寒冷A区超低能耗建筑围护结构热桥部位的节能设计策略——以烟台飞龙集团有限公司创新研发中心为例

徐 静,张 肖,秦桂明,王 丽,李孟庭

(1.烟台市建筑设计研究股份有限公司,山东 烟台 264000; 2.烟台大学建筑学院,山东 烟台 264005)

建筑业是我国最大的能源终端用户,全国建筑全过程碳排放总量占全国的比重超半数,其能源消耗占全社会的20%左右[1]。实现“碳达峰、碳中和”的“双碳”目标,建筑行业的绿色低碳转型势在必行。2022年,住房和城乡建设部在《建筑节能与绿色建筑发展“十四五”规划》中强调要展开超低能耗建筑建设示范并明确具体指标:要求到2025年完成建设超低能耗、近零能耗建筑5000万平方米以上[2]。据研究统计,在寒冷A区建筑的全年能耗中,供暖制冷能耗通常占40%以上,围护结构传热的热损失占建筑热损失的70%～80%[3-4]。而国家规定:寒冷A区的节能应该满足冬季保温要求并以围护结构保温性能提升为主[5]、优先考虑优化外围护结构保温隔热能力并降低建筑用能需求[6]。由此可见,热工性能良好的围护结构节点设计是寒冷A区超低能耗建筑节能设计的关键。

基于以上背景,本研究在寒冷A区超低能耗建筑项目实践、《烟台市超低能耗建筑技术导则》及《烟台市超低能耗建筑后评估导则》(烟建节科[2022]12号)编制的基础上,针对寒冷A区气候条件下普通节能建筑的典型通用节点设计与超低能耗建筑节点设计的不适配问题,以烟台飞龙集团有限公司创新研发中心项目(以下简称研发中心)为例,探讨寒冷A区超低能耗建筑围护结构热桥部位的节能设计,提出适合寒冷A区超低能耗建筑发展的节点优化策略。

1 研发中心围护结构热桥部位的节能设计实践

1.1 项目概况

依据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[6]、《建筑节能气象参数标准》[7],烟台市在节能设计中属寒冷A区。作为北方地区冬季清洁取暖试点城市,烟台市大力推广建设超低能耗建筑。研发中心则是首批通过超低能耗建筑评审的首个公共建筑,在寒冷A区超低能耗建筑项目示范推进中极具代表性。研发中心(图1)位于山东省烟台莱山区飞龙路1号,总建筑面积16 605.89 m2,其中:地上五层,主要功能为科研办公、培训会议、行政管理,建筑面积10 860.29 m2;地下一层,主要功能为车库、设备用房,建筑面积5 745.60 m2。建筑高度23.95 m,为多层公共建筑。

图1 创新研发中心效果图

1.2 节能设计指标

根据徐伟等[8]对美国现行节能标准ASHREA90.1—2016的研究,我国寒冷A区和美国气候相似地区公共建筑围护结构传热系数如表1所示。比较后可发现:我国寒冷A区公共建筑的外墙传热系数稍优,外窗传热系数与美国气候相似地区的指标基本持平,而屋面传热系数则稍差。综合而言,我国现行寒冷A区节能标准是科学可行且具有国际参考价值的。因此,按照我国《近零能耗建筑技术标准》[9],建筑综合节能率≥50%、本体节能率≥25%、能耗综合值与参考值相近,基本上即可表明其达到国际上认可的超低能耗公共建筑能耗指标要求[10]。

表1 我国寒冷A区和美国气候相似地区的公共建筑外围护结构传热系数对比

依据设计图纸并结合节能计算报告书,通过节能计算发现研发中心建筑体形系数为0.24(≤0.30),符合紧凑型设计原则。利用Design Builder软件建立研发中心的能耗分析模型,按设计建筑实际朝向为0°,依次旋转 90°、180°、270°建立基准建筑模型,设计建筑与基准建筑全年供暖、供冷、照明、生活热水、电梯的各类分项能源消耗和建筑能耗综合值详见表2,通过表2数据测算得出:建筑综合节能率ηp=|ED-ER|×100%/ER=59.04%(≥50%)、本体节能率ηe=|EE-ER|×100%/ER=55.19%(≥25%),达到规范要求的超低能耗公共建筑能耗指标。其中,ED和ER分别为设计建筑和基准建筑的建筑能耗综合值,EE为设计建筑不含可再生能源发电的建筑能耗综合值。

