建筑设计中超低能耗技术的运用研究

桑映辉，崔乃夫

（中国城市建设研究院有限公司，北京 100000）

1 引言

相比于其他建筑类型，超低能耗建筑技术所追求的是近零能耗，为使用者提供舒适的空间，展示以人文本的设计理念，从室内温度、空气以及湿度等多个角度展开研究，在外墙保温系统中采用升级版石墨聚苯板保证室内恒温；在外窗系统中确保气密性；在新风能系统中采用新风机组保留室内热量；利用太阳能技术实现光伏发电降低能耗，实现可持续利用。

2 工程概况

某建筑工程小区位于市中环与内环之间，共占地面积为78 378 m2，其中相关能耗指标如表1 所示。

表1 能耗关键技术指标

3 超低能耗技术核心

3.1 外墙保温技术

3.1.1 墙体保温类型

外墙保温主要分为3 道工序，分别为外墙内保温、外墙夹心保温以及外墙外保温，其中超低能耗建筑的施工过程中往往会选择后两者，根据类型和特点如表2 所示。

表2 不同保温类型及特点

3.1.2 墙体保温材料及应用

外墙保温技术是否能发挥其效能的决定性因素在于材料的选择，通常会根据其性质划分为有机材料和无机材料。有机材料常见于挤塑聚苯乙烯泡沫板、芬酸树脂保温板等，具有质量轻、吸水性弱的优势，这类材料热传导系数在0.3 W/（m·K）以下。无机材料有岩棉、中空玻化微珠等，这类材料优势在于耐久性高，不易燃烧，但保温性相对较差。目前，应用于建筑设计中的低能耗材料在不断升级，并衍生出更多新材料，如VIP真空绝热板、石墨聚苯板以及STP 超薄真空保温板，其导热系数≤0.008 W/（m·K）。石墨聚苯板导热系数0.032 W/（m·K），适用于多种建筑结构中[1]。

外墙外保温系统主要为了提升建筑的憎水性，实现方式有涂抹聚苯颗粒浆料、聚苯板薄抹灰等，首先聚苯颗粒需要去除墙面浮灰或其他物质以免影响其黏结强度，再将TS201、32.5水泥和中砂按照1∶（1.1~1.2）∶（1~1.2） 的比例拌和后涂抹墙体表面，第一遍厚度在30 mm 左右，当对表面用手按压不留痕迹时进行第二遍，厚度控制在4 mm 左右。需要注意的是，已经搅拌均匀的保温材料为避免其变质需要在3 h 内用完。完成以上工序3~7 d 后再抹保护层，将TS20R、32.5 水泥以及中砂按照（0.6~0.8）∶1∶3 的比例搅拌均匀涂抹两遍，约3~5 mm 厚，刮涂1~2 遍后等材料变干后涂抹防水材料，检查表面是否平整[2]。

3.2 气密结构

关于气密性膜的类型主要分为抹胶型气密性膜和自黏型气密性膜，在建筑超低能耗设计中比较常见的底涂胶是MS胶。通常情况下，抹胶型气密性膜不仅拥有自己的背胶部分，还要有与之相匹配的底涂胶，而自黏型气密性膜则只要有背胶即可。基于使用方式的差异，二者的检测标准也存在一定差异，这里主要检测二者的黏结强度、耐低温程度以及耐紫外线检测这3 种性能。

首先，抹胶型气密性膜和自黏型气密性膜的背胶检测所需制样尺寸为300 mm×12 mm，实验材料分为木材、塑料和铝合金；针对底涂胶黏性的检测，通常会选用尺寸为150 mm×25 mm 的制样，并用2 kg 的压辊滚动碾压，速度控制在10 mm/s，并将制样静置7 d 左右等待其固化再检测其气密性。

其次，是耐低温检测技术，采用服役耐温检测方案，将所收集的制样放置在低温状态下，经过一定时间后查看制样的黏结强度，再与常温下的黏结强度进行对比，最佳条件为低温-30 ℃，保留时间控制在16~24 h。

最后，是耐紫外检测。气密性膜会受到光照的影响，导致建筑内部气密情况不佳，因此，要对气密性膜进行耐紫外检测。经计算结果显示，全年太阳辐射能在6 000 MJ/m2，气密性膜室外检测计划要进行3 个月测试，得出3 个月紫外线能量为120 MJ/m2，再根据天数换算为1 388.4 W/（m3·340 nm）。在检测过程中利用专用辐射仪器，能量为140 W/m2，最终得出实验时间为1 388/140=9.9 d。因此，最终的检测方案是在辐照度1.55 W/（m2·340 nm）的紫外灯下照射10 d，再将其结果与正常状态下的气密性膜进行对比，从而明确其耐紫外性能[3]。

