冷热加湿等处理后，送至各房间。新风机组风量标准满足10m2/人、44m2/（h·人）的使用需求。

3.5 精细的气密性措施

气密层应连续并包围整个外围护结构，一般气密层位于外围护结构内侧，并应选择专业的气密性材料对围护结构渗漏部位进行封堵形成完整气密层，对于外门窗等产品本身也须达到相应的气密性等级，如选用高气密性外门窗，外窗气密性能达到GB/T31433-2015《建筑幕墙、门窗通用技术条件》的8级，玻璃幕墙气密性达到该标准的4级，超低能耗与非超低能耗区的分界门及外围护门均采用被动式密闭门（个别门根据防火分区要求同时需具备相应等级的防火功能），其气密性等级不应低于8级。对于外墙轻质砌块墙体部分需采用抗裂砂浆进行抹灰，抹灰厚度不小于15mm。对于穿围护结构管道、外门窗等与墙体间的缝隙则在室内侧粘贴防水隔汽膜，室外侧粘贴防水透汽膜。

3.6 可再生能源应用

本项目实验室部分设计有集中生活热水系统，其热源由太阳能系统提供，用于自行车通勤员工的淋浴用水及食堂厨房用热水。太阳能集热器摆放在楼顶，保温水箱、循环水泵等设备放置在地下室一层的热水机房内。太阳能供水系统只循环不增压。当太阳能热源热量不足时，冬季由市政热力供热，夏季由地源热泵余热供热。

采用地源热泵系统作为冷热源，以满足地块可再生能源利用的要求，同时利于降低建筑能耗。地埋管换热器共计钻井数量250口，井深110m，钻孔直径为180mm，埋管型式为双U垂直式，埋管间距为3500～4000mm，将所有的井分为2个区域。共设置2组分集水器，放置在3个检查井里。地埋管系统埋地水平干管采用直埋敷设，最上层埋管顶部应在冻土层以下0.4m，且距离地面1.8m，避开其他管线。地源热泵系统夏季冷冻水提供两种水温，低温冷冻水供回水温度为7/13℃，主要用于实验区空调，及科研办公区的湿负荷控制；高温冷冻水设计温度16/19℃，用于2～6层科研办公区的冷梁系统，负担室内显热负荷。按照负荷计算，考虑到生活热水负荷需求，夏季向土壤的散热仍大于冬季供暖吸取的热量，因此在系统中设置冷却塔以平衡冬夏负荷的不均。

4 气密性测试

气密性测试是指通过鼓风门试验测得在室内外压差50Pa的条件下建筑每小时的换气次数。气密性检测前，建筑物围护结构包括所有穿墙洞口、门窗应已完工，且所有气密性措施应已完成，对本项目的气密性措施进行全数检查，如对外窗气密性、外围护结构上所有气密性处理措施进行检查。对所有与室外联通的管道开口进行临时封闭措施，如对屋顶抽油烟机排风口进行临时性封堵，关闭新风系统的进风口和出风口的阀门，地漏等部位进行水封等。该项目于2021年9月依据GB/T34010-2017《建筑物气密性测定方法 风扇压力法》对项目进行气密性检测，检测结果为在正负压差50Pa时建筑换气次数为0.55次/h，达到北京市超低能耗建筑示范项目建筑换气次数0.6次/h的要求。

5 能耗计算

在建筑能耗方面，采用能耗模拟软件验算该项目能耗为供暖需求为20.08kWh/(m2·a)，供冷需求为18.89kWh/(m2·a)，总的一次能耗为7.04 kgce/(m2·a)，该项目供暖、制冷和照明的总能耗在现行国家标准GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》的基础上降低62.93%，满足北京市超低能耗建筑示范项目的要求。

6 结语

本文以某超低能耗公共建筑示范项目实际案例为背景，依据项目设计参数，结合项目特点及相关标准要求，采取适宜的围护结构保温做法、外窗安装方式、断热桥措施、气密性措施、高效全热型新风热回收系统及可再生能源利用技术等。该项目已通过气密性测试及示范项目验收具有较强的示范意义。本文正是通过该项目展现超低能耗建筑的设计思路及技术路线，以期助力超低能耗建筑项目实现规模化的推广应用。