如何设计中国寒冷严寒区被动房外围护系统

作者：杨丹凝 吴迪  刘丛红

本文已获授权，如需转载请联系作者取得授权。原文已见刊于《建筑节能》2017年第1期，本文是根据原文改写而成，详细内容可参见杂志原文。

摘要

德国的被动房是目前世界公认的具有超低能耗、超低碳排放量、超高室内舒适度等特点的建筑技术体系。德国的气候特征与中国华北地区的气候特征具有相似性，因此研究并建造被动房对于我国建筑节能工作的发展具有重大的意义。

外围护系统作为被动房设计的重点要素，对建筑的节能效率有重大的影响。文章以寒冷、严寒气候区的被动房项目为例，对被动房外围护系统进行分析与阐述，并以秦皇岛“在水一方”被动式住宅示范项目为例，进行能耗模拟与对比分析。最终提出适合我国寒冷、严寒气候区气候特点的被动式超低能耗建筑外围护系统的设计策略。

前言

目前我国的建筑能耗总量逐年上升，在社会能源总消费量中约占 19.5%，在建筑能耗总量中，北方城镇冬季采暖能耗约占 24%，而平均单位面积供暖能耗从2001 年的 22.8kgce/㎡降低到 2013 年的 15.1 kgce/㎡，建筑能耗总量增长而能耗强度降低，体现了节能工作取得的成绩。据 2015 中国建筑节能年度发展报告研究称，能耗强度降低的主要原因为建筑保温水平的提高、高效热源方式占比提高。因此，提高外围护系统的保温、绝热性能，对于降低建筑能耗、发展建筑节能工作具有重大的作用。

被动房简介

根据被动房官方网站定义,被动房是指不借助传统的采暖方式与空调形式，仅通过预热与预冷新鲜空气，维持室内较高舒适度的房屋。德国地处欧洲中部，紧邻北海，纬度与我国东北地区相仿，而气候与我国华北地区相近。德国夏季温度为 18~30℃，冬季温度为-10~2℃，德国被动房外围护系统设计的要素在于冬季保温，而夏季制冷无要求。结合中国寒冷、严寒气候区气候特征可知，中国寒冷气候区被动房外围护系统设计需要同时考虑冬季保温和夏季制冷，而严寒气候区则只需要重点考虑冬季保温。到目前为止，在我国寒冷、严寒气候区已经建成或正在设计、施工中的被动房项目有 20 项 ，对这些示范项目的总结与分析，对于被动房在中国的推广与本土化有重要的借鉴意义。

已建成被动房外围护系统技术分析与研究

通过实地调研、文献研究，以位于寒冷气候区的秦皇岛“在水一方”被动式住宅示范项目（以下简称在水一方）、青岛中德生态园区被动式建筑技术体验中心（以下简称体验中心）和位于严寒气候区的沈阳建筑大学中德楼（以下简称中德楼）与小中德楼为例（四个案例项目的具体工程概况见表 1），分析其外围护系统在保温层构造、气密性、高效节能门窗、防热桥措施四个方面的建筑技术及策略，并将其与传统建筑的相关方面进行对比分析。

表 1 四个案例项目的工程概况

（ 表格根据作者实地考察、后期研究后自制）

1 保温层构造做法

被动房墙体保温层设计在材料、厚度、铺设方法、相关配件、施工工艺等方面均与一般建筑有较大区别，其墙体具有极低的传热系数（表 2）。

表 2 一般建筑保温层与被动房保温层比较

（ 表格根据作者实地考察、后期研究后自制）

在水一方的外墙保温层采用的是双层石墨聚苯乙烯板，总厚度为 250mm，相较于普通的 EPS 板或者聚苯乙烯板，石墨聚苯乙烯板抗拉强度增强，保温程度相同时厚度减少。同时石墨聚苯乙烯板内外表面均分布了燕尾槽（图 1），使得板与板之间能够插接拼装。立面转角处整体式保温层保证了保温层的完整性（图 2）。双层石墨聚苯乙烯板的铺设方式为错缝拼接，也是为了减小保温层的空气缝隙，增大气密性（图 3）。除此之外，在水一方的屋顶铺设了总厚度为 300mm 的石墨聚苯乙烯保温层，楼梯间、电梯间与住户之间的墙体铺设了 90mm 厚的挤塑板保温层，住户楼板铺设了 60mm 厚的挤塑板保温层，地下室顶板铺设了 150mm 厚的石墨聚苯乙烯板。

