passivehouse.kcpc.com.cn 主办：住房和城乡建设部科技与产业化发展中心
＊该论文由住房城乡建设部建筑节能与科技司和北京建筑大学2017 开放课题“寒冷地区预制装配式超低能耗绿色建筑关键技术体系研发与评价”（项目编号：UDC2017030412）支持。
1 引言
近年来，实施绿色建筑发展策略，完善绿色建筑建设体系，加快既有建筑节能改造，大力发展绿色建材，强力推进建筑工业化发展成为建筑设计、建设发展的主流趋势。2014 年3 月中共中央、国务院印发的《国家新型城镇化规划（2014—2020 年）》
第十八章“推动新型城市建设”中明确指出：“实施绿色建筑行动计划，完善绿色建筑标准及认证体系、扩大强制执行范围，加快既有建筑节能改造，大力发展绿色建材，强力推进建筑工业化。”2016 年2 月颁布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要（2016—2020 年）》第三十四章“建设和谐宜居城市”中明确指出：“发展适用、经济、绿色、美观建筑，提高建筑技术水平、安全标准和工程质量，推广装配式建筑和钢结构建筑。”同年8 月颁布的《住房城乡建设事业“十三五”规划纲要》第十四章“大力推动建筑节能和绿色建筑”中明确指出：“在不同气候区尽快建设一批超低能耗或近零能耗建筑示范工程，发挥建筑能效提升标杆引领作用。”由此，装配式、钢结构、超低能耗三位一体的新型绿色建筑成为我国绿色建筑的未来主要发展方向，同时也是实现建筑绿色化、工业化的重要举措。
山东建筑大学教学实验综合楼以此为契机，从装配式技术体系、被动式技术体系、室内舒适性控制技术、可再生能源利用技术四个方面进行了研究与实践，并从经济性及能耗效益等方面对装配式钢结构超低能耗建筑建设进行全面分析，以期研究成果可为今后类似建设项目提供参照经验。
2 项目背景及概况
2.1 项目背景
图1 山东建筑大学教学实验综合楼效果图
山东建筑大学教学实验综合楼是国内首栋钢结构装配式超低能耗建筑，也是第一批入选山东省被动式超低能耗绿色建筑示范工程项目（图1）。
项目作为住建部国际科技合作项目及山东省被动式超低能耗绿色建筑示范工程，除在严格执行《德国被动房认证标准》的基础上，还通过装配式超低能耗建筑研究与创新实验平台开发，对国内既有装配式技术与建筑节能技术进行了改造与再升级，2017 年3 月30 日，通过德国能源署、住房城乡建设部科技与产业化发展中心专家组现场检验顺利验收。该项目为研究寒冷地区装配式超低能耗建筑适宜技术提供了科学依据和数据支持。
2.2 项目概况
项目位于山东省济南市山东建筑大学新校区图书信息楼南侧，建筑面积9721 ㎡，建筑高度23.8m，地上建筑6 层，主要功能为实验室及研究室，定位以钢结构装配式被动式超低能耗绿色建筑为建设目标。项目应用了钢结构、ALC 墙板、桁架叠合板、预制楼梯（图2~图5）等，装配率高达90%。
图2 装配式钢结构体系
图3 预制ALC 条板墙体
图4 预制桁架叠合楼板
图5 预制钢筋混凝土楼梯
为实现超低能耗目标，建筑采用了高隔热保温的围护结构体系、气密性保证技术、高效新风系统、室内舒适性控制技术及温湿度独立控制技术，其技术指标远远优于公共建筑节能标准的要求（见表1）。
表1 项目主要技术指标对比
2.3 工程特点与创新
项目建设在多个方面实现了创新：
（1）实现装配式钢结构与被动式的高效结合，创新性地完成了钢结构、ALC 板和被动式节点处理技术高效结合的专项设计方案，实现了被动式与钢结构装配式的耦合；
（2）特殊的拉结点封堵构造，使用灌浆料与挤塑板形式对拉结点进行封堵，同时保证被动式建筑所需的气密性和热工性能；
（3）突破传统钢结构建筑气密层设置方式，通过优化建筑结构设计，优化梁柱布置，减少了结构性穿越，内部使用特殊材料和构造形式，实现在钢结构建筑外墙内侧形成气密层；
（4）特有的被动式建筑外窗内置安装方式，突破传统被动式窗外挂安装方式，采用符合热工性能的被动式门窗内置安装方法。
3 技术体系研究与实践
3.1 钢结构装配式技术体系
图6 钢结构框架支撑体系
