被動式超低能耗建筑的消耗情況應(yīng)低于2016年我國建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的1/2以上;而近零能耗對消耗能耗水平要求更高，應(yīng)低于2016年我國建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的2/3以上。超低能耗以及零能耗建筑需要盡量利用建筑自身能源或可再生能源，當(dāng)建筑年度消耗能源小于或等于可再生能源年度消耗時，說明實現(xiàn)了零能耗建筑，大量技術(shù)支持是實現(xiàn)被動式超低能耗建筑低能源消耗的基礎(chǔ)。
被動式超低能耗建筑依據(jù)建筑所在地理位置與氣候條件，對建筑外圍護結(jié)構(gòu)采取一系列隔熱保溫措施，有效降低能耗，提升建筑外圍護結(jié)構(gòu)的隔熱保溫性能，對居住舒適性同樣有所提升。建筑節(jié)能要求以及外圍護結(jié)構(gòu)隔熱保溫性能受到人們極大的重視[2]。建筑外圍護結(jié)構(gòu)傳熱損失是被動式超低能耗建筑中消耗最高的，因此，研究被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)的隔熱保溫方法具有重要意義。
1 被動式超低能耗建筑能量體系
建筑能量需求邊界與建筑能源使用邊界是建筑能耗的2種邊界。室外環(huán)境與建筑物通過建筑能量需求邊界交換能量，例如，太陽輻射與室內(nèi)溫度交換、室外環(huán)境與外圍護結(jié)構(gòu)交換均通過建筑能源使用邊界交換，建筑能量需求邊界利用負(fù)荷計量，即建筑能量需求邊界為實現(xiàn)建筑所需功能與維持室內(nèi)環(huán)境所需要供給的熱能、冷能、電能等能量負(fù)荷。建筑所需要能量通過建筑能源使用邊界利用建筑的電力、空調(diào)和供暖等能源系統(tǒng)提供[3]，被動式超低能耗建筑能量邊界劃分如圖1所示。
圖1 被動式超低能耗建筑能量體系邊界劃分
由圖1可知，建筑的超低能耗可通過建筑能量需求邊界與建筑能源使用邊界2方面采取隔熱保溫技術(shù)措施實現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，越來越多節(jié)能措施應(yīng)用于各類型建筑中，采用不同節(jié)能措施的建筑，具有差異的低能耗建筑概念特點。被動式超低能耗建筑將節(jié)能技術(shù)措施應(yīng)用于建筑能量需求邊界中，將建筑能量需求降至最低[4]，不過度利用建筑能源系統(tǒng)提供建筑能源，降低建筑能源消耗實現(xiàn)超低能耗需求。被動式超低能耗建筑為起源于德國被動房概念的新型建筑類型，被動式超低能耗建筑秉持降低建筑能源需求即降低能源消耗的觀點，通過這一理念實現(xiàn)低能源供應(yīng)。
2 被動式超低能耗建筑特征
利用被動式超低能耗建筑能量體系邊界的劃分，研究其建筑特征，該被動式超低能耗建筑具有高隔熱保溫性、高保溫性門窗、高氣密性、熱回收新風(fēng)系統(tǒng)以及無熱橋設(shè)計5個特征。隨著被動式超低能耗建筑不斷發(fā)展，可再生能源的充分利用也是被動式超低能耗建筑的重要特征[5]。被動式超低能耗建筑以超低能耗實現(xiàn)居住人員的舒適與健康，高性能的隔熱保溫結(jié)構(gòu)是降低被動式超低能耗建筑能耗的核心。被動式超低能耗建筑示意如圖2所示。
圖2 被動式超低能耗建筑示意
被動式超低能耗建筑實現(xiàn)超低能耗的主要技術(shù)是以建筑能耗作為約束條件，設(shè)置優(yōu)良隔熱保溫性能的外圍護結(jié)構(gòu)。被動優(yōu)先、主動優(yōu)化是實現(xiàn)被動式超低能耗建筑的技術(shù)原則，充分利用可再生能源是被動式超低能耗建筑設(shè)計的基本路線[6]。被動式超低能耗建筑由合理的設(shè)計、高科技技術(shù)以及精細(xì)施工組成，三者缺一不可，其本質(zhì)是建筑利用有效設(shè)計方法實現(xiàn)高質(zhì)量被動式超低能耗建筑。
被動式超低能耗建筑實現(xiàn)的難點是如何集成新風(fēng)熱回收、可調(diào)遮陽、高性能圍護結(jié)構(gòu)等多種高科技建筑技術(shù)，需要一個系統(tǒng)的解決方案。太陽光、風(fēng)力、植被等自然條件均屬于可再生能源，應(yīng)大力應(yīng)用于被動式超低能耗建筑中，盡量降低建筑能耗，實現(xiàn)建筑保暖、采光要求，提高居住舒適性。同時有效降低能耗，提升室內(nèi)環(huán)境性能[7]。科學(xué)合理地設(shè)計被動式超低能耗建筑，各專業(yè)相互配合，設(shè)計科學(xué)有效的建筑方案，利用高技術(shù)設(shè)計方法提升建筑科技含量，維持被動式超低能耗建筑的可再生性能。
