建筑节能｜基于济宁市水韵城社区23号楼的被动式超低能耗房工程案例设计研究

建筑节能｜基于济宁市水韵城社区23号楼的被动式超低能耗房工程案例设计研究

建筑节能｜基于济宁市水韵城社区23号楼的被动式超低能耗房工程案例设计研究,

　　电水壶节能建议,节能建材处,剑川县节能建筑装配式超低能耗建筑将产业化建筑与绿色节能技术结合，使得建筑过程中的能耗减小，以便于实现“双碳目标”，可持续发展目标与节能减排的实现。由于当前阶段在设计中其研究重点集中于外围护结构，通过可再生能源建筑一体化设计可实现更高效率。通过实际工程案例（以济宁市水韵城社区23号楼项目为例）分析装配式超低能耗建筑外围护结构设计，阐述了外墙保温做法，屋顶保温做法，地面保温做法，通风管穿墙保温做法，被动门、窗保温做法等内容，并对其研究过程与实践结论作了分析。有利于未来提升项目质量带动绿色节能实现建筑产业化升级。

　　被动式房屋（德语：Passivhaus）是基于被动式设计而建造的节能建筑物，“被动式设计”是由英文Passive Design翻译而来，译为应用自然界的阳光、风力、气温、湿度的自然原理，尽量不依赖常规能源的消耗，以规划、设计、环境配置的建筑手法来改善和创造舒适的居住环境[1]。被动式建筑并非完全不消耗能源，也不是某一个特定的规定与标准，而是通过设计理念前置，基本额外加装制冷、制热系统的兼顾节能与舒适的设计方案[2]。

　　现阶段的传统建筑工程在建造/使用过程中的耗能巨大，且大量的现场湿作业对周围环境造成了巨大破坏。随着“双碳目标”的提出，建筑节能与资源节约、环境保护已成为建筑从业者的共识。被动式建筑可大幅度减少建筑建造过程/使用过程中的能耗，明星提升居住舒适度。与此同时，被动式房屋也有助于提高空气质量状况、经济产业结构升级并有助于新旧能源转换[3]。

　　2016年2月6日《国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中明确提出了支持和鼓励发展被动式节能技术与绿色节能建筑。这是在全球气候日渐恶劣的前提下的积极应对方案[4]。2021年10月24日，中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布，将我国的被动式低能耗建筑更加提升了一个台阶[5]。2022年4月29日，山东省出台《山东省“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》使得被动式超低能耗建筑可取得更加的节能效果，引起了国家高度重视[6]。我国因地制宜制定建筑节能法规、节能标准，通过创新探究相关节能技术、材料[7]。由于现阶段的被动式超低能耗建筑在建筑初期投资较高，部分单位并不重视。但未来由于能源短缺，国际石油价格波动严重，被动式超低能耗建筑的低运行成本优势将会体现明显[8]。

　　根据《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》DB37/T 5074-2016以建筑能耗值为导向原则。技术指标主要包括年供暖（冷）需求指标、一火能源需求指标，气密性指标，室内环境参数指标，围护结构热工性能指标，除此之外还包含了对高效空调系统，新风系统、可再生能源系统的要求[9-10]。

　　被动房主体施工工艺与普通工程的主体施工基本一致，主体施工阶段主要的区别在于对给排水、电气、新风管道安装位置尺寸重点优化和留设，水电暖、通风管线、设备的预留预埋。被动房安装预留预埋质量的好坏取决于前的优化和施工期间的精准预留[11]。

　　该项目从基础主体结构钢筋、模板、混凝土浇筑质量、安装预留预埋的质量效果上看，经检查实测实量、验收，主体结构质量达到预期目标，安装预留预埋准确到位，满足后续被动房专项施工环境条件[12]。

　　外墙保温厚度不同：普通住宅一般粘贴的保温板设计厚度为80mm-120mm；被动房保温为250mm-350mm，且分两层错缝粘贴。

　　外窗：普通住宅外窗采用塑钢+中空两玻/断桥铝合金+中空两玻，墙体中间安装；被动房外窗采用三层中空玻璃外加遮阳，外窗安装方式为在结构墙体外挂固定。

　　暖通：普通住宅设计地暖或管道散热片、空调系统，主动供暖；被动房不需要独立的主动供暖，新风系统采用热回收集热系统。

　　无热桥设计：所有预埋件、锚栓件、出外墙管道等采用断热桥专用固定件及断热桥处理。

　　通过建筑维护结构设计，建筑无热桥设计，建筑气密性设计，均采用高效材料，控制建筑物的传热损失。采用高效新风热回收系统；基本不使用冷热源，根据气候区域不同，部分地区设置辅助冷热源；室内气流组织设计不同。

