建筑節(jié)能任重道遠：裝配式建筑在超低能耗建筑領(lǐng)域的發(fā)展

一、超低能耗建筑、裝配式建筑的發(fā)展

1. 建筑節(jié)能任重道遠

中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)布的《中國建筑能耗研究報告(2017年)》中，首次公布了建筑能耗數(shù)據(jù)，其中，中國房屋建筑在全壽命周期中消耗的能源占全國總能源消費的40%~50%，這說明，建筑能耗對環(huán)境、資源占用影響巨大。因此建筑節(jié)能是實現(xiàn)我國域綠色低碳發(fā)展的關(guān)鍵。

據(jù)國家10部委聯(lián)合發(fā)布的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021年)》中的數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，我國北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206億平方米，取暖用煤年消耗約4億噸標煤，供熱平均綜合能耗約22千克標煤/平方米。由此可見，北方地區(qū)冬季取暖的能源消耗是建筑能耗的重要指標。也是對環(huán)境污染、霧霾產(chǎn)生的重要因素之一。因此推進清潔取暖、提升節(jié)能標準是實現(xiàn)去煤化、降低碳排放的重要舉措。

2. 超低能耗被動式建筑技術(shù)

超低能耗被動房技術(shù)起源于瑞典，由德國研發(fā)并實施應(yīng)用的一種高舒適度、高節(jié)能的建筑技術(shù)。“被動房”是由瑞典隆德大學(xué)(Lund University)的阿達姆森教授(Bo Adamson)和德國的菲斯特博士(Wolfgang Feist)于1988年首先提出這一概念。

超低能耗被動式建筑基本原理是得熱與失熱的平衡。建筑得熱主要有太陽輻射、建筑設(shè)備散熱、人體散熱和供暖系統(tǒng)，一般建筑因節(jié)能措施不好，為了室內(nèi)溫度維持在18℃以上，在冬季不得不依靠供暖系統(tǒng)。

超低能耗建筑技術(shù)，采用熱平衡設(shè)計原理，爭取在不供暖的條件下，實現(xiàn)建筑的得熱和失熱的平衡。通過采用5項關(guān)鍵技術(shù)(即高性能外圍護系統(tǒng)、高性能外窗、氣密性、斷熱橋設(shè)計和高效換熱新風(fēng)系統(tǒng))實現(xiàn)高節(jié)能、高舒適的建筑目標。

3. 超低能耗被動式建筑在中國的發(fā)展

自2010年起，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化促進中心與德國能源署(DENA)在中國合作推動被動式超低能耗建筑。2015年，國務(wù)院在《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》中要求大力發(fā)展綠色建筑，推進城鄉(xiāng)發(fā)展從粗放型向綠色低碳轉(zhuǎn)變。到目前為止，全國范圍的被動式超低能耗建筑取得了長足的發(fā)展。河北、山東省、北京等多個省市出臺了被動式超低能耗建筑的地方標準或技術(shù)導(dǎo)則，全國已經(jīng)完成了幾十個超低能耗建筑項目，建筑面積達一千多萬平方米，除了應(yīng)用于住宅建筑，還應(yīng)用到辦公、幼兒園、展廳、學(xué)校等多種建筑類型。

4. 我國75節(jié)能建筑與超低能耗被動式建筑

我國現(xiàn)行的節(jié)能建筑標準(如75節(jié)能)，一般采用多項關(guān)鍵約束性指標來判定是否節(jié)能。通過測算，在北方寒冷地區(qū)(如北京)，采用75節(jié)能標準的多層住宅建筑，其實際采暖能耗水平大約為60~75kWh/(m2·a)。同樣的建筑如果采用超低能耗被動式技術(shù)，采暖能耗不超過15kWh/(m2·a)。實際工程中采暖能耗還會更低，以節(jié)能建筑的標準衡量，可達到90節(jié)能的效果。由此可見，超低能耗被動式建筑比75節(jié)能建筑的節(jié)能效果大大提高了。這是由于超低能耗被動式建筑比75節(jié)能建筑在外墻保溫系統(tǒng)、門窗性能等方面有更高的要求，同時增加了新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，采取無熱橋、高氣密性的構(gòu)造措施，取消了冬季采暖系統(tǒng)，從源頭上降低了建筑能源消耗，減少排放，從而有效改善大氣環(huán)境。

5. 裝配式建筑技術(shù)

與超低能耗建筑技術(shù)相比，裝配式建筑技術(shù)是通過建筑工業(yè)化，減少現(xiàn)場濕作業(yè)，減少建筑垃圾、縮短建造工期等，實現(xiàn)保護環(huán)境、節(jié)約能源的目標，也是推進生態(tài)文明的重要的綠色建筑技術(shù)。

