宋 勇
(烟台飞龙集团有限公司,山东烟台 264000)
1 国外发展情况
被动房首先在德国兴起，被称为“被动房之父”的菲斯特于1991 年在德国达姆施塔特建成世界上第一座被动式房屋。德国被动房[1]是指仅利用高效保温隔热、太阳能、建筑内部得热等被动技术和带有余热回收的新风装置,而不使用主动采暖设备、实现建筑全年达ISO7730 规范要求的室内舒适温度范围的建筑。被动房舒适度核心指标包括:室内温度20～25 ℃;围合房间各面的表面温度不低于室内温度3 ℃;空气相对湿度:30%～60%;室内空气流速小于0.15 m/s; 建筑内墙严禁出现任何潮湿结露现象。
德国的住宅主要可以分为3 类：低能耗建筑、超低能耗建筑和近零能耗建筑，并且德国要实现2021 年起新建建筑达到近零能耗，2050 年所有存量建筑成为近零能耗的目标。
2 国内发展情况
在国家双碳目标的号召下，整个社会发展全面绿色转型，根据相关研究，我国建筑业全寿命周期碳排放总量占全社会碳排放总量的一半左右，而建筑使用阶段的碳排放量占建筑行业排放总量的70%～80%[2]。鉴于此，全国各地的建筑业于十四五期间掀起了被动房、超低能耗建筑的热浪。其中，河北省因工业发达，空气质量差，被动房、超低能耗建筑发展最为迅猛。2019 年，河北省高碑店市成功举办了第23 届世界被动房大会。现河北省最大的被动房社区已超过100 万m2，绿色建筑发展走在全国前列。
2014 年，山东建筑大学绿色教学实验室、青岛中德生态园被动房示范小区、济南汉峪海风二期被动式住宅区等工程相继竣工。而烟台至今仍没有超低能耗示范建筑，在借鉴河北省比较成熟的节能技术基础上，结合烟台的地区气候特征，以烟台飞龙创新研发中心工程为例，阐述对比分析现阶段绿色建筑运维阶段的节能减排技术设计与应用。
3 建筑物运维阶段耗能的主要因素
（1） 按照国家现行标准《民用建筑热工设计规范》GB50176 的规定：烟台属于寒冷A 区，须满足冬季保温要求兼顾夏季防热。因此，冬季取暖和夏季制冷将是建筑运维阶段耗能占比很大的两个部分。根据研究[3]，北京地区采暖能耗＞照明能耗＞其他设备能耗＞空调能耗，占比大小分别为38.44%、23.56%、19.48%、18.52%。
（2） 主体外维护结构做法和保温材料的选用以及窗墙面积比都对建筑耗能产生影响。从不利方面讲，窗户可造成夏季空调、冬季采暖时室内外温差产生的热量损失；从有利方面讲，冬季可通过窗户增加室内太阳辐射得热。
（3） 设备因素：建筑内的主要耗能设备有采暖制冷设备、照明设备和提供热水设备等。合理的使用高效热回收装置的节能型设备将大大降低建筑物运维阶段的耗能水平。
（4） 因地制宜地利用可再生能源，如太阳能、空气能等取之不尽且无污染的清洁能源能够补给建筑物的耗能需求。
4 本工程主要采取的节能减排技术措施
4.1 工程概况
烟台飞龙创新研发中心位于山东省烟台莱山区飞龙路1 号，属多层公共建筑，总建筑面积为16 605.89 m2；其中地上五层，功能为办公，建筑面积10 860.29 m2；地下一层，功能为车库及设备用房，建筑面积5 745.60 m2；建筑高度23.95 m，建筑结构形式为框架结构。
4.2 气密性的设计
良好的气密性可以减少建筑物冬季冷风渗透，降低夏季非受控通风导致的供冷需求增加，避免湿气侵入造成的建筑发霉、结露和损坏，减少室外噪声和空气污染等不良因素对室内环境的影响，提高室内环境品质。超低能耗建筑要求建筑物具有良好的气密性，气密性的保障应贯穿整个建筑设计、材料选择以及施工等各个环节。它是砌体、保温、门窗、通风共同作用的结果。包括气密层设计、热桥设计、墙体保温设计、低能耗门窗设计以及自然通风和遮阳设计。