3 建筑外圍護結(jié)構(gòu)隔熱保溫措施
3.1 高性能隔熱保溫材料
被動式超低能耗建筑對外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能要求高于我國普通建筑的隔熱保溫要求，被動式超低能耗建筑應(yīng)以緊湊為設(shè)計原則，體形系數(shù)應(yīng)小于0.5，被動式超低能耗建筑的窗墻比對于外圍護結(jié)構(gòu)熱傳遞影響較大。被動式超低能耗建筑的傳熱系數(shù)與我國現(xiàn)行節(jié)能建筑傳熱系數(shù)對比如表1所示。
表1 被動式超低能耗建筑與節(jié)能建筑傳熱系數(shù)對比
由表1可以看出，被動式超低能耗建筑對屋面和外墻等外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)要求小于0.16W(/m·K)，而節(jié)能居住建筑屋面和外墻的傳熱系數(shù)是被動式超低能耗建筑的2.6倍左右。通過對比結(jié)果可知，只有采用導(dǎo)熱系數(shù)低的外圍護結(jié)構(gòu)隔熱保溫材料，才能滿足被動式超低能耗建筑高質(zhì)量隔熱保溫性能要求。
典型的被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成如圖3所示。
圖3 被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成
由圖3可以看出，被動式超低能耗建筑采取了膠粉聚苯顆粒保溫隔熱灰漿作為保溫隔熱層，提升建筑隔熱保溫性能。常用于被動式超低能耗建筑的保溫材料有聚氨酯、泡沫玻璃、真空絕熱板、礦物纖維保溫材料等，常應(yīng)用于被動式超低能耗建筑的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。
表2 被動式超低能耗建筑常用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)
通過被動式超低能耗建筑所處地理位置、氣候區(qū)和外圍護結(jié)構(gòu)形式，選取合適的外圍護結(jié)構(gòu)保溫材料，高性能外圍護結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)超低能耗的重要指標(biāo)[8]，具有優(yōu)良性能的保溫材料才可實現(xiàn)被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)最優(yōu)性能。
3.2 被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)無熱橋設(shè)計
被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)保溫層需連續(xù)完整，避免形成結(jié)構(gòu)性熱橋，增加能耗。被動式超低能耗建筑外圍護保溫系統(tǒng)連接錨栓應(yīng)設(shè)置阻斷熱橋措施。
建筑的熱橋會造成外圍護結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷或冷負(fù)荷，并使建筑外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面冷凝發(fā)霉現(xiàn)象概率增加，因此設(shè)置被動式超低能耗建筑的無熱橋設(shè)計對于實現(xiàn)超低能耗甚至近零能耗具有重要意義[9]。被動式超低能耗建筑要求熱橋限值為線熱橋≤0.01W(m·K)。
無熱橋設(shè)計在施工時要求較高，被動式超低能耗建筑的無熱橋設(shè)計施工過程中需實現(xiàn)不間斷保溫，施工手段要極為嚴(yán)謹(jǐn)，保證保溫層無穿透現(xiàn)象。被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)典型的無熱橋安裝方式如圖4所示。
圖4 被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)無熱橋安裝方式
由圖4可以看出，外圍護結(jié)構(gòu)的連接件與墻體之間采用了防潮保溫墊塊，可有效防止形成冷熱橋。選取專業(yè)防水透氣膜及隔汽膜，將復(fù)粘法應(yīng)用于建筑角落部位與連接部分，提高被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)門窗縫隙的氣密性，增強保溫效果[10]，具有節(jié)能意義。
被動式超低能耗建筑的外墻保溫主要包括單層保溫和雙層保溫，無熱橋設(shè)計施工時應(yīng)依據(jù)保溫形式選擇不同連接方式，單層保溫可采用鎖扣連接，雙層保溫可采用錯縫粘結(jié)。無熱橋設(shè)計施工時，外墻保溫系統(tǒng)性熱橋應(yīng)降低與建筑拉結(jié)情況。
