高速公路服务区被动式超低能耗建筑实践研究

 河北工业大学

苑广普 矫立超 戎贤 孔祥飞

河北曲港高速公路开发有限公司

杨志强

近年来，中国高速公路建成里程大大增加，由此造成的能源消耗也大幅度增长，相关研究表明交通运输行业能源消耗占总能源消耗的20%。高速公路服务区作为一种特殊类型的交通建筑，能够向广大司机、乘客及工作人员提供餐饮、购物、停车、加油、住宿等服务，是人们出行所需的重要场所之一，目前，随着高速公路沿线的大力建设，“节能”、“健康舒适”逐渐成为一种重要理念，也对附属设施建设提出了更高的要求，除了要满足常规使用功能外，还要具有可持续性，因此在在高速公路附属建筑采应用被动房技术成为一种新的建设方向。本文围绕曲港高速公路博野服务区被动房项目的设计展开研究，对有关技术要点进行介绍，并对建筑能耗进行模拟，论证各项指标是否满足技术要求，同时分析被动房的节能性，从而得到被动房对高速公路的适应情况。

1  项目概况

博野北区被动房项目位于河北省保定市，属于曲阳至黄骅港高速公路曲阳至肃宁段。项目定位为综合性建筑，层数2层，高度14.8m，总建筑面积约2600m2，除公共厕所及连廊外，餐厅、超市、客房、会议室均属于被动房设计内容，建筑面积约2100m2。公厕的人员流动过于频繁，建筑气密性无法保证，因此不宜设计成被动房，按照普通服务区建筑标准进行设计。服务区整体设计效果如图1所示。博野区被动房在最大程度遵照德国标准的前提下，结合河北省规范和做法进行设计，首层和二层建筑平面图如图2所示。

图1 博野区被动房设计效果图

图2 建筑平面图

2  评价指标及关键技术

2.1 被动房评价指标

被动房设计的核心是在满足室内人员舒适的前提下达到低能耗的标准，所有相关技术都是围绕这个核心展开实施，被动房屋空间调节的年度能源需求比同一几何体的传统隔热建筑低75%～95%。根据德国被动房研究所及河北省被动房设计标准，本被动房的设计指标如下:

2.2 被动房关键技术

为了达到相关指标要求，博野北区被动房采用了无热桥的外保温系统、高效节能门窗系统、外遮阳系统、带热回收的新风系统、地源热泵系统5项技术措施。

2.2.1 无热桥的外保温系统

外墙、屋面、地面、门窗处节点设计如图3所示。寒冷地区冬季室内外温差大，采暖期较长，提高建筑外围护结构的保温性能对降低采暖能耗作用显著。被动式房屋为了达到良好的保温效果，保温层通常很厚，且应严格遵守标准对防火设计构造材料性能、工法做出的规定。通过对国内市场上常用保温材料的保温性能和燃烧等级进行筛选，以经济性评价选定两种保温材料———挤塑聚苯板(普通XPS，B2级)和岩棉板(A级)。由于高速公路服务区附属建筑防火等级较高，外墙保温材料采用岩棉板。与模塑聚苯板相比，挤塑聚苯板具有更好的保温性能、更大的抗压强度、更好的防水性能以及更优的性价比，因此屋顶和地面保温材料选用了挤塑聚苯板。

图3 主要部位节点设计

外保温施工时，采取了严格控制基层偏差，上下层岩棉带错缝粘贴，门窗洞口及阳角处特殊处理，采用断热桥锚栓及双层网格布;勒脚起步及层间采用托架，悬挑长度为2/3保温层厚度等技术措施，经红外线热成像仪对建筑外立面检测发现，整个立面无明显热桥，保温隔热性能优良。屋面保温层与外墙的保温层连续，避免结构性热桥;保温层靠近室外一侧设置防水层并延续到女儿墙顶部盖板内，使保温层得到可靠防护;对女儿墙等突出屋面的结构体，其保温层与屋面、墙面保温层连续，避免出现结构性热桥。外墙外侧保温层与地上部分保温层连续，保温层延伸到地下结构部分，避免产生热桥。

