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.pdf

书书书第 卷第 期烟台大学学报（自然科学与工程版）年 月 （）文章编号：（）：欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍氥氥氥氥 应用技术收稿日期：基金项目：山东省住房城乡建设科技计划项目（?）。通信作者：张肖（），教授，硕士，主要研究方向为超低能耗建筑、零碳建筑设计及居住区规划。寒冷 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（烟台市建筑设计研究股份有限公司，山东 烟台 ；烟台大学建筑学院，山东 烟台 ）摘要：为响应“双碳”背景下实现节能减排降碳绿色转型的需求，结合烟台飞龙集团有限公司创新研发中心项目的实践，探讨并提出了适合寒冷 区超低能耗建筑发展的围护结构热桥部位的节点优化策略，有利于解决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之间的不适配问题。关键词：“双碳”；超低能耗建筑；围护结构；建筑热桥中图分类号：文献标志码：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 左右 。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。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 年完成建设超低能耗、近零能耗建筑 万平方米以上 。据研究统计，在寒冷 区建筑的全年能耗中，供暖制冷能耗通常占 以上，围护结构传热的热损失占建筑热损失的 。而国家规定：寒冷 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 、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 。由此可见，热工性能良好的围护结构节点设计是寒冷 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 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 号）编制的基础上，针对寒冷 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 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 区超低能耗建筑发展的节点优化策略。研发中心围护结构热桥部位的节能设计实践 项目概况依据 建筑节能与可再生能源利用通用规范 、建筑节能气象参数标准 ，烟台市在节能第 期徐静，等：寒冷 区超低能耗建筑围护结构热桥部位的节能设计策略设计中属寒冷 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 区超低能耗建筑项目示范推进中极具代表性。研发中心（图 ）位于山东省烟台莱山区飞龙路 号，总建筑面积 ，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 ；地下一层，主要功能为车库、设备用房，建筑面积 。建筑高度 ，为多层公共建筑。图 创新研发中心效果图 ，节能设计指标根 据 徐 伟 等 对 美 国 现 行 节 能 标 准 的研究，我国寒冷 区和美国气候相似地区公共建筑围护结构传热系数如表 所示。比较后可发现：我国寒冷 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 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 ，建筑综合节能率 、本体节能率 、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 。表 我国寒冷 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 （）建筑部位我国寒冷 区美国气候相似地区外墙 外窗（以窗墙面积比 为例）屋面 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 （），符合紧凑型设计原则。利用 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 ，依次旋转 、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 ，通过表 数据测算得出：建筑综合节能率 （）、本体节能率 （），达到规范要求的超低能耗公共建筑能耗指标。其中，和 分别为设计建筑和基准建筑的建筑能耗综合值，为设计建筑不含可再生能源发电的建筑能耗综合值。围护结构主要热桥节点的优化方案文献 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 倍，通过外围护结构热桥损失的能耗可达到总能耗的 以上。围护结构保温性能对于寒冷 区超低能耗建筑的综合能耗影响巨大。实践 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 显烟台大学学报（自然科学与工程版）第 卷示，无保温建筑中的热桥能耗损失占建筑总能耗的 ，普通节能建筑中其占比升至 。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。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 、三维能耗模拟软件 ，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。表 创新研发中心能效指标 ，（）建筑能耗分项能耗值设计建筑基准建筑 年供暖系统 年供冷系统 年照明系统 年生活热水系统 年电梯系统 可再生能源发电 不含可再生能源发电的建筑能耗综合值 建筑能耗综合值 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 ），以便于后期围护结构主要节点部位的热工性能调整。?图 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）。具体方案为：外侧 厚 保温，墙顶及墙内侧不设保温（方案 ）；外侧 厚 保温，墙顶及内侧全包 厚 保温（方案 ）；外侧 厚 保温，延伸至墙顶，墙顶及内侧第 期徐静，等：寒冷 区超低能耗建筑围护结构热桥部位的节能设计策略全包 厚 保温，屋面保温穿透墙体（方案）。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 ）与成本费用见表 ，与常规厚度保温方案（方案 ）相比，加厚保温全包方案（方案 ）和穿透方案（方案 ）可分别降低 和 的热桥值，但方案 施工工序复杂，成本也将增高 ，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 ），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。?