　　电气所有接线盒和固定设备的做法均增加了气密性设计，满足隔热处理要求。所有电气设备均不能设置在外墙部分，减少了对外墙保温和隔热处理的破坏。室内空调及新风系统电气专业针对性进行智能控制，定式和空气捡样分析，达到节能和室内环境综合治理的节能要求和健康要求。光源全部选择节能光源；对典型户型内的空调、照明、插座及其他项用电分别进行能耗计量，计量户数不少于同类户型总数的2%，且不少于3户；并可以调整供电方案，做到节能环保要求的技术参数。

　　济宁大运河河东片区回迁安置项目（水韵城）位于山东省济宁市任城区，隶属南苑街道管辖，地理位置优越，周边交通便利，居住人口较多，位于济宁车站西路以北，济安桥南路以西，东邻任城文体中心，西邻大运河。此小区占地面积342500 m2，住宅建筑面积952900 m2，居民4481户，39栋住宅楼（如图1）。其中23#楼被动式超低能耗绿色建筑项目面积12326m2，结构形式均为剪力墙结构，地上23层，地下2层，一梯4户，共92户。工程造价4163.45万元，开工日期2017年6月26日，竣工日期2020年7月23日。

　　该项目是山东省第一批获批的超低能耗示范项目，也是济宁第一批超低能耗示范项目，先后获得2019年度济宁市建筑工程优质结构奖和2020年济宁市勘察设计三等奖、2021年度山东省工程建设泰山杯奖。该项目充分借鉴国内、外被动式超低能耗建筑建设的经验，对于进一步提高建筑节能与绿色建筑发展水平，节约能源，减少环境污染，改善西部城区居住环境,解决城市居民住房困难，对发展周边地区的经济社会和谐发展具有重要意义。

　　（1）从方案、设计、施工、检测到竣工验收均达到超低能耗建筑标准，而且先做样板间，示范先行，指导施工，宣传推广。

　　（2）为达到更高品质的被动式建筑性能要求配置知名品牌门窗，还增加了可调节外遮阳系统，外墙、门窗、屋面、热桥部位等热工性能检测均满足修改标准要求。

　　（3）主体建成后进行了建筑室内背景噪声、主要构件隔声性能检测，均满足国家或山东省现行标准要求。

　　（4）室内配置带热回收显热75%以上，全热交换70%以上新风冷热源一体机系统。

　　（5）楼顶和每户设置太阳能生活热水系统，可再生能源利用率在75%以上，综合能源利用率在大于15以上。

　　（6）配有能源监测系统，对水、电、气耗分项计量，设置室内外PM2.5、PM10、CO2、甲醛、TOVC等指标环境监控。

　　（1）外墙保温系统：250mmB1级石墨聚苯板保温板，A级防火岩棉隔离带隔墙：不采暖一侧使用50mm的玻化微珠颗粒保温层；采暖一侧40mm的胶粉聚苯颗粒。

　　（2）屋面保温系统：屋顶与外墙交界处、屋顶开口部位四周的保温层，采用宽度为500mm的A级保温材料水平防火隔离带。

　　（3）门窗系统：外窗均采用被动房专用门窗，（5Low-E+12Air暖边+5Low-E+12Air暖边+5）整窗传热系数k

　　（4）新房系统：使用冷热源设计，采用户式热泵新风热回收机组；空调风系统采用带冷热源的新风热回收机组，该机组集新风、净化、制冷、除湿、制热功能于一体。

　　（5）地板：分隔供暖与非供暖空间楼板30mm挤塑聚苯板+板下40mm岩棉板；半地下室及地下室与土壤接触外墙：250mm挤塑聚苯板保温层；地面砖楼面：5mm隔音垫周边卷起高250mm。

　　（6）给排水：生活热水：热水采用集中-分散式太阳能系统。屋顶设置集中式太阳能板，每户卫生间内设置太阳能水箱（内含电辅助加热设备）；雨水：采用内排水，立管由户内穿越，空调凝结水集中收集后采用内排水排至雨水管网分隔供暖与非供暖空间的户门：被动房户门（多功能门）。