外墻墻角應(yīng)選取成型保溫構(gòu)件避免出現(xiàn)結(jié)露情況;選取斷熱橋錨栓可有效避免被動式超低能耗建筑出現(xiàn)系統(tǒng)性熱橋;建筑陽臺板與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)斷開，有效降低外圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱橋情況，且陽臺板需利用保溫材料全部包裹提升保溫性能;管道穿過外圍護結(jié)構(gòu)時，需預(yù)設(shè)置套管，且管道周圍需選取合適保溫材料密實封閉。
3.3 被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)高氣密性設(shè)計
建筑的滲透熱損失是建筑主要能量消耗之一，因此優(yōu)良的氣密性對于被動式超低能耗建筑節(jié)能具有重要意義。被動式超低能耗建筑要求氣密性限值需≤0.6h-1，氣密性限值指基準(zhǔn)壓差為50Pa時，建筑內(nèi)部體積除50Pa時的平均空氣滲透量獲取的換氣次數(shù)。利用鼓風(fēng)門法可獲取被動式超低能耗建筑氣密性限值，利用氣密性限值可有效評估建筑的氣密性。提升建筑氣密性是降低能耗的重要方法，還可提高室內(nèi)人員居住舒適性[11]，保證室內(nèi)人員處于健康環(huán)境中。被動式超低能耗建筑典型的氣密性構(gòu)造設(shè)計如圖5所示。
由圖5可見，對被動式超低能耗建筑角落位置采取粘貼密封膠帶處理，可提升建筑氣密性。利用良好的設(shè)計、高質(zhì)量材料以及精密施工可使被動式超低能耗建筑換氣次數(shù)實現(xiàn)限值要求。被動式超低能耗建筑高氣密性施工過程中應(yīng)防止外圍護結(jié)構(gòu)氣密層被破壞[12]，若發(fā)現(xiàn)被破壞情況，需采取被動式超低能耗建筑專用氣密性材料封堵被破壞點，若破壞地點為外圍護結(jié)構(gòu)窗框處，密封處理應(yīng)更加精細(xì)。
3.4 被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)門窗設(shè)計
被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)門窗設(shè)計需滿足穿過玻璃窗戶熱量高于透過玻璃窗戶造成的熱損失，且門窗遮陽措施是被動式超低能耗建筑的重要部分，要求所設(shè)計遮陽措施可有效降低因夏天直射造成的冷負(fù)荷。鋁包木框和PVC型材是被動型超低能耗建筑窗戶的常用材料，需填充保溫材料于窗戶內(nèi)部，門窗玻璃的最低要求為雙Low-E三玻兩腔中空玻璃，采用該材料可有效降低窗戶熱量損失，提升被動式超低能耗建筑高保溫與高氣密性[13]。被動型超低能耗建筑中典型的被動式窗戶如圖6所示。
圖5 被動式超低能耗建筑典型的氣密性構(gòu)造設(shè)計
圖6 典型的被動式窗戶
被動式超低能耗建筑外門窗玻璃部分傳熱系數(shù)應(yīng)小于0.8W(/ m·K);太陽能總透射比應(yīng)大于等于0;選擇性系數(shù)應(yīng)盡量高。被動式超低能耗建筑外窗應(yīng)選取具有持久性密封材料至少3道;外門窗應(yīng)具有極好的水密、氣密以及抗風(fēng)壓性能，外門窗的水密性、氣密性和抗風(fēng)壓性能應(yīng)分別≥6級、≥8級和≥9級。被動式超低能耗建筑外窗需安裝在外墻外側(cè)，采用此種安裝方式可降低建筑約1/5的熱損失，利用防水透氣膜、密封膠和防水隔氣膜形成的密封連接系統(tǒng)連接外窗與墻體。
被動式超低能耗建筑對于施工精細(xì)化要求較高，選擇正確窗戶朝向可提升遮陽保溫性能，外門窗安裝位置具有阻斷熱橋作用，外圍護結(jié)構(gòu)材料需選取高性能水密、氣密材料，提升被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)的遮陽保溫性能。
3.5 建筑外圍護結(jié)構(gòu)防水隔汽系統(tǒng)設(shè)計
為避免外圍護保溫材料因潮濕降低性能，外圍護保溫材料的上側(cè)與下側(cè)需分別設(shè)置防水層和蒸汽阻攔層，可有效避免外圍護結(jié)構(gòu)材料潮濕，提升被動式超低能耗建筑的節(jié)能性能。被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)具有屋面保溫系統(tǒng)和外墻保溫系統(tǒng)厚度大、門窗系統(tǒng)傳熱系數(shù)低且氣密性高的特點，利用以上特點實現(xiàn)超低能耗建筑的節(jié)能設(shè)計[14]。被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)全部選取高性能材料，維持材料干燥是建筑外圍護保溫材料發(fā)揮優(yōu)良性能的必要條件。