中德楼位于严寒气候区，对于建筑保温的要求更加严苛。外墙保温层同样采用了性能较高的双层石墨聚苯乙烯板，总厚度达 300mm，墙体总厚度达 500mm（图4），墙体传热系数≤0.12 w/(㎡·k)。据在其中的工作人员介绍，中德楼冬季的保温效果突出，大部分时间可以摆脱传统供热能源，依靠太阳辐射与室内人体和电气散发的热量；仅在极度寒冷的几天内，需要依靠空调制热，空调制热一天，室内热量许久不会流失，可保温多日，室内温度可维持在 20℃以上。

沈阳建筑大学的有关教授依据中德楼的建造经验与技术，在中德楼的南侧设计了一栋“小中德楼”，目前正在施工。小中德楼采用自主研发的新型保温材料（沈阳建筑大学正在申请相关专利），具体做法为将聚苯乙烯泡沫板揉碎后拌入混凝土骨料搅拌，灌入墙体模具中（图 5，6），该材料具有厚度更薄、传热系数更低、造价更低的优势，据中德楼项目负责人，沈阳建筑大学夏晓东教授介绍，小中德楼外墙整体传热系数约为 0.09 w/(㎡·k)。

2 气密性

建筑气密性是建筑的一项重要性能参数，在寒冷与严寒气候区，提高围护结构气密性可以大幅度减少室内热量的流失，减少供暖能源的消耗。被动房对房屋的气密性的要求为，N50≤0.6/h，即在室内外存在 50pa 压力差时，每小时的室内空气渗透量不能超过建筑总容积的 60%。气密性的关键点在于不同材料之间的连接部分，因此提高被动房气密性的重点要素为：各种穿墙管线、管道与墙体间的气密性；门窗与墙体间的气密性；构造层的气密性。

在水一方中穿墙的各种管线包括排风管道、空调排水管道、入户电线等均采用密封胶条或者密封胶进行封堵（图 7），外窗、入户门与墙体的连接固定处采用密封胶带封堵（图 8），在构造层方面，混凝土墙体的空隙处用发泡剂封堵后，在墙体外侧用砂浆封堵，内侧用水泥封堵，挖开的管道洞口等用石膏封堵。

3 高效节能门窗

外门窗系统是维护结构保温和气密性较为薄弱的环节，采用高效节能门窗在被动房的设计中至关重要。被动房外窗是目前国内市场上性能较为优越的窗户，它不仅考虑了窗户的传热系数，还考虑玻璃的太阳能总透射比等多个性能参数，从而达到集保温、隔热、隔声、不影响自然采光于一体的目的。被动房外窗与一般建筑外窗性能对比见表 3。

表 3 被动房外窗与传统建筑外窗性能对比

（ 表格根据作者实地考察、后期研究后自制）

在水一方采用 PVC 包聚苯乙烯型材三玻两空外窗（图 9），整窗传热系数为0.9w/(㎡·k)，体验中心采用铝包木型材三玻两空外窗（图 10），整窗传热系数为 0.8 w/(㎡·k)，中德楼采用 PVC 包聚苯乙烯型材三玻两空外窗，整窗传热系数为 0.8w/(㎡·k)。

4 防热桥措施

建筑热桥常见种类有：几何热桥（如立面墙脚），材料传热差异形成的热桥（如钢筋配件和混凝土砌块搭接处），集中热流形成的热桥（如贯穿部位造成的空气泄露），保温层厚度不一致造成的热桥等。为了减少冬季室内热量的流失，这些易出现热桥的部位都要经过特殊处理。被动房常见的防热桥措施主要有：立面凸起构造（如阳台）的无热桥措施；外墙结构层与立面配件之间的无热桥措施。门窗与外墙之间的无热桥措施。