其中，针对外窗气密性的检测主要依靠硬件系统，包括供风系统检测、主机检测、高级密封塑料布与管组等，同时配合软件系统。在建筑设计相关工序完成后需要裁剪一个适合风管的尺寸，并将其密封于窗件上，连接计算机与主机，对环境、窗件等参数进行设定。系统正向加压检测流程如下所示：（1）正向预备加压；（2） 自动控制并记录静压箱100 Pa 和150 Pa 的风量值；（3）将密封胶带去除，并控制变频风机完成升压和降压的动作，记录静压箱100 Pa 和150 Pa 的风量值。

结合流体力学的相关内容可以得出，圆管内的管壁处的速度值为0，相比下管中心部分的流体黏性作用逐渐随着与管壁距离的增大，黏性会逐渐变小，流速最大值为μmax，图1 为管内流速分布图。

图1 管内流速分布图

在计算风量测量指数时需要求平均流速，数学表达式如式（1）：

对于圆管有：

式（2）代入式（1）得：

式中，qv为管道的流量，m3/h；A 为管道内部的横截面积，m2；μx为管道界面速度分布情况，m/h；r 和R 分别为在管道截面流速值达到μx时所对应的半径与实际管道截面半径，m。

3.3 新风热回收系统

新风热回收系统的研究主要针对新风风管放样和安装技术，有酚醛彩钢复合新风管，T 形、矩形风管以及矩形弯管，变径管等，按照BIM 模型画出切割线。关于PVC 管的安装需要严格遵循图纸进行现场定位，明确管道走向和各个风口的位置，做好前期安装准备工作。在熟悉图纸的过程中需要核实风管系统的各项指标是否正确，包括预留孔洞、轴线以及标高等，再进行后续工作，若存在问题需及时向监理汇报，以免造成损失。首先，需要对PVC 管路进行规定，采用支吊架、吊卡使其紧贴管壁以免松动。其次，需要用打孔机完成打孔工序，务必保证孔径和位置与设计图纸相一致，若存在问题需要联系相关单位。最后，是吊架、风管之间距的问题，水平方向固定卡的最佳距离为1 m，垂直方向则为1.5 m。

3.4 可再生能源

我国太阳能资源全面总量在3 350~8 370 MJ/（m2·a），每年2/3 地区的太阳辐射量在5 000 MJ/m2以上，将太阳能技术应用于超低能耗建筑中能够进一步缓解能源消耗问题，实现资源利用最大化。在应用过程中分为主动式和被动式技术两种，主动式包括太阳能热利用和光伏发电，被动式技术主要为集热储热墙。在建筑设计超低能耗技术中，光伏发电技术的应用能够直接转换太阳能，成为能够并入电网供建筑使用的能源，将电池板安装在屋面，并根据建筑的具体结构，形成里面与玻璃结合的幕墙，从而最大化地利用建筑自身结构优势，既不会造成其他影响，又能适当遮阳。在设置太阳能光伏板时需要结合建筑围护结构，确保将二者分离开，以免由于温度过高对建筑外表的材料造成影响，尤其针对防火效果弱的材料。在隔离的空腔中需要做好通风处理，分为自然通风与机械通风。自然通风主要依靠建筑结构设计情况，机械通风则用排风扇、鼓风机等设备。针对太阳能光伏发电，相关研究者提出设计立面开口的光伏幕墙，能够降低空气夹层温度。

太阳能空调系统所采用的超低能耗技术是利用集热器来驱动热力制冷，通过集热系统、蓄能系统、空调末端系统等组合而成。在应用过程中，单效溴化锂与水吸收式制冷技术逐渐完善，具有循环性能系数COP 高、对温度条件依赖性不强的优势，得到建筑设计领域的青睐。部分研究人员对热源泵系统进行研究，能够起到直接取暖的作用，太阳能集热器能够回收一部分新风，并采取加热的方式为室内提供暖气，通过建模分析发现，太阳能空气源耦合系统能够实现70%以上的热源供给，热源泵系统能够充分利用太阳辐射。

4 结语

在多数资源不可再生的大环境下，节能一直是我国建筑领域的重点研究内容，为了进一步降低建筑对能源资源的消耗，需要从多个角度进行分析，在确保建筑室内舒适度的同时兼顾节能效果。从外墙保温的角度分析，根据不同地区的需求采用适当材料，能够提升建筑的保温性和隔热性，降低夏季和冬季的空调能源消耗，同时确保外窗结构的气密性和稳定性，采用多种检测方式加以检测，提升资源的循环利用。加大对可再生资源的研发力度，利用建筑结构的优势开发太阳能资源，有效降低能耗问题，实现可持续发展。