项目主体结构支撑部分以钢结构装配式建造为基本思路，钢框架结构采用H500×500×14×25 型钢，钢梁采用H550×200×10×16 型钢，连接方式为高强螺栓辅助焊接连接，总用钢量为960t 左右。每层钢结构柱64 颗，主次梁100 多件，常规跨度7.3m（最大7.6m）（图6）。采用60mm 厚预制楼板与70mm 厚现浇混凝土层的桁架叠合楼板。楼梯采用清水混凝土预制楼梯，PC 楼梯自带含防滑条、滴水线，合计22 跑。内外隔墙采用ALC 蒸汽加压混凝土条板，外墙200mm厚、容重625Kg、强度7.5MPa；内墙100/200 厚，容重525Kg、强度5.0MPa，约1 万平方米。项目还应用BIM 技术高标准、高精度实现了施工全过程模拟与监管。
3.2 被动式技术体系
3.2.1 高保温隔热性能外围护结构
项目外墙采用导热系数较小（λ=0.16W/m•k）的蒸压加气混凝土外墙板作为主体，并采用200mm 石墨聚苯板（λ=0.032W/m•k）作为外墙外保温材料，墙体整体传热系数k=0.14W/m²•k。建筑屋顶采用导热系数较小（λ=0.07W/m•k）的找坡材料水泥憎水型珍珠岩，并采用220mm 厚挤塑聚苯板（λ=0.03W/m•k） 作为屋面保温材料， 屋顶整体传热系数k=0.14W/m²•k。建筑首层地面采用220mm 挤塑聚苯板（λ=0.03W/m•k）作为保温材料。透明外门窗采用被动式节能窗，塑料窗框（外加铝合金扣板），配置双银Low-E 三层中空玻璃，中空玻璃采用暖边间隔条密封，间层填充惰性气体氩气，传热系数为1.0W/m²•K，太阳得热系数为0.32。天窗部分采用威卢克斯中悬木质天窗，传热系数为0.90W/m²•K，太阳得热系数为0.42（图7、8）。
图7 外墙外保温构造节点
图8 屋顶保温构造节点
3.2.2 高气密性构造设计
装配式超低能耗建筑气密性是影响围护结构渗透量的关键因素，采用装配式技术建设低能耗建筑，需要解决预制构件彼此间的缝隙密封问题及预制构件间的拼接、组合建造问题，其气密性薄弱点主要为：外墙挂板板间横竖板缝、外墙挂板与楼板、顶板之间的缝隙、钢梁交接气密层处。按被动式建筑气密性设计原则，项目设计了一个包裹整栋建筑围护结构的气密层，气密层材料为海吉布与15mm 水泥砂浆抹灰结合层（图9）。
图9 墙体气密性构造做法
3.2.3 自然通风组织设计
合理的平面布局形式及建筑形体设计能够促进建筑的自然通风，在过渡季节，利用“穿堂风”及中庭热压通风，提高室内环境的舒适度，减少对机械通风的依赖性，从而降低建筑能耗。项目利用外窗、内侧高窗、中庭及天窗进行自然通风（图10）。过渡季节开启背风面天窗，在室外风压和中庭热压的共同作用下，室内空气由迎风面外窗进入，从天窗、背风面外窗流出，实现室内自然通风。
图10 过渡季节室内被动式通风设计
3.2.4 可调节外遮阳技术
“过滤”与“吸收”太阳能是建筑节能的有效方式，在利用太阳能的同时也要充分考虑建筑隔热，“过滤”部分太阳能，合理的遮阳方式能够降低建筑夏季制冷能耗。建筑西向设置可调节活动外遮阳卷帘（图11），夏季开启遮阳卷帘阻挡太阳辐射进入室内，某些房间也可依据太阳光照强度自动控制外遮阳下落高度及角度。
图11 西向可调节金属百叶遮阳
3.2.5 全热回收新风系统
项目采用带热回收内冷式双冷源新风机组，机组基于高、低温两种冷源对新风进行深度处理，主要承担室内湿负荷。设置两级全热回收装置，夏季新排风通过板式全热交换器进行全热交换，实现一次回收排风的冷量，压缩机的冷凝器设置在排风侧，实现二次回收排风的冷量，全热回收效率可达80%（图12）。
图12 全热回收新风置换系统
3.2.6 温湿分控地源热泵空调系统
暖通空调系统采用地源热泵系统与双冷源温湿分控调节技术。夏季高温冷源为主冷源，负责承担全部室内显热负荷和全部新风负荷，低温冷源（新风机组自带压缩机），对新风进行深度除湿，除湿后的新风承担室内湿负荷。新风系统支管设电动调节阀，可根据室内二氧化碳浓度调节控制新风量和新风机组的启动。
3.3 室内舒适性控制技术
3.3.1 天然采光优化设计