表2 创新研发中心能效指标

1.3 围护结构主要热桥节点的优化方案

文献[11-12]显示,考虑热桥传热的综合外围护墙体传热系数将是主墙体传热系数的1.2～1.8倍,通过外围护结构热桥损失的能耗可达到总能耗的20%以上。围护结构保温性能对于寒冷A区超低能耗建筑的综合能耗影响巨大。实践[13-14]也表明热桥部位会引起建筑外围护结构内表面局部低温并引发结露霉变,降低室内环境质量。更有研究[11]显示,无保温建筑中的热桥能耗损失占建筑总能耗的5%～7%,普通节能建筑中其占比升至20%。因此,超低能耗建筑(较普通建筑更节能)热桥部位是围护结构节能设计的重中之重。80%以上的常规热桥发生在不同外围护结构的交界处、门窗洞口等部位,通过创新研发中心的案例推进,针对造型及女儿墙热桥节点、门窗洞口热桥节点分别进行了专项节点设计,基于热桥计算软件flixo、三维能耗模拟软件Design Builder,进行多方案对比研究,直观地模拟检查方案中热桥节点部位设计效果。

1.3.1 造型及女儿墙热桥节点 建筑被动区体形系数越小,保温越有利,围护结构不可避免的凹凸变化会带来体形系数增大。为了维持超低能耗建筑外围护结构的完整性,可以减少插入外墙结构的连接件数量或在连接部位增设加隔热垫块的方式降低系统性热桥;或将悬挑的构件与主体结构分离,断开线热桥以消除结构性热桥。前者是普通节能建筑的常用方法,虽可减低传热系数,但并不能改变建筑被动区的体形系数;后者是超低能耗建筑中节能设计的常用方法,此方法将不规则形体分割为近似规则的体块,研发中心在设计初期即通过设置变形缝来有效降低建筑被动区的体形系数(图2),以便于后期围护结构主要节点部位的热工性能调整。

图2 变形缝断热桥

在控制体形系数的基础上,研发中心女儿墙构造节点推演模拟三种节能优化的可行性方案(图3)。具体方案为:外侧100 mm厚XPS保温,墙顶及墙内侧不设保温(方案a);外侧240 mm厚XPS保温,墙顶及内侧全包100 mm厚XPS保温(方案b);外侧240 mm厚XPS保温,延伸至墙顶,墙顶及内侧全包100 mm厚XPS保温,屋面保温穿透墙体(方案c)。三种女儿墙热桥的保温节能优化方案的热桥模拟结果(计算软件flixo)与成本费用见表3,与常规厚度保温方案(方案a)相比,加厚保温全包方案(方案b)和穿透方案(方案c)可分别降低53%和76%的热桥值,但方案c施工工序复杂,成本也将增高160%,在保证建筑效果的前提下,最终选取了较为经济合理的加厚保温全包方案(方案b),提高了热桥部位节能设计的经济性,同时又能有效控制增量成本。

表3 女儿墙热桥值(计算软件flixo)与成本费用

图3 女儿墙热桥的保温节能优化方案

由于该方案的最大特色在于有意突出外形挑檐(图1),因此在热桥部位的节能设计中,须考虑人视角度下挑檐外形的舒展效果。在不考虑节能的施工图设计中,此类外形转折通常采用平挑楼板下挂吊顶找平的方法(图4方案a),其特点是:保温转折较多,热桥值为0.218 W/(m2·K),且吊顶交接处易开裂;优化后的普通节能建筑的通常方法为结构降板,板底平梁底且顶部回填找平(图4方案b),由于保温构造厚度几乎不变,仅增加了找平层热阻,其特点是:综合热桥值为0.215 W/(m2·K),且结构荷载较大、钢筋量增加;最终的优化方案中,节点采用板底平梁底、保温填平的方案(图4方案c),将热桥部位的设计简化,减少保温材料的厚度变化,其综合热桥值提升至0.201 W/(m2·K),有效地降低了热桥部位的传热系数,提升了保温效率。

图4 挑檐造型热桥保温构造推演

1.3.2 门窗洞口热桥节点 气密性成为门窗洞口热桥部位设计的关键因素之一。在设计研发中心的正负零穿楼板处的风管洞口节点时,最初是依据现行规范将管井土建砌筑、内衬风管(图5方案a),在风管与洞口封边梁的交界处无任何密闭处理,其气密性指标(即换气系数N50)可高达20.0 h-1以上。而超低能耗建筑的常规方法是将风管的外侧增加保温,由于保温与土建间并不能完全密封,通常将机房整体划至被动区,采取增设被动门以及机房外围整体增加保温的方法以保证节点气密性 (图5方案b,N50≤1.0 h-1)。在实际的工程中,对方案b进行了优化,在管道、橡胶保温与洞口封边梁间增加防水隔汽膜(图5方案c),其气密性可达到N50≤0.6 h-1(达到超低能耗居住建筑气密性要求)。