图 女儿墙热桥的保温节能优化方案 表 女儿墙热桥值（计算软件 ）与成本费用 （：）项目 单位方案 方案 方案 热桥值 （）人工费（元）材料费（元）措施费（元）费用总计（元）由于该方案的最大特色在于有意突出外形挑檐（图 ），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 方案 ），其特点是：保温转折较多，热桥值为 （），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 方案 ），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 （），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 方案 ），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 （），有效地降低了热桥部位的传热系数，提升了保温效率。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 方案 ），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 ）可高达 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 方案，）。在实际的工程中，对方案 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 方案 ），其气密性可达到 （达到超低能耗居住建筑气密性要求）。在保证洞口气密性的基础上，大量文献 表明外窗热损失占建筑外围护结构整体热损失的 。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 方案 ）、超低能耗建筑常见的外挂式被动窗（图 方案 ），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 方案 ）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 。经过对烟台市整体施工队伍的调研，方案 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 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。烟台大学学报（自然科学与工程版）第 卷?图 挑檐造型热桥保温构造推演?图 门窗洞口热桥构造推导?图 窗口部位断热桥保温构造示意 第 期徐静，等：寒冷 区超低能耗建筑围护结构热桥部位的节能设计策略表 窗口热桥值（计算软件 ）与成本费用 （：）项目 单位方案 方案 方案 热桥值 （）人工费（元）安装材料费（元）密封材料费（元）措施费（元）费用总计（元）寒冷 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 。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 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 区超低能耗建筑围护结构热桥部位的节能优化策略。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“”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。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“”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。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“”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。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。“”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。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“”小节中的女儿墙和“”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 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。参考文献：中国建筑节能协会中国建筑能耗研究报告 建筑节能（中英文）（）：中华人民共和国住房和城乡建设部住房和城乡建设部关于印发“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划的通知 （）：中华人民共和国住房和城乡建设部 公共建筑节能设计标准：北京：中国建筑工业出版社，崔艳秋，苗纪奎，罗彩领建筑围护结构：节能改造技术研究与工程示范 北京：中国电力出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部民用建筑热工设计规范：北京：中国建筑工业出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部建筑节能与可再生能源利用通用规范：北京：中国建筑工业出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部建筑节能气象参数标准：北京：中国建筑工业出版社，徐伟，邹瑜，张婧，等 建筑节能与可烟台大学学报（自然科学与工程版）第 卷再生能源利用通用规范 标准解读 建筑科学，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部近零能耗建筑技术标准：北京：中国建筑工业出版社，徐伟被动式超低能耗建筑国内外发展 北京：中国建筑工业出版社，孙大明，周海珠，田慧峰建筑热桥研究现状与展望 建筑科学，（）：郭骏，赵立华，马继涌，等节能建筑中热桥对供暖负荷和能耗指标的影响 暖通空调，（）：刘岩松严寒地区冬季室内结露问题分析 房材与应用，（）：，王立学，王翮，高小玉，等被动房无热桥设计研究 建筑技术，（）：魏贺东，赵及建，张福南被动式超低能耗建筑用门窗外挂安装方式研究 墙材革新与建筑节能，（）：赵学全，杨华荣，龚兴勇，等被动式建筑中高性能门窗幕墙的应用研究 施工技术，（）：李景轩，潘玉珀，房海波，等大型公共建筑被动式房屋无热桥设计与施工 绿色建筑，（）：王晶，沈勇嵬结构性热桥的线传热系数对建筑节能设计计算的影响 建筑节能，（）：?，（，；，）：，?，?：；?；（责任编辑周雪莹）