2016年2月，國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，意見指出：大力推廣裝配式建筑……加大政策支持力度，力爭用10年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%。推廣建筑節(jié)能技術(shù)，提高建筑節(jié)能標準，推廣綠色建筑和建材。支持和鼓勵各地結(jié)合自然氣候特點，推廣應(yīng)用地源熱泵、水源熱泵、太陽能發(fā)電等新能源技術(shù)，發(fā)展被動式房屋等綠色節(jié)能建筑。

2017年，住建部頒布的GB/T 51129—2017《裝配式建筑評價標準》，對裝配式建筑提出了具體的評價要求，明確主體結(jié)構(gòu)應(yīng)采用裝配式技術(shù)(包含預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等)，并對預(yù)制水平構(gòu)件、預(yù)制豎向構(gòu)件在整體結(jié)構(gòu)中占比有具體規(guī)定求;建筑應(yīng)全裝修，宜采用裝配式裝修;建筑的圍護墻和內(nèi)隔墻應(yīng)采用非砌筑，并應(yīng)達到相應(yīng)比例規(guī)定。在滿足上述最低要求同時，建筑的總體裝配率不低于50%，才能評價為裝配式建筑。

2017年5月在《北京市發(fā)展裝配式建筑2017年工作計劃》中率先明確了新建的保障性住房應(yīng)采用裝配式建筑。并對裝配式混凝土建筑的預(yù)制率提出了具體要求：即：建筑高度在60m(含)以下時，其單體建筑預(yù)制率應(yīng)不低于40%;建筑高度在60m以上時，其單體建筑預(yù)制率應(yīng)不低于20%。

為推動超低能耗示范項目建設(shè)，作為政府投資建設(shè)的保障性住房，由北京市保障性住房建設(shè)投資中心建設(shè)，中國建筑設(shè)計研究院有限公司設(shè)計的北京市焦化廠公共租賃住房項目率先實踐了裝配式建筑率及超低能耗被動房技術(shù)。

二、焦化廠公租房超低能耗被動式技術(shù)與裝配式技術(shù)的結(jié)合

1. 項目概況

項目位于朝陽區(qū)東南部垡頭地區(qū)，用地面積9.8公頃。主要用于建設(shè)公共租賃住房。其中公租房建筑面積23.5萬平方米，戶型套數(shù)共計4646套。

超低能耗示范項目確定為該項目的三棟裝配式住宅樓(17#、21#、22#公租房)，示范建筑面積29400m2，戶數(shù)560戶。其中，21#、22#公租房高度為80m，結(jié)構(gòu)體系中水平構(gòu)件采用預(yù)制裝配式生產(chǎn)，其他部分為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。17#公租房高度為60m，結(jié)構(gòu)體系中水平構(gòu)件及豎向構(gòu)件中的外墻構(gòu)件均采用預(yù)制裝配式生產(chǎn)，是預(yù)制全裝配式混凝土建筑。三棟住宅樓公共區(qū)域和套內(nèi)全部采用裝配式裝修，全裝修交房。

2. 遇到的問題

超低能耗建筑技術(shù)在本項目的實踐過程中遇到了很多前所未有的難題。

(1)戶型面積小，層高低，要配置陽臺，這些對超低能耗技術(shù)實施提出了許多限制條件。因此在確定能耗指標，解決設(shè)備管線對空間占用問題，無冷橋設(shè)計方面做了大量研究和突破。

(2)項目中的兩棟建筑高度為80m，目前在這樣高度范圍的被動式建筑設(shè)計在國內(nèi)外尚無先例，也沒有與預(yù)制剪力墻體系結(jié)合的成功案例，因此這也成為本項目的技術(shù)研究和創(chuàng)新的關(guān)鍵。

(3)項目中的另一棟建筑高度小于60m，需采用預(yù)制混凝土夾心保溫外墻技術(shù)，因此預(yù)制外墻的保溫系統(tǒng)超低能耗性能設(shè)計、被動外窗的與預(yù)制外墻的連接技術(shù)等都需要大量的創(chuàng)新研發(fā)。

3. 解決的措施

(1)合理的能耗控制

根據(jù)北京市公租房設(shè)計導(dǎo)則的要求，公租房的戶型均為60m2以下的小戶型，戶均2.5人。示范項目的三棟樓分的戶型的建筑面積分別為40m2、60m2兩種，與國內(nèi)其他的超低能耗住宅相比，戶均建筑面積減少了1/3到1/2。這樣，人體散熱對能耗計算的影響要比一般商品房住宅大很多。冬季，由于大量的人體散熱，建筑采暖能耗需求很低，只有不到1kWh/(m2·a)，但夏季的制冷能耗達到27kWh/(m2·a)，超過了超低能耗被動房設(shè)計導(dǎo)則的一般要求。確定這種小戶型的能耗指標應(yīng)按全年總能耗進行控制，不得超過30kWh/(m2·a)。