　　（7）门：阳台门：5+12A+5+12A+5中空玻璃隔热断桥铝合金推拉门。单元外门：被动房单元防盗保温对讲门，甲方指定。被动房单元门，传热系数不大于1.00W/（m2.K）

　　（8）能耗计量监测：此装置应能够检测室内温湿度、室内PM2.5、室内CO2浓度、室内VOC、室内照度。

　　该项目的建筑气密性完全按照《被动式超低能耗绿色建筑（居住建筑）技术导则》关于气密性设计施工的要求。建筑气密性能对于实现超低能耗目标非常重要。良好的气密性可以减少冬季冷风渗透，降低夏季非受控通风导致的供冷需求增加，避免湿气侵入造成的建筑发霉，结露和损坏，减少室外噪声和空气污染等不良因素对室内环境的影响，提高居住者的生活品质。

　　建筑设计施工图中明确标注气密层的位置，气密层连续，并包围整个外围护结构。采用简洁的造型和节点设计，减少或避免出现气密性难以处理的节点。选用气密性等级高的外门窗。选择抹灰层、硬质的材料板（如密度板、石材）、气密性薄膜等构成气密层。选择适用的气密性材料做节点气密性处理，如图2所示的紧实完整的混凝土、气密性薄膜、专用膨胀密封条、专用气密性处理涂料等村料。对门洞、窗洞、电气接线盒、管线贯穿处等易发生气密性问题的部位，进行节点设计。

　　如图3所示，新风系统采用全热回收装置，潜热交换效率约不低于75%，潜热交换效率不低于50%，项目新风量按照30m3/（h*p）设计。热回收机组单位风量耗功率不大0.45W/（m3/h），设置新风预热，预热方式为电加热，保证新风进入室内温度不低于16.5℃设置高效率空气净化装置，送风设置过滤等级F7的过滤装置，排风设置过滤等级G4的过滤装置。新风机组分50%、80%、100%三挡运行，进排风均设置消声装置，使起居室、卧室噪声小于25dB（A），厨房、卫生间噪声小于30dB（A）。为避免室外温度太低时，热回收装置内部结霜甚至结冰而损坏机组，为保障设备安全运行，新风系统一般设置预热装置，在室外温度低于-5℃时，预热装置开启。热回收机组具有旁通功能，过渡季可以充分利用自然冷源（新风）满足室内舒适度需求。

　　（1）自然通风节能技术：在过渡季节自然通风，设计阶段，通过建立计算机模型，模拟优化自然通风，设计合理的建筑布局；同时，增加外窗可开启面积。

　　（2）采暖系统节能技术：为节约成本及能源综合利用，本工程冬季供暖与夏季制冷均采用新风加空调形式，不采用集中供暖。

　　通过被动式设计使建筑减少或无需安装传统的暖通空调系统。在方案设计阶段，为限制和控制暖通技术的增量成本，将新风系统纳入建筑设计方案，并优化平面布局。送风区的所有房间必须接入新风管网，在所有排风去的房间必须有一个排风管网接入口；楼梯间、过道等作为过流区，通过空气流动间接得到送风和排风。

　　如图4所示，通风管需严格进行保温密封，做机组可以布置在室内，这样进出风管较短，而且新风吸风口距离地面较高，空气比较干净。总的设计原则是：新风机组（热交换器）应尽量靠近传热围护结构，通过热区域的冷管道或者通过冷区域的热管道距离一定要短，并且要做好保温。被动式建筑要求新风热回收机组效率≥75%，提倡在过渡季节使用自然通风技术。

　　（4）采暖空调冷热源节能技术：每户设置一套新风过滤及热交换系统。室外主机挂在外墙并采取隔断热桥处理。通过过滤的空气保证PM2.5、CO2、TVOC等指标符合相关行业标准。同时，该系统可以对室内温度进行调节。

　　（5）如图5所示，项目使用照明电气系统节能技术：本工程的建筑照明光源均采用节能型。对于楼梯间照明、地下室照明、门厅照明等均采用智能照明控制系统，可实现就地控制和远程控制。电梯及主要用能设备均使用节能型产品。

