被动超低能耗装配式建筑围护结构设计方法研究

李纪伟，郭娟利，张苓芝

（1.河北大学建筑工程学院，河北 保定 071002；2.天津大学建筑学院，天津 30072；3.北京天鸿圆方建筑有限责任公司，北京 100062）

1 研究背景

随着我国对环境保护的日益重视，为了应对环境问题，装配式建筑和被动式超低能耗建筑成为我国建筑行业的主要发展方向。我国最新颁布的“十三五”规划将“绿色建筑和建筑工业化”作为重点专项进行研究[1]，同时，住建部也提出了要在全国不同气候分区积极开展被动超低能耗建筑建设示范活动的要求[2]，这也对装配式建筑的节能问题提出了新的要求。目前，装配式建筑和被动超低能耗建筑一般是分开进行研究，但是作为未来的发展方向，二者必将进行结合，形成被动超低能耗装配式建筑。我国装配式建筑围护结构的节能设计大多采用现行的节能标准进行，适用性较差，很难满足未来发展的需求，需要对装配式建筑进行被动超低能耗方面的研究，而围护结构设计是建筑节能的重点，因此有必要对被动超低能耗装配式建筑的围护结构节能设计展开研究。

2 被动式超低能耗建筑特点分析

被动式超低能耗建筑是由瑞典隆德大学的Bo Adamson教授和德国被动建筑研究所的Wolfgang Feist博士共同提出的一种建筑理念。其主要目标是通过使用被动技术，依靠太阳能、人体热量、电气热量、自然通风技术等使建筑不依靠采暖和制冷设备，将室内温度控制在20～26℃之间[3]。被动超低能耗建筑主要在地域气候环境处理、围护结构保温隔热系统、门窗系统、新风热回收系统以及无热桥设计和气密性方面与传统建筑由较大的区别[4]。

2.1 地域气候条件

地域气候条件是限制建筑形式与构造方式的重要条件，而相对于传统建筑而言，被动超低能耗建筑需要对地域气候条件进行更为细致和严格的气候条件分析，这是由于被动超低能耗建筑主要依靠被动技术手段而非人工技术对建筑内部的物理环境进行控制，达到人体舒适度需求，地域条件的不同会限制不同被动技术措施的使用。因此，需要对地域气候条件进行详细分析，使室内微气候达到相应的要求。

2.2 高性能外围护结构保温技术

被动超低能耗建筑的围护结构保温隔热系统要比传统建筑要求更高，在使用EPS作为保温材料时，保温层厚度能够达到200～300mm，而传统建筑通常只有50～100mm[5]。这种厚度的保温层为围护结构的构造设计带来了很大的难度，尤其是装配式建筑的围护结构需要进行现场吊装，如何能够保护好保温层是一个较难解决的问题。

2.3 高效节能的门窗系统

传统门窗系统通常采用双玻塑钢窗或断桥铝合金窗，传热系数通常约为1.6W/(m2·K)，而被动超低能耗建筑的门窗传热系数通常要求不高于0.8W/(m2·K)[6]，传统门窗技术很难达到这个要求。因此，目前一般选用三玻两腔或四玻三腔的塑钢门窗或木框门窗，玻璃中间填充惰性气体，框材腔体中间填充保温材料，通过这种复杂的技术手段达到减少能耗流失的要求。

2.4 无热桥的构造设计

在传统建筑中围护结构的热桥是一个较难解决的技术问题，热桥会带来热量的流失甚至产生结露造成墙体发霉，对建筑造成损害，不利于人体健康。研究表明热桥部位单位面积的热损失远远高于其他部位，因此超低能耗建筑要求做到围护结构无热桥。

2.5 气密性要求

超低能耗建筑对于建筑的气密性也远高于传统建筑，气密性主要是指来自于建筑门窗缝隙、围护结构孔洞的空气渗透。建筑门窗的气密性分为8级，主要通过单位时间单位缝隙的空气渗透量来决定，等级越高空气渗透量越少。传统建筑达到4级左右就可以了，而超低能耗建筑的气密等级要求达到7级以上。