室内天然采光设计主要针对小型研究室、大型研究室采光两种形式。对于不同功能、不同平面形式、不同需求的空间，建筑采用了不同的采光设计。济南为IV类光气候区，按照《建筑采光设计标准》规定，教育建筑办公区室内采光系数标准为3.3％，采光照度标准值450lx。
小型研究室根据柱网单元面积约为60m²，窗台高度900mm，窗户尺寸1800mm×2100mm，数量3 个，窗地面积比达到18％。根据室内采光模拟结果，显示室内采光系数平均值为5.6％，室内采光系数满足标准在3.3％以上的面积达到56％；采光照度平均值为700lx，采光照度在450lx 以上的达到66％，故室内采光情况良好（图13）。
图13 小型研究室室内天然采光分析
图14 大型研究室室内天然采光分析
大型研究室面积约为240 ㎡，窗台高度900mm，窗户数量11 个， 南侧5 个、北侧3 个、西侧3 个，窗地面积比达到18％。根据室内采光模拟结果，显示室内采光系数平均值为5.6％，室内采光系数满足标准3.3％以上的面积达到56％；采光照度平均值为700lx，采光照度在450lx 以上的达到66％，故室内采光情况良好（图14）。
3.3.2 室内外环境监测
项目在室内、室外各设有监测系统，可对室内建筑温湿度、CO2、甲醛、TVOC、Pm2.5 和噪声进行监测, 室外可实现温湿度、压力、光照、Pm2.5、PM10、CO、NO2、SO2、风速、风向、雨量和室外噪声等气象参数监测。一方面监测结果可反馈到空调、新风等设备系统，调整室内舒适性，减少系统能源消耗；另一方面，这些数据也会储存上传至实验控制平台，为后续研究分析提供数据支持（图15、图16）。
图15 室内监测仪
图16 室外监测仪
3.4 可再生能源利用技术
图17 太阳能热水供应系统
本项目利用建筑屋顶安装太阳能集热系统（图17），为整栋建筑提供生活热水，系统总集热面积30.56m²，采用集中集热分户储热的方案，以东西两套系统满足整栋建筑每天约960L 的用水总量要求。同时，为解决太阳能集热系统存在的间歇性及不稳定性问题，采用辅助加热的方式确保生活热水使用的稳定性。除此之外，建筑利用地源热泵系统满足建筑采暖制冷需求，末端采用干式风机盘管机组，全年只进行显热交换，降低一次能源需求量。
4 室内舒适性检测与能耗效益分析
4.1 室内舒适性检测
为检验教学实验综合楼的被动式设计实际应用效果，项目组对某一房间在冬季、春季无空调系统辅助采暖的前提下，进行了室内温湿度实时测试，测试结果如图18、图19 所示。
图18 冬季室内温湿度测试结果统计
图19 春季室内温湿度测试结果统计
从最终的测试结果可以看出，教学实验综合楼一年内的春季、夏季、冬季三个季节的室内温湿度环境均在被动房认证标准所要求的指标范围内，这也证明了四大技术体系的实际有效性。
4.2 能耗与环境效益分析
超低能耗建筑不仅要保证室内环境舒适性，同时建筑能耗情况及环境效益也是考虑的因素。通过对本项目进行分析，夏季制冷需求为24.2kWh/m²（图20），小于标准值规定的25kWh/m²，冬季供热需求为4.17kWh/m² （图21）远远低于标准值规定的15kWh/m²，显著降低了建筑冷热负荷需求。
图20 夏季制冷需求
图21 冬季采暖需求
将项目的最终冷热需求转换为能耗后，通过与《民用建筑能耗标准》（GB/T51161-2016）规定约束值相比，项目每年可节约非采暖用电203622.3kWh，节约采暖用煤58.9tce，节省能源费用支出15.1 万元，减少二氧化碳排放251.7 吨，建筑环境效益十分明显。
5 结语
节约建筑用能，提高建筑能效对中国实现节能减排的宏观战略意义重大。使用预制装配式技术建设的被动式超低能耗绿色建筑是我国建筑业今后长期发展的方向，对于进一步降低建筑能耗实现建筑业产业化转型升级具有重要意义。
山东建筑大学教学实验综合楼着眼装配式超低能耗绿色建筑发展亟待解决的关键问题，结合工程实践与示范，从节流、开源、产业化等方面入手，开展针对被动式超低能耗绿色建筑的钢结构装配式技术体系、被动式技术体系、室内舒适性控制技术以及可再生能源应用关键技术的研究与开发，后续将开展标准化研究，为大规模应用做好准备。