在水一方和体验中心的露台与结构墙之间均断开，中间垫保温板（图 11、12、13），体验中心的外墙结构层与金属配件之间增加 20mm 橡胶垫（图 14），门窗框内部的空气缝用 20mm 橡胶条封堵（图 15），门窗与外墙连接处用岩棉封堵，这些措施均大幅度阻断了热桥。

被动房能耗模拟与对比分析

本节使用 Design Builder 软件，依据在水一方 12 号住宅楼的基本信息建立数字模型，分别依照在水一方被动式住宅示范项目的设计标准与河北省 65%节能居住建筑的设计标准设置外围护结构参数，在气象数据、用能时间表、房间功能、人员密度等参数相同的条件下进行能耗模拟，并将二者的模拟结果进行比较分析。

1 建筑模型的建立

秦皇岛在水一方 12 号住宅楼总计 18 层，层高 3 米，均为住户，建筑面积为6467 平方米，基底面积为 368 平方米，体形系数为 0.296，每层 3 户，总计 54户，建筑采用钢筋混凝土剪力墙结构，住宅东、西、南、北四个立面的窗墙比依次为 0.13、0.09、0.49、0.15。依照在水一方 12 号住宅楼的相关图纸与信息，在 Design Builder 软件中建立数字模型（图 16、17）。

2 设置气象数据

秦皇岛市位于河北省东北部，北纬 39°24′-40°37′，东经 118°33′-119°51′，气候类型为温带半湿润半大陆性季风气候，受海洋影响较大，气候较为温和，夏季温热无酷暑，冬季漫长无严寒，夏季平均最高温为 29℃，平均气温为25℃，冬季平均最低温为-9℃，平均气温为-5℃。由于 Design Builder 软件中没有秦皇岛的气象数据，因此，本节选取与秦皇岛气象数据、经纬度接近的河北省乐亭县的气象数据进行模拟。

3 外围护结构参数设置

分别根据在水一方被动式住宅示范项目的设计标准与河北省 65%节能的居住建筑的设计标准设置外围护结构参数，进而分析比较外围护结构对建筑节能效率的影响。秦皇岛市位于寒冷气候区（A）区，因此在水一方被动式住宅示范项目与河北省 65%节能的居住建筑的外围护结构参数设置见表 4.

4 建筑全年能耗模拟及结果对比

在水一方被动式住宅示范项目与河北省 65%节能的居住建筑的全年能耗模拟结果如图 18 所示，由于秦皇岛市冬季较冷，平均气温（-5℃）远低于人体所需的室内最低舒适温度（18℃），而夏季较为凉爽舒适，平均气温（25℃）接近人体所需的室内最高舒适温度（26℃），因此建筑所需的采暖能耗明显大于制冷能耗，其中在水一方被动式住宅示范项目的建筑全年采暖能耗为 50372.81kwh，除去楼梯间等非采暖空间，单位面积取暖能耗为 9.2kwh，全年制冷能耗为12840.20kwh，单位面积制冷能耗为 2.3kwh；河北省 65%节能的居住建筑的建筑全年取暖能耗为 109425.9kwh,除去楼梯间等非采暖空间，单位面积取暖能耗为19.98kwh，全年制冷能耗为24962.41kwh，单位面积制冷能耗为 4.56kwh。由于在模拟过程中所需的参数完全按照被动房设计的目标值设置，因此建筑采暖能耗模拟结果远低于被动房的采暖控制指标：房屋单位面积的年采暖需求 15 kwh。

将在水一方被动式住宅示范项目与 65%节能的居住建筑的模拟结果进行比较分析，结果见表 5。由表 5 可知，被动式住宅与 65%节能的住宅相比，一年可节约的采暖能耗为 10.78kwh/㎡ a，节约能耗率为 54%，一年可节约的制冷能耗为 2.26 kwh/㎡ a，节约能耗率为 50%，总能耗节约 13.04 kwh/㎡ a，节约能耗率为 54.1%。由此可见，提高建筑外围护结构的性能对我国现行的 65%节能建筑的节能效果具有重要的意义。