3 装配式建筑特点及要求

装配式建筑是指主要结构件和部品在工厂中完成生产，运送到施工现场直接拼装建造的建筑类型。装配式建筑不进行或很少进行湿作业，具有工业化程度高、施工程序少、建造速度快、环境污染小等特点。装配式建筑主要的部品和构件是在工厂生产完成的，主要包括：梁、柱、楼板等结构构件，外墙、门窗等围护构件，隔墙、阳台、空调板等辅助构件，这些构件在工厂中生产完成能够保证质量和减少误差。施工现场进行装配作业，需要大量装配机械，现浇作业大量减少，施工人员大幅减少，施工环境能够得到较好的改善。在进行主体施工时，装修工程也可以同步完成，极大的缩短了建设周期，更容易通过数字化进行管理，所有的构配件信息都能够较好的进行数字化，提高生产效率，成本会随着规模化生产逐步降低。

4 超低能耗装配式建筑围护结构构造设计方法与原则

根据超低能耗建筑的特点和装配式建筑自身的特点和要求，可以总结出超低能耗建筑围护结构构造设计的具体方法和原则。

4.1 地域气候要求

由于我国地域辽阔，气候分区较多，不同的气候分区对于建筑的围护结构要求各有不同。综合考虑地区气候是节能潜力最高的方法，我国一个有5个气候分区，在进行被动超低能耗装配式建筑节能设计时需要充分进行考虑。根据气候条件设计围护结构构造形式，在炎热地区构造形式应该以隔热为主，而在寒冷地区构造形式应该以保温为主。

4.2 便捷性要求

尽管超低能耗装配式建筑的外围护结构构造比传统建筑围护结构构造更为复杂，但是仍然需要遵循便捷性原则。保温层、门窗等附属构件要与主体结构进行便捷的连接，这对构造设计提出了较高的要求。在构造设计时要充分考虑保温材料和门窗材料的易损坏性，减少安装步骤，避免安装过程中的损坏。

4.3 气密性要求

由于装配式建筑多由现场组装而成，缝隙较多，容易影响建筑整体的气密性，因此，在超低能耗装配式建筑设计的初期就应该确定气密层构造设计方案。气密性构造层很难通过预制生产现场装配来实现，因此需要在现场进行施工。在设计时需要充分考虑这个因素，对外墙与楼面、门窗与外墙、外墙与屋面直接进行无断点的构造设计，进行密封处理，减少管线穿孔，形成完整的气密性设计方案。

4.4 热桥构造处理

在进行热桥部位构造设计时需要先利用PHPP设计软件，对建筑的热平衡进行计算，在计算中需要充分考虑热桥效应。装配式建筑的热桥部位主要集中在不同部件相互连接的部位，如窗口、墙角、屋脊、檐口等部位。在这些部位要进行重点处理，如对窗口的处理方法是将窗户安装在保温材料上部，窗框的外面要完整的包裹保温材料，这样才能达到避免热桥的目的。对于其他热桥部位，则需要通过加强保温，减少外部附加构件来实现。

4.5 门窗构造设计

超低能耗建筑的门窗要选择传热系数低的门窗，玻璃一般选择Low-e玻璃，窗框在构造设计时要进行多腔体设计，与墙体连接时尤其注意热桥处理，预埋件应采用非金属构件，安装位置需要进行计算确定。

4.6 围护结构保温层构造设计

保温材料一般结构比较酥松，而且超低能耗建筑的保温层较厚，碰撞后容易损坏，因此在装配式建筑设计时要重点进行考虑。考虑到吊装的特点和要求，保温材料外部应该设置保护层，保护层能承受吊装时碰撞带来的冲击，保温层内部应预埋挂件，便于与结构部分进行安装，挂件应采用防热桥处理，减少建成后的热量损失。

5 结语

超低能耗装配式建筑是建筑产业未来的一个重要方向，但是在发展过程有很多亟待解决的问题，本文通过分析超低能耗建筑的特点结合装配式建筑的需求总结了超低能耗装配式建筑在围护结构构造设计时的原则与方法，为超低能耗装配式建筑设计提供了一定的理论支持，但是未来仍然需要大量的理论研究和实践才能真正推进这类建筑的发展。