图5 门窗洞口热桥构造推导

在保证洞口气密性的基础上,大量文献[15-16]表明外窗热损失占建筑外围护结构整体热损失的40%～50%。在外窗节点推敲中,区别于普通保温建筑常见的居中安装外喷保温浆料(图6方案a)、超低能耗建筑常见的外挂式被动窗(图6方案c),研发中心采用内嵌玻纤增强聚氨酯附框的节点处理方式(图6方案b)进行窗口断热桥,三种方案的热桥模拟结果及成本费用见表4。经过对烟台市整体施工队伍的调研,方案c的施工返工率高,给气密性检测与后期维护带来极大困难,故考虑到当地施工技术水平与安装费用,选取方案b作为最终的窗口节点方案,确保断热桥处理效果的长期稳定。

表4 窗口热桥值(计算软件flixo)与成本费用

图6 窗口部位断热桥保温构造示意

2 寒冷A区超低能耗建筑围护结构热桥部位的节能设计策略

外围护结构热桥部位据其产生原因可分为结构性热桥和系统性热桥[17-18]。结构性热桥是由于外围护结构造成保温层减薄或不连续所形成的热桥,此类热桥须尽量通过无热桥设计来消除热桥;系统性热桥则由联结保温材料与外围护结构的锚栓或连接件等所形成,此种热桥是由保温系统引发,不可避免地须进行断热桥处理以削弱热桥。在寒冷A区超低能耗建筑项目实践和《烟台市超低能耗建筑技术导则》编制的基础上,通过上述主要节点的优化推敲设计,我们尝试提出寒冷A区超低能耗建筑围护结构热桥部位的节能优化策略。

2.1 进行断热桥处理,减少热传递与体形系数

针对同一建筑,不同的被动区划分形式将导致不同的热桥处理方式及体形系数,如“1.3.1”小节中,适当地设置变形缝断热桥,将有效地优化降低超低能耗建筑的热传递与体形系数。

2.2 提升保温效率,降低传热系数

超低能耗建筑较普通节能建筑而言,热桥部位能耗损失更为明显,如“1.3.1”小节中的女儿墙及挑檐处理既可避免保温材料外形变化、削弱土建结构外形转折,又可减少结构性热桥并提升保温效率。

2.3 保证整体气密性,优化密封性能

气密性是保证超低能耗建筑外围护结构的保温性能稳定的重要控制性指标,在风压、热压作用下,气密性能与空气渗透率相关,如“1.3.2”小节中的门窗洞口处节点,气密性能等级越高,由空气渗透导致的热损失越小。

2.4 考虑当地技术水平,落实施工可行性

不同地区的施工人员的技术水平参差不齐,超低能耗建筑要求样板先行亦有此考量。需要考虑施工技术水平,保证当地施工技术可以实现节点设计,确保节点的施工可行性。“1.3.2”小节中的门窗若施工不到位,填堵措施处理不当,将直接在平整部位产生大量非设计因素的结构性热桥,严重影响超低能耗建筑的气密性和保温性能。

2.5 多方案对比,综合考虑经济性

在热桥部位的节能优化设计过程中,如“1.3.1”小节中的女儿墙和“1.3.2”小节中的门窗节点,增加保温厚度和修改节点构造等均可达到相似的节能效果。应选取经济合理的方案,在不明显降低节能水平的情况下对比优化构造、降低节点成本。

综上所述,烟台飞龙集团有限公司创新研发中心在适应烟台地区气候特征和基地周边场地条件的基础上,通过被动式超低能耗建筑设计最大幅度地降低了建筑能耗损失,是极具代表性的寒冷A区超低能耗公共建筑项目。热桥部位是外围护结构热工性能的薄弱环节,通过对案例的施工图设计以及后期调研、相关理论研究,总结归纳出超低能耗公共建筑的外围护结构热桥部位节能设计应当针对超低能耗关键技术进行合理优化设计:提升保温效率、进行断热桥处理、完善气密性、考虑施工可行性及综合经济性。