2.2.2 高效节能门窗系统

外门窗应具有良好的气密、水密和抗风压性能。根据德国被动房标准的要求，外门窗的传热系数K不大于0.8W/(m2·K)。外门窗面积一般占据整个外围护结构20%的比例，其保温隔热性能以及气密性直接关系到被动房的节能效果。本项目被动房外门窗采用外挂式，相比常规外门窗，预留洞口较小。外门窗采用断桥铝85型，采用三道耐久性良好的密封材料密封，每扇窗至少两个锁点，尽可能减少器材对透明材料的分隔。外窗均采用5三银Low－E+12(暖边充氩气)+5C+12(暖边充氩气)+5单银Low－E全钢化，遮阳卷帘遮阳系数0.4，可见光透射比0.62。2层采暖天窗满足K不大于0.8W/(m2·K)，承重构件采用木质结构，由专业厂家设计安装，保障结构和防火性能。

2.2.3 外遮阳系统

遮阳对夏季降低建筑能耗，提高室内人员舒适度有显著的效果。从节能性方面考虑，本项目采用外遮阳，其保温隔热效果要优于内遮阳，夏季可降低室内温度，节能空调能耗;冬季可减少室内热量散失，降低采暖能耗。除此之外还能明显改善室内光线的柔和度。设计方案有两种:在东、西向采用固定遮阳或移动遮阳。采用固定遮阳时，用保温材料将固定遮阳设施完全覆盖，并使其传热系数与外墙外保温系统传热系数一致，或从固定遮阳悬挑处将热桥阻断;采用移动遮阳时，移动遮阳系统与外墙外保温系统相连时，采用构造措施防止形成结构性热桥。

2.2.4 带热回收的新风系统

合理的新风系统是被动房设计的关键。本项目采用全热回收新风系统，空调末端采用风机盘管，通过新风(进风)口将经过除尘、温度及湿度等多级处理的室外新鲜空气送入餐厅、超市、休息室等功能房间，供给人均新风量30m3/(h·人)，再将室内污浊的空气由回风口排出回到全热回收新风机组，全热回收效率达到75%。让室内全天候充满新鲜空气，并保持湿度在30%～60%之间，使室内人员始终处于舒适的范围内。

2.2.5 地源热泵系统

地源属于可再生能源，是最清洁、最生态的能源之一。本项目采用先进的地源热泵技术，通过获取土壤浅层能量用以制冷(制热)，让建筑摆脱传统空调的束缚，更加节能、环保。本项目位于河北省保定境内，属于寒冷地区。由于服务区远离城市，面积开阔但供能系统缺失，而传统的锅炉供暖效率低下且污染严重，工程勘察结果评估显示土壤热交换器地源热泵系统实施可行，而土壤热物性参数测试及热响应实验结果进一步表明服务区采用地源热泵系统极为适宜。

3  能耗模拟

能耗模拟采用清华大学开发的DeST软件，以整个房间系统为基础，能够很好地反应建筑的热过程。根据设计图纸和相关设计说明进行模型建立，包括围护结构的建立，热工参数的设置，冷热负荷的计算、空调系统的设计选择，对整个空调系统一年的能耗进行逐时的模拟计算。

3.1 建筑地理位置及气象参数

模拟地点:保定市;纬度:北纬38°14';经度:114°48'。室外气象计算参数采用了保定地区典型气象年的室外气象参数，保定市各天干球温度和各月平均干球温度如图4、5所示。采暖度日数:2746.57;空调度日数:98.61;根据建筑热工分区，保定市属于寒冷地区。