气密层应连续不间断，并采取以下措施保证。
（1） 严控砌体砌筑质量，砌筑时保证墙面平整，砂浆饱满度不低于90%。
（2） 外墙内表面抹杰层应连续不间断，厚度不小于20 mm,并应采取铺设耐碱玻纤网格布、挂钢丝网等防空鼓、裂缝措施。
（3） 混凝土墙体上对拉螺栓的孔洞应采用中间聚氨酯发泡、两端膨胀水泥封堵的气密做法。
（4） 风井、管井等；电气开关、线盒、箱等穿气密层时，应采用防火密封封堵。
4.3 无热桥结构设计
热桥是指处在外维护墙体或屋面等结构部位中的钢筋混凝土或金属梁、柱、板等。因这些部位传热能力强，热流较密集，内表面温度较低，故称为热桥。
（1） 本工程采用瑞士Infomind Ltd 公司研发的flixo 软件对本工程热桥部位进行模拟优化分析，采取热桥处理措施，保证热桥部位内表面温度，降低热桥引起的热损失。钢筋混凝土柱部位的热桥处理措施见图1。
图1 钢筋混凝土柱热桥处理措施
（2） 其他部位，如悬挑雨棚梁和预埋件会穿过保温层，破坏建筑物整体气密性，本工程采取高强度硬质聚氨酯垫块隔断热桥的传导路径，其结构节点设计见图2。
图2 悬挑雨篷梁结构节点详图
4.4 墙体保温设计
据研究[4]，维护结构对建筑能耗的平均敏感度排序为外窗传热系数＞外窗遮阳系数＞外墙传热系数＞屋顶传热系数。传统建筑设计的保温通常按保温材料与维护墙体结构的位置关系分为外保温、内保温和夹芯保温3种方式，外保温将保温材料贴于维护结构外侧，缓冲了维护结构因受外界气候变化导致结构变形产生的应力，还可加强建筑热桥的保温隔热设计效果，保护了结构梁、柱和楼板，提高了主体结构的耐久性，因而特别受设计者的青睐，超低能耗建筑通常也采用外保温的形式。
（1） 优选外墙保温材料：非超低能耗建筑目前最成熟、应用最广泛的当数EPS（模塑聚苯板）薄抹杰体系，但因模塑聚苯板耐候性差、强度低的特点，已发生外墙保温大面积脱落的工程案例。超低能耗建筑通常选用石墨聚苯板，它是一种绿色环保型保温材料，其具有镜面反射太阳光辐射的优点，还有质量轻、透气性好，既能防雨水渗透又能让墙体中的潮气出去的特性；在大气中，可以较长时间的不老化、不分解。石墨聚苯板与EPS 模塑聚苯板的性能参数对比见表1。
表1 石墨聚苯板与EPS 模塑聚苯板的性能参数对比
本工程采用240 厚石墨聚苯板，双层错缝粘贴，断热桥锚栓锚固的做法,每楼层设有承托支架，外墙的平均传热系数可达K=0.16 W/(m2·K）。
（2） 非供暖地下室顶板采用在结构板上表面设置80 mm 厚挤塑聚苯板（燃烧性能等级B1 级），结构板下表面设置100 mm 厚岩棉板（燃烧性能等级A 级）。并且在高于室外地坪+500 mm 以下部分的外墙保温采用防水、耐腐蚀、耐冻融性能较好的挤塑聚苯板，且应从地上外墙连续粘贴至地下室外墙，并向下延伸至冻土层以下。
（3） 屋面保温材料采用240 mm 厚高容重石墨聚苯板（燃烧性能等级B1 级），采用聚氨酯胶双层错缝粘接，并在女儿墙周圈设置500 mm 宽岩棉防火隔离带（复合岩棉板，燃烧性能等级A级）。
（4） 经计算在上述外围护设计参数下，冬季外墙内表面温度为19.52 ℃，屋面内表面温度为19.58 ℃，均满足超低能耗建筑对室内环境的要求。
4.5 优选低能耗的门窗——FL 全隔热铝合金超低能耗系统窗
（1） 对框体结构进行优化设计，减小框体传热面积，降低热量的传导、对流和辐射。铝型材的传热系数约为160 W/(m·K)，而隔热条材质采用尼龙66+25%玻璃纤维，传热系数仅为0.3 W/(m·K)，两者相差约530 多倍。隔热条宽度由原来24 mm 增加至54 mm，隔热条的宽度增加有效阻止了型材快速热传导。