這種小戶型對建筑朝向、開窗等要求很高，因此，在進行群體住宅規(guī)劃時，朝向應(yīng)作為重點考慮的因素，在規(guī)劃條件允許時，應(yīng)優(yōu)先按照南北向布置建筑物。盡量避免東西向，同時可以結(jié)合外立面和陽臺的設(shè)置做好建筑遮陽。

這種小戶型的能耗與建筑體型有較大關(guān)系，因此設(shè)計中通過減少建筑物外表面積、減小建筑面寬、加大進深，都可以有效降低建筑表面能耗。

陽臺作為公租房的必要配置，是容易產(chǎn)生熱橋的部位。本項目中采用了預(yù)制混凝土陽臺構(gòu)件，這位處理好熱橋設(shè)計創(chuàng)造了條件。設(shè)計中采用了結(jié)構(gòu)出挑橫梁的方式，預(yù)制陽臺板與建筑主體脫開，保證了外保溫的上下延續(xù)性，同時對出挑橫梁進行保溫包覆，在保溫層外側(cè)搭設(shè)小型鋼梁，上面鋪設(shè)預(yù)制陽臺板，將熱橋區(qū)域縮小到最小。

(2)超低能耗預(yù)制外墻外保溫系統(tǒng)的設(shè)計

預(yù)制混凝土剪力墻外墻板的優(yōu)點在于外墻采用結(jié)構(gòu)、外保溫、裝飾一體化，不僅實現(xiàn)了裝配化施工，還滿足了高層建筑外保溫系統(tǒng)的防火要求，同時提高了建筑外圍護體系的耐久性能。預(yù)制混凝土剪力墻外墻板由外頁板、保溫層、內(nèi)頁墻三部分組成。內(nèi)外頁板之間由拉結(jié)件進行連接。根據(jù)不同地區(qū)抗震等級的設(shè)計要求，拉結(jié)件的長度有一定限制，這也就限定了保溫層的厚度。北京地區(qū)抗震等級按8度設(shè)防考慮，內(nèi)外頁板之間保溫層的厚度一般不能超過9cm。

根據(jù)北京的氣候區(qū)及超低能耗被動房對能耗指標的要求，設(shè)計外圍護的傳熱系數(shù)不能超過0.15W/(m2·K)。我們對幾種保溫材料進行成本與性能的對比分析，確定采用兩種保溫材料組成復(fù)合保溫層—石墨聚苯板和VIP真空絕熱板，既能滿足超低能耗的技術(shù)要求，又能滿足預(yù)制混凝土外墻板的構(gòu)造要求。

外墻預(yù)制構(gòu)件在工廠加工時，保溫層在模板內(nèi)按照拉結(jié)件排布鋪設(shè)，兩層保溫錯縫鋪貼，避免了錨栓穿透VIP真空絕熱板造成的傳熱系數(shù)損耗的情況，達到了無熱橋的設(shè)計要求。

(3)被動式外窗戶安裝方式的調(diào)整

由于裝配整體式結(jié)構(gòu)在施工過程中外立面不設(shè)腳手架，窗戶的安裝是在構(gòu)件廠生產(chǎn)構(gòu)件時在窗洞口處預(yù)留埋件，外窗在外墻施工完成后，從內(nèi)側(cè)安裝。采用吊籃的方式在外立面進行安裝也是可行的，但這種方法施工速度較慢，窗戶的重量也要有所限制。而超低能耗被動窗比一般的節(jié)能外窗重很多，從外側(cè)采用吊籃的方式進行安裝對安全性有很大影響。為解決這個問題上，我們與構(gòu)件廠及外窗廠家就型材、連接構(gòu)造等方面進行反復(fù)探討與設(shè)計研究，形成了一套解決方案。

在構(gòu)件加工廠預(yù)制外墻時，在外窗洞口附近放置一圈L型高硬度的保溫墊塊然后按正常順序制作構(gòu)件：澆筑外頁板、敷設(shè)保溫層、澆筑內(nèi)頁板。在澆筑內(nèi)頁墻時，將經(jīng)過特殊設(shè)計的外窗連接件預(yù)埋在窗洞口墻的斷面處。這種新型連接件不僅可以滿足外窗從室內(nèi)進行安裝的要求，還能將外窗固定在與外保溫材料同一投影界面，確保了保溫系統(tǒng)的連續(xù)性，有效避免了冷橋的產(chǎn)生。