3.6 建筑外圍護結(jié)構(gòu)遮陽設(shè)計
建筑受太陽輻射影響可有效降低冬季供暖能耗，但夏季太陽光過度照射，空調(diào)能耗有所增大，為提升被動式超低能耗建筑的節(jié)能效果，建筑的東、西、南方向外窗應(yīng)設(shè)置遮陽措施。可調(diào)節(jié)外遮陽技術(shù)是應(yīng)用于被動式超低能耗建筑較為廣泛應(yīng)用的遮陽措施，利用可調(diào)節(jié)外遮陽技術(shù)可有效阻擋夏季來自太陽光輻射的熱量，冬天通過可調(diào)節(jié)外遮陽技術(shù)營造適合人類長時間居住的照明環(huán)境。可調(diào)節(jié)外遮陽技術(shù)可依據(jù)太陽光照強度不斷調(diào)節(jié)遮陽卷簾，獲取最理想的遮陽效果。遮陽設(shè)計時，應(yīng)考慮自然采光與遮陽效果2個方面，不斷模擬自然采光，獲取最適宜被動式超低能耗建筑實現(xiàn)節(jié)能目的的開窗大小和遮陽效果。
4 被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)隔熱保溫結(jié)果討論
被動式超低能耗建筑是基于節(jié)能理念的新型建筑，具有提升居住人員舒適度、營造健康環(huán)境的特點，在崇尚健康與節(jié)能理念的現(xiàn)代社會，將逐漸普及到城鎮(zhèn)建設(shè)中。被動式超低能耗建筑以科學(xué)理念為基礎(chǔ)，以建筑新概念為核心，受到政府大力支持，將會具有廣闊發(fā)展空間。
被動式超低能耗建筑不僅可應(yīng)用于低度供暖需求的南方，具有高度供暖需求的北方地區(qū)節(jié)能效果更具優(yōu)勢。有研究表明[15]，居住建筑在經(jīng)濟與技術(shù)2方面更容易實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，被動式超低能耗建筑應(yīng)先重視發(fā)展北方和居住建筑，在技術(shù)成熟情況下全面發(fā)展南方地區(qū)以及公共建筑。被動式超低能耗建筑作為超低能耗甚至零能耗領(lǐng)路者，為我國建筑行業(yè)做出貢獻，科學(xué)合理標(biāo)準(zhǔn)是維持建筑行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的先決條件。越來越多的專家學(xué)者致力于研究被動式超低能耗建筑，開發(fā)被動式超低能耗建筑評估工具，研究更適用于被動式超低能耗建筑的技術(shù)以及保溫材料，研發(fā)眾多可提升被動式超低能耗建筑設(shè)備，為我國建筑節(jié)能發(fā)展提供有效依據(jù)。
5 結(jié)論
被動式超低能耗結(jié)構(gòu)采用外護結(jié)構(gòu)蓄熱和自然通風(fēng)，降低室外溫度波動，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度控制在人體可接受溫度范圍內(nèi)。因此，提出被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)隔熱保溫方法。首先確定被動式超低能耗建筑能量體系的2種邊界為建筑能量需求邊界和建筑能源使用邊界，然后通過能量體系分析被動式超低能耗建筑的5個特征，即具有高保溫隔熱性、高氣密性、熱回收新風(fēng)系統(tǒng)、高保溫性門窗和無熱橋設(shè)計。研究被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)隔熱保溫方法，得出結(jié)論如下：
(1)提升被動式超低能耗建筑氣密性可增加室內(nèi)人員居住舒適性，保證室內(nèi)人員處于健康環(huán)境中。
(2)設(shè)置被動式超低能耗建筑的無熱橋設(shè)計對于實現(xiàn)被動式超低能耗建筑的超低能耗甚至近零能耗具有重要意義。
(3)高氣密性設(shè)計可有效提升被動式超低能耗建筑節(jié)能效果。
(4)被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)門窗設(shè)計遮陽措施可有效降低因夏天直射造成的冷負(fù)荷，營造適合人類長時間居住的照明環(huán)境，獲取理想的遮陽效果。
(5)建筑外圍護結(jié)構(gòu)防水隔汽系統(tǒng)可避免外圍護保溫材料因潮濕而降低保溫性能。
關(guān)鍵詞： 結(jié)論如下 建筑節(jié)能 保溫性能 照明環(huán)境