表 5 模拟结果对比表

（表格为作者自制）

对我国寒冷、严寒气候区被动式超低能耗建筑发展的启示

德国与我国寒冷地区、严寒地区的气候条件既有相似之处又有各自的特征，我们对于德国被动房的态度应该是学习并利用其适合我国国情的建筑技术，并在此基础上研究并发展本土化的节能建筑技术。

1 提高建筑外围护结构的各项性能

我国寒冷气候区、严寒气候区的外围护系统的保温性能相比于德国还有很大的差距；同时，提高外围护系统的保温性能对于降低建筑能耗具有重大的作用，外围护系统的保温性能由各种因素共同作用。首先，降低外围护系统的整体传热系数，如采用具有低传热系数的结构、保温、气密材料。其次，提高外围护系统的施工工艺。外围护系统的施工工艺严重影响了其气密性的高低与热桥的产生，提高施工的精度、改良施工的相关工艺、加强局部细节的构造设计可以大幅度增加外围护系统的气密性，防止热桥的产生，减少因施工而造成的建筑能耗；最后，使用整窗传热系数低于 2 的节能门窗。通过对于华北地区大型门窗厂的参观调研可知，如今我国制作三玻两空节能门窗的水平已经相对成熟，普及节能门窗可能性较大。

2 研发新型外围护结构材料

从目前已建成的寒冷、严寒气候区的被动房项目来看，其外围护结构均有两个共同的劣势：墙体过厚,占用建筑使用面积；造价较高，较难普及。因此研发集高保温、薄厚度、高强度、低造价于一体的新型保温材料显得极其重要。沈阳建筑大学小中德楼的新型保温材料正是相关科研人员在德国被动房、中国被动房建造经验的基础上研发出来的，这种材料既有很低的传热系数，又能降低保温层厚度，还能降低造价，具有重大的借鉴意义。

3 结合具体气候、具体民情

近几年来，寒冷、严寒气候区的雾霾状况日益严重，而与之矛盾的是中国人传统的每日开窗通风换气的习俗，中国人民趋向于完全依靠自然通风而非机械通风；同时，寒冷气候区夏季湿热，夏季不能完全依靠外围护结构隔热与自然通风，需要机械制冷，这些都是德国被动房研发者们不需要考虑的问题。因此，在我国被动房实践过程中，需要结合当地具体气候条件、具体民情，设计出本土化的被动式超低能耗节能建筑。

4 优化建筑运行管理机制

在水一方、沈阳建筑大学中德楼等被动房项目建成使用之后，基本按照设计指标高效节能地运行，这离不开建筑合理的运行管理机制和智能化管理系统平台。沈阳建筑大学中德楼中心智能化管理平台包括：楼宇自控系统、建筑弱电系统、绿色建筑检测系统和信息发布系统，各项系统协同运作，共同调节室内空气各项指标，比如，安装室内空气湿度、CO2 浓度、室内温度、室内光线照度等各项实时监测系统，随时掌握室内舒适度数据，并且根据监测的数据调节外窗遮阳百页、热回收新风系统进风与排风量、天窗开启度等，以此降低建筑运行能耗。由此可见，健全建筑运行管理机制，有利于降低建筑能耗。

结语

相比于传统建筑，被动房性能优越，极大程度降低能耗。经过几年的研究与实践，我国已在寒冷、严寒、夏热冬冷气候区完成一系列被动房项目的建造。影响被动房建筑能耗的因素复杂多样，但是外围护系统对其的影响是首要考虑的。通过对寒冷、严寒气候区若干个典型被动房项目外围护系统的实地调研与分析总结，针对该气候区的被动式超低能耗节能建筑，得出了提高其外围护系统性能的措施，期待这些成果能够对降低建筑能耗与我国节能建筑设计具有一定的参照性。

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