北京市小户型超低能耗居住建筑技术研究

1 引言

超低能耗建筑是以超低的建筑能耗值为约束目标，具有高保温隔热性能和高气密性的外围护结构及高效热回收的新风系统，同时能够满足室内舒适性环境的建筑。

超低能耗建筑的基本原则是在冬季通过最小化热损失并最大化获取阳光，明显降低供暖需求；而在夏季通过被动窗、遮阳及朝向优化最小化获取热能，降低制冷能耗。超低能耗建筑宜采取被动优先、主动优化的技术措施，达到采暖制冷能耗的良好平衡，实现超低能耗的目标。

超低能耗建筑的基本规定是通过充分利用场地的自然资源，采取合理朝向；建筑应满足自然通风和自然采光的要求，同时降低通风和照明能耗；建筑的电器等用能设备应为符合国家相关标准的节能设备；建筑的体形系数不应大于0.4；同时外窗宜设置遮阳[1]。

本文结合北京市气候特征，对超低能耗建筑关键技术进行研究，通过新型保温墙板、高效热回收新风系统、可再生能源利用技术等新材料、新产品、新技术的集成与示范应用，建立适合北京市的超低能耗建筑技术体系，力图对超低能耗建筑的技术推进做出积极探索。

2 优良的外保温系统

从我国建筑热工设计分区来看，北京市属于寒冷地区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨。建筑应满足冬季保温要求，同时兼顾夏季防热。

超低能耗建筑优良的外保温系统既要有良好的保温性能，同时要满足现行规范的防火要求。因为在建筑中不透明围护结构热损失占建筑热损失可达70%以上，所以加强不透明围护结构的保温性能，降低其K值，可有效减少建筑能耗；同时外保温材料燃烧性能要满足GB50016-2014《建筑设计防火规范》中的要求；外保温系统和细部节点的断热桥保温处理应做到精细化施工[2]。

通过对示范项目的调研，课题组研发了满足超低能耗建筑要求的岩棉条A级外保温系统、改性石墨聚苯板B1级外保温系统和装配式预制夹心墙板系统。

2.1 岩棉条外保温系统

岩棉条外保温系统采用传热系数λ≤0.045W/(m²·K)、抗拉强度≥130kpa、酸度系数≥1.9、厚度为250mm的岩棉条，由粘锚结合、以粘为主，层间加托架的双网体系构成（见图1所示）。

图1 岩棉条外保温构造图

在确定岩棉条外保温系统构成及施工工艺后，通过建立模型进行模拟计算分析保温层厚度对建筑能耗的影响，进行耐候性试验测试系统的耐久性，通过抗风压、抗垂挂试验测试系统的安全性，同时考虑安装（层间托架）及施工方式对能耗的影响。

2.1.1 保温厚度对能耗的影响

分别采用200mm、250mm、300mm、330mm四种岩棉条厚度构成的外墙保温系统对系统的冷热需求进行比较分析，如表1所示。在考虑外遮阳影响、传热系数不同的情况下，四种厚度的外墙保温系统对冷需求几乎无影响。当保温层厚度增加至300mm及以上时，外墙保温层岩棉条厚度对热需求的影响较低。因此综合考虑，外保温系统采用厚度为250mm的岩棉条。

图2为建筑全年采暖能耗与外保温岩棉条厚度的关系曲线。当岩棉条厚度由200mm增加至330mm时，传热系数从0.2W/(m²·K)降低至0.12W/(m²·K)，而建筑全年采暖能耗仅降低0.08kWh/(m²·a)。因此从建筑能耗和经济性的角度，岩棉条厚度为250mm比较合理。

表1 不同保温厚度对能耗的影响分析

图2 采暖能耗随外保温岩棉条厚度的变化

2.1.2 耐久性

为了验证250mm厚岩棉条外保温系统在模拟自然条件下的耐久性，参照标准进行了大型的耐候性试验，如图3所示。试验中对岩棉条外保温系统进行了热雨循环80次、冷热循环5次的耐候性测试。

图3 岩棉条外保温系统耐久性试验

试验结果表明，250mm厚岩棉条外保温系统满足JGJ144《外墙外保温施工技术规程》的要求。试验后，热成像照片显示颜色比较均匀，在内外温差较大（50℃）的情况下，岩棉条之间没有热桥现象，保温隔热，耐候性良好。