图4 保定市各天干球温度

3.2 围护结构参数设置

博野区被动房围护结构的相关热物性参数均从DeST数据库中选用，如表1所示，参照依据为2.2.1屋面、外墙、外窗、地面处节点设计材料。

图5 保定市各月平均干球温度

表1 主要围护结构参数

3.3 DeST计算模型

通过DeST构建简化计算模型，如图6所示。

图6 DeST构建模型

3.4 室内参数设计

3.4.1 室内设计参数

室内设计参数主要包括温度和湿度范围以及人员新风量设定，室内空调控制温度26℃，室内采暖控制温度20℃。室内容忍温度上限29℃(即判断是否开启空调温度)，室内容忍温度下限16℃(判断是否供暖温度)。人员新风量设置为30m3/(h·人)，满足《民用建筑供暖通风与空气调节设计手册》。

3.4.2 采暖与制冷需求计算起止日期

采暖与制冷需求计算起止日期如表2所示。

表2 采暖与制冷起止时间

3.4.3 室内内热源

主要功能房间人员、照明、设备功率均满足《公共建筑节能设计标准》，通过实地调研多个典型服务区人员流动情况并对服务区主要功能区域的人流量进行统计，结果显示，服务区餐厅和超市与常规公共建筑人员作息存在明显差异，其他功能房间如客房、办公室的人员作息差异较小，按照人员作息对相应照明作息及设备作息进行调整。各主要功能区域作息如图7所示，空调作息如表3所示。

图7 人员、照明、设备作息图

表3 主要功能房间空调作息

房间通风换气次数设置为可调，最小换气次数0.2次/h，最大换气次数10次/h。地源热泵系统采用WPS070.1B机组，主要参数如下:制冷量253.6kW，N=47.5kW;制热量269.9kW，N=64.9kW。空调侧水泵:Q=46m3/h，H=32mH2O，N=11kW;地源侧水泵:Q=51m3/h，H=28mH2O，N=11kW;主要管道管径:DN150;室外布置地下换热器66个，孔深120m。

3.5 模拟结果分析

能耗模拟结果如表4所示，从模拟结果可以看出，单位面积年采暖需求为14.63kW·h/(m2·a)，满足被动房评价指标限值15kW·h/(m2·a);单位面积年制冷需求为15.8kW·h/(m2·a)，略高于评价指标限值15kW·h/(m2·a)，这是由于博野区被动房作为高速公路附属建筑，其人员流动频繁，使室内照明及空调系统设备使用率增加，造成夏季制冷能耗偏大。与我国现行节能标准不同，被动式房屋以一次能源消耗量为限制，并非采用传统的50%或65%相对指标，博野北区被动房总一次能源需108.43kW·h/(m2·a)，小于被动房120kW·h/(m2·a)的一次能源限值。通过模拟结果可以看出博野北区被动房能够满足被动房设计标准。

表4 能耗模拟结果

与常规满足节能标准的建筑相比，被动房主要加强参数如表5所示，能耗对比如表6所示。

从表5可以看出，与节能标准建筑相比，加强参数后，被动房年采暖需求减少85.5%，年制冷需求减少71.1%，空调系统累计耗冷热量减少80.4%，节能效果明显。

表5 被动房加强参数

表6 能耗对比

4  结论

博野北区被动房采用的5项关键技术对建筑能耗具有直接的影响，模拟结果表明，服务区单位面积年采暖需求为14.63kW·h/(m2·a)，单位面积年制冷需求为15.8kW·h/(m2·a)，一次能源需求108.43kW·h/(m2·a)，能够满足相关被动房设计标准，与常规节能型的公共建筑相比，博野北区被动房空调系统年累计耗冷热量能够减少80.4%，节能效果明显。

博野北区被动房项目对被动式低能耗建筑在中国寒冷地区的推广具有指导意义，有利于针对我国寒冷地区的气候条件和地理特征进行实践研究，确定有效参数设计，在原有的德国被动房设计程序上进行变通，确立符合我国国情的被动房设计准则。

（本文来源：《绿色建筑设计与评价》第335期）