（2） 根据热量传递的对流特性，在型材结构中较大的腔体内易形成对流从而造成热量的流失。FL系统窗在铝材腔室内填充B1 级保温材料，保证在该区域内不会造成热量损失。
（3） 采用(5Low-e+18Ar+5Low-e+18Ar+5Low-e)mm厚+暖边条中空玻璃设计，避免玻璃内外侧温差过大造成结露现象，增加保温、隔音效果。
经国家建筑材料检测中心检测，FL 全隔热铝合金超低能耗系统窗较普通门窗:a 保温性能K:0.99 W（m2·K），为普通隔热铝合金窗保温性能的2 倍，节能90%以上。b.抗风压性能为5 级别，提高25%。c.隔音：31 db。
4.6 自然通风及活动遮阳设计
（1） 烟台地区空气质量优良，过渡季节和夏季温度适宜的夜间，可采用自然通风方式，根据需要手动开启外窗进行自然通风。
（2） 本工程设有中庭，中庭屋顶天窗设电动控制活动外遮阳。
（3） 工程南立面和东立面根据烟台地区太阳直射的角度设有活动遮阳板。
图3 屋顶、墙面活动遮阳板位置图
4.7 其他措施
除上述技术措施外，还优选了智能照明控制系统，选择高效节能光源和灯具，并选择LED 光源。
5 可再生能源的综合利用可补给建筑物的能耗需求
可再生能源直接利用能源转化，对环境污染少，无运动部件，噪音小，适合在建筑物上使用。
（1） 采用太阳能光伏发电，太阳能热水系统：本工程太阳能光伏板约年发电5×104kWh，相当于年节约了2×104kg标准煤，相当于年减少污染排放1.36×104kg碳粉尘、4.985×104kg 二氧化碳（CO2）、0.15×104kg二氧化硫（SO2）、0.075×104kg氮氧化物（NOX）。
（2） 采用低温空气源热泵机组（变频）作为冷热源，机组置于屋面，水泵置于屋顶机房内；机组应满足额定出水温度35 ℃时综合部分负荷性能系数IPLV (H)≥3.40，额定出水温度41 ℃时综合部分负荷性能系数IPLV(H)≥3.00，额定出水温度55℃时综合部分负荷性能系数IPLV (H)≥2.10，且COP-12 ℃不低于2.30，COP-20 ℃不低于1.80。
（3） 设置带有高效热回收装置的新风系统，本工程空调区各房间均设高效新风热回收系统，二至五层每层设新风机房，内部设置高效热回收机组。主要房间的新风热回收系统宜采用全热回收装置；全热回收装置的全热交换效率≥70%，显热热回收装置的显热交换效率≥75%。
6 工程预期节能效果
通过对本工程进行高效保温隔热的围护结构保温系统设计、热桥处理节点设计以及气密性和活动遮阳装置的设计，并采用高效新风热回收系统后，建筑能耗综合值为83.33 kWh/(m2·a)，基准建筑的建筑能耗综合值为203.42 kWh/(m2·a)，建筑综合节能率59.04%，建筑本体节能率55.19%。满足《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350-2019 中5.0.4 的要求。
总之，随着业内不断研究开发超低能耗建筑运维阶段的节能减排技术措施，绿色建筑运维阶段的能耗大幅度下降。但同时，我们为了降低运维阶段的能耗，在建造过程中也增加了材料的用量，因而增大了材料生产和运输的能耗。因此我们不仅要研究建筑物运维阶段的节能减排技术措施，还要综合考虑建筑物化阶段（原材料生产、运输、建造）以及拆除阶段的节能减排技术措施。着眼于建筑物全寿命周期内的能耗，选择绿色低碳的建筑材料，从建筑结构上进行优化，减少材料用量，降低运输距离，优先采用当地的建筑材料。根据研究数据[5]，钢结构建筑全寿命周期的碳排放总量比现浇钢筋混凝土建筑全寿命周期的碳排放总量约低7%～10%。钢结构可重复利用，更符合绿色发展，未来的我们更要研究钢结构装配式建筑的全寿命周期节能减排技术措施。