2.1.3 安全性

通过抗风荷载实验来验证250mm厚岩棉条外保温系统在模拟负风压条件下的安全性，如图4所示。试验采用的岩棉条垂直板面抗拉强度大于130kpa，理论计算是安全的。试验墙通过了大型抗风压实验，证明是安全的。

通过抗剪切实验来验证250mm厚岩棉条外保温系统在自然条件下的抗垂挂能力，如图5所示。实验结果表明，托架可有效减小岩棉条外保温系统的纵向位移，提高了系统的抗剪切能力和稳定性。

图4 外保温系统抗风荷载实验

图5 抗垂挂试验墙体

2.1.4 层间托架对能耗的影响

托架方案为在每两层楼增加一层托架，托架横向间距800~1000mm。托架尺寸为L（长）×50mm（宽）×5mm（材料厚），传热系数为50W/(m²·K)；保温隔热垫片（复合材料），厚度5mm，传热系数为0.024W/(m²·K)。

模拟计算安装层间托架对保温系统传热性能的影响，通过模拟结果可知托架挑出长度在保温层厚度的2/3左右时，对系统的传热系数影响很小，如图6所示。同时，托架一定要采用隔热垫块做断热桥处理。

图6 层间托架对能耗的影响

2.2 改性石墨聚苯板+ 岩棉防火隔离带外保温体系

课题组研发出了超低能耗建筑用改性石墨聚苯板，其保温性能好，导热系数低λ≤0.032 W/(m·K)，燃烧性能为难燃B1级，产烟量低、熔融滴落物不具有引燃性、燃烧后不会产生有毒气体、氧指数高，如图7所示。物理力学性能优异，其垂直于板面方向的抗拉强度达到0.24MPa。

图7 改性石墨聚苯板

该系统采用传统的薄抹灰系统，按照GB50016-2014《建筑设计防火规范》要求，设置了防火隔离带。改性石墨聚苯板宜采用双层粘贴，具有企口的板材可单层粘贴。图8为该外保温体系的施工细节图。

图8 改性石墨聚苯板+ 岩棉防火隔离带外保温体系

3 高效节能窗系统

超低能耗建筑的设计、施工及运行以建筑能耗值为约束目标，因而，节能窗部分应采用隔热性能、遮阳性能及气密性能更高的外窗系统，同时还要满足无热桥的设计与施工。

综合来看，用于超低能耗建筑的外窗有铝合金门窗、塑钢门窗、铝包木门窗等，以铝木复合节能窗为主，开发了高效节能窗系统。

3.1 铝木复合节能窗

铝木复合节能窗的框型材采用78mm厚落叶松指接集成材，松木类的集成材导热系数值为0.13W/ (m·K)；外附20mm铝框，内填难燃高效保温材料，可将传热系数由1.8 W(m²·K)降低至1.3 W/(m²·K)，如图9所示。

铝木复合节能窗的玻璃部分采用三玻两腔一中空一真空+Low-e的复合玻璃，玻璃的配置5+18A（暖边）+5V5。主要性能指标为：传热系数0.516 W/(m²·K)，光热比1.41，太阳能总透射比0.522。

铝木复合节能窗玻璃间隔采用暖边间隔条，SWISSPACER ADBANCE舒贝舍普通型暖边间隔条，导热系数λ值为0.290 W/( m·K) 。

如图10所示，节能窗框扇搭接的密封采用了四道密封胶条的设计，形成的三个密封腔室有利于减少气体的对流，大大提高整窗的气密性。四道密封比三道密封的节能窗具有更好的密闭性能，水密性和抗风压性能分别提升一个等级，六个锁点更增加了被动式铝木复合窗的抗风压性。

图9 被动式铝木复合窗节点图

图10 被动式铝木复合窗细部结构示意图

综上，高效节能窗的设计主要考虑型材类型及结构、复合玻璃配置、密封和锁点设置等方面。主体结构为木型材，塑料连接卡扣固定铝合金型材，窗框木型材与铝框中间填充高效难燃保温材料，有效降低了窗型材的传热系数。窗玻璃系统采用三玻两腔一中空一真空+Low-E玻璃，暖边间隔条，提高了窗玻璃的保温性能。采用四道密封胶条，提高节能窗密闭性；六道锁点，提高整窗抗风压性能。