(4)新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計

超低能耗建筑應(yīng)采用高效的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，通過回收排風(fēng)中的能量降低供暖與制冷的需求，實現(xiàn)超低能耗的節(jié)能目標。一般的超低能耗住宅采用戶式新風(fēng)熱回收系統(tǒng)。新風(fēng)機組可設(shè)在生活陽臺、設(shè)備間等處。而焦化廠公租房戶型面積很小，套型建筑面積只有40m2、60m2兩種，但戶均人口按2.45人/戶計算，與普通住宅計算人數(shù)相同，因此新風(fēng)量也與普通住宅一樣，為30m3/人·小時。

由于公租房面積小，層高僅為2.8m，考慮到噪聲以及進排風(fēng)的要求，新風(fēng)機的位置僅能設(shè)置在有廚房的吊頂中，要求新風(fēng)機組的尺寸規(guī)格不得大于1650mm×750mm×250mm。為降低機組運行時噪聲對住戶的影響，需降低風(fēng)管風(fēng)速，主風(fēng)管風(fēng)速和送回風(fēng)口為2~3m/s，直風(fēng)管風(fēng)速不大于2m/s，室內(nèi)空氣流速不大于0.15m/s。這種小機型產(chǎn)品目前市場上沒有對應(yīng)產(chǎn)品，必須為本項目定制研發(fā)，我們在與廠家設(shè)計研制新產(chǎn)品的同時，也從經(jīng)濟性、節(jié)能型等幾個方面對集中式新風(fēng)系統(tǒng)與分戶式新風(fēng)系統(tǒng)進行對比分析。

集中式熱回收新風(fēng)系統(tǒng)是在每層公共區(qū)域設(shè)置一臺全熱交換機組，新風(fēng)通過公共走廊向各房間送風(fēng)，衛(wèi)生間回風(fēng)經(jīng)過回風(fēng)總管和熱交換器排至室外。機組夏季制冷和冬季采暖冷熱源為高效空氣源熱泵機組。每層設(shè)室外機。每戶在入口玄關(guān)的吊頂中設(shè)置一臺新風(fēng)冷熱源一體機，對室內(nèi)的溫度進行控制。戶外陽臺設(shè)室外機，冷媒管穿居室處與窗簾盒及燈帶結(jié)合，避免了大面積吊頂，降低了裝修的成本。

三、兩種技術(shù)結(jié)合的問題與展望

目前，超低能耗建筑的建造方式多采用傳統(tǒng)的施工方式，但其外保溫系統(tǒng)和對氣密性的要求，需要較高的施工工藝才能實現(xiàn)，由此造成現(xiàn)場施工工序增加、施工組織難度增加、施工效率降低。施工質(zhì)量不容易把控等。

同時許多超低能耗項目不要求全裝修交付，因此在設(shè)計上，缺乏新風(fēng)系統(tǒng)、能耗監(jiān)控系統(tǒng)與內(nèi)裝修設(shè)計的協(xié)調(diào)，用戶在后期使用時，維修或重新裝修對有可能對建筑的氣密層造成破壞。

而在本項目的設(shè)計實施過程中，我們發(fā)現(xiàn)裝配式建筑技術(shù)能較好地應(yīng)對上述問題。工廠化加工可以通過自動化手化解復(fù)雜的施工工藝，如果將這部分工作移到工廠完成，會極大地提高現(xiàn)場的施工效率和施工質(zhì)量。裝配式裝修，采用管線與主體結(jié)構(gòu)分離的技術(shù)，建筑的維護和改造不會對氣密層造成破壞。設(shè)備點位與內(nèi)裝部品集成設(shè)計，可提升空間效率，方便面用戶使用。預(yù)制裝配式混凝土外墻具有很好的防火性能和耐久性能，能確保建筑的安全性和外保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此裝配式建筑技術(shù)與超低能耗建筑技術(shù)的結(jié)合，能更好地推進超低能耗技術(shù)的集成化、工業(yè)化，推進綠色節(jié)能建筑的發(fā)展。我們希望通過項目的努力嘗試與實踐，形成有價值的技術(shù)積淀，為促進建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供的幫助。

與超低能耗建筑技術(shù)相比，裝配式建筑技術(shù)是通過建筑工業(yè)化，減少現(xiàn)場濕作業(yè)，減少建筑垃圾、縮短建造工期等，實現(xiàn)保護環(huán)境、節(jié)約能源的目標，也是推進生態(tài)文明的重要的綠色建筑技術(shù)。以上內(nèi)容就是“建筑節(jié)能任重道遠：裝配式建筑在超低能耗建筑領(lǐng)域的發(fā)展”，更多裝配式新發(fā)展新資訊，歡迎繼續(xù)關(guān)注環(huán)球網(wǎng)校裝配式建筑行業(yè)頻道!點擊下方免費下載，獲取裝配式精華考點/課程講義。