经检测，铝木复合窗窗框传热系数1.3W/(m²·K)，整窗传热系数0.8W/(m²·K)，气密性8级，水密性6级，抗风压性9级，为目前窗的最高等级；抗结露因子10级，空气隔声性能4级。产品通过了德国被动房屋研究所的PHI认证和住建部科技与产业化发展中心康居产品认证。

3.2 节能窗的安装

超低能耗建筑的东西向房间应考虑太阳日晒，为降低夏季制冷能耗，应做活动式外遮阳系统。遮阳应采用外悬式安装方式，将窗户安装在保温层内，窗户内侧粘贴防水隔汽膜、外侧粘贴防水透气膜。

安装方式不同，热桥线性传热系数和窗的安装传热系数差异较大，经模拟计算，当窗户装在砌体上导致保温层中断时，整窗的线性将由0.005W/(m²·K)增加至0.15 W/(m²·K)。节能窗的安装细节如图11所示。

图11 节能窗的安装

3.3 耐火窗的配置

超低能耗建筑用耐火窗配制如表2所示。经检测，整窗传热系数K为0.9W/(m²·K)，气密性8级，水密6级，抗风压9级，抗结露因子10级，空气隔声性能4级，露点-60℃，耐火完整性＞0.5h。

表2 耐火窗配置

4 高效热回收新风系统

在高气密性的超低能耗建筑内，为用户提供新鲜空气是不容忽视的。过滤空气中的颗粒物，可以为住户提供清洁的新鲜空气，合理的气流组织保证了送风的舒适度；安装高效热回收装置的新风系统，可将排风能量预热（冬季）/预冷（夏季）新风，从而降低能耗。高效热回收新风系统包括集中式、半集中式和分户式。

超低能耗建筑无散热器采暖，为防止冬季室内温度过低，新风系统出风温度必须满足最低要求；为保证超低能耗建筑室内温度舒适性，应始终保证新风出口温度在17℃以上。对于风机能耗，要求在输送单位体积空气时风机电耗Ws的值不高于0.45W/m3·h。从安全性考虑，新风热交换器必须采取防冻措施。尤其当新风温度低于0℃时，热回收装置排风侧由于含湿量较高，凝结的水汽有可能结冰，因此新风应有预热等防冻措施。

4.1 系统布置形式

高效热回收新风系统布置形式目前有集中式、半集中式和分户式。

集中式新风系统：采取集中布置一套或者多套冷热源，新风通过管道输送至各个房间的方式。集中新风系统通常由新风机组与配套的辅助能源系统组成，通常采用集中式新风机组+集中式辅助冷热源系统。常用于大型公共建筑的中央空调系统，风管占用部分层高，且风机输送距离长，能耗较高，该方式便于集中管理与控制。

半集中式新风系统：每层一台新风机组为每户提供新风，每户设置一台冷热源一体机，根据每户的温度条件，补充新风系统带来的热损失及冬夏季的冷热需求。新风一体机通过公共管道向各户送新风，统一通过各户的卫生间回风并通过热交换回收热量。对于集中管理的公共租赁住房和部分公共建筑，可采取半集中式的布置方式。

分户式新风系统：分户式系统新风机组集成新风及制冷制热功能通常采用空气源热泵作为辅助能源，由新风冷热源一体机、室外机等组成。超低能耗居住建筑多采用分户式新风系统，分户式系统具有设备紧凑、布置简便、输送距离短、噪音低等特点。

4.2 辅助能源形式

由于极低的能源需求，超低能耗建筑制冷/采暖的辅助能源有多种形式，比较常见的有空气源热泵辅助制冷/采暖和地道风辅助预冷/预热新风等。

空气源热泵集制冷/制热功能于一体，设备紧凑，系统布置简单，在超低能耗建筑中得到广泛应用。对于有条件布置土壤换热器的项目，地道风也可以作为新风预冷/预热的辅助能源。

5 完整连续的气密层

气密层是指建筑中无缝隙的可阻止气体渗漏的围护层。超低能耗建筑中优良的气密性可有效降低采暖负荷、提高人员的居住舒适度、避免室内结露发霉、减少噪音和空气污染，因此通过在建筑内围护结构形成完整连续的气密层来严格控制建筑内外空气的无组织流动。在建筑所有平、剖面图纸上，铅笔可沿气密层连续完整地走通，中间无中断，如图12所示。