　　（6）可再生能源利用技术：本工程充分使用风能和太阳能等可再生能源，可有效减少二氧化碳及粉尘等大气污染物的排放量，具有良好的环境效益。

　　按照目前国内实施的被动式建筑的测算，居住建筑增量成本在600元/m2左右，公共建筑增量成本在1100元/m2左右；如果随着被动式建筑产品本地化，增量成本还有可能减少。（但目前建材因环保原因飞速涨价，此项不确定因素较大）按照山东省当前75%节能标准，居住建筑采暖能耗5kg/m2，建筑面积为1万m2的被动式节能房，同比可比普通住宅节约标准煤35.71吨/年，减排二氧化碳88.21吨/年，总体节能比例达到90%以上。山东省每年新建建筑7000万m2，如果有10%工程按照被动式建筑建造，在65%节能标准基础上，年节约2.5万吨标准煤，减排二氧化碳6.2万吨/年。

　　随着山东的建筑面积和建筑市场逐年递增，为技术先进、低耗高效的企业提供了广阔的发展空间，目前，被动式超低能耗建筑的商机已经显现。本项目采用了先进的被动式围护结构、太阳能热水系统等环保节能技术，一方面实现了最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为用户提供了健康、适用和高效的使用空间，另一方面又增加了市场竞争力和知名度，取得了经济效益和社会效益双丰收，进一步开阔了市场需求空间。

　　本工程全面采用被动式设计和相关施工技术，这些都与传统设计模式和粗放施工有着明显优势。主要体现在：

　　（1）通过被动式设计实现引导日光照明、增加自然通风、辅助室内空气排出室外、蓄热与放热功能，使建筑减少或无需安装传统的暖通空调系统。

　　（2）在坚持原始创新的基础上，“被动式超低能耗建筑”保温材料的研发，如新型低能耗自保温墙体、改性PIR、二氧化碳发泡XPS、防水透气密封带等，力争实现“被动式超低能耗建筑”所用材料、构件的多样化。

　　通过本示范项目，结合可再生能源建筑应用检测过程中积累发现的问题，反馈到设计环节，对可再生能源建筑应用进行优化，实现更高效率的可再生能源建筑一体化设计。被动式建筑特别强调可再生能源的建筑应用，本项目采用了先进的被动式围护结构、太阳能热水系统等环保节能技术，进一步解决了山东省发展被动式建筑的关键技术问题，形成被动式建筑设计、建造和验收全过程的技术路线，研发了一系列的适合山东省被动式建筑的技术产品，从而保证更深入持久的推动山东省乃至中国建筑节能的发展，缓解了能源供给的紧缺、改善大气环境和居住环境。

　　[3]杨小威,吴自敏,楚洪亮,等.某钢结构装配式被动式超低能耗建筑项目反思[J].建筑节能(中英文),2022,50(01):31-35.

　　[4]郑亮,陈以乐.被动式建筑技术在澳门的发展与应用策略研究[J].智能建筑与智慧城市,2022(05):122-125.

　　[5]陈强,王崇杰,李洁,刘兴民.寒冷地区被动式超低能耗建筑关键技术研究[J].山东建筑大学学报,2016,31(01):19-26.

　　[6]吴迪,张新炜,付孟泽.寒冷地区被动式超低能耗建筑设计辅助能耗目标值研究[J].工业建筑,2021,51(10):81-86.

　　[7]王进,李文亮,蒋星宇,等.装配式住宅梁柱搭接方法及热桥被动节能技术研究[J].建筑节能,2017,45(4):133-135.

　　在2019年1月，由住建部发布，并于2019年9月开始实施的《近零能耗建筑技术标准》，于正式实施，基本已经从政策方面区分超低能耗建筑、近零能耗建筑和零能耗建筑三者的区别：

　　适应气候特征和自然条件，通过被动式技术手段，大幅降低建筑供暖供冷需求，提高能源设备与系统效率，以更少的能源消耗提供舒适室内环境的建筑。其建筑能耗水平应较相关国家标准和行业标准降低50%以上。

　　适应气候特征和自然条件，通过被动式技术手段，最大幅度降低建筑供暖供冷需求，最大幅度提高能源设备与系统效率，利用可再生能源，优化能源系统运行，以最少的能源消耗提供舒适室内环境，其建筑能耗水平应较相关国家标准和行业标准降低60~75%以上。在现行标准下，近零能耗建筑需要满足能耗及气密性两项约束性指标。

　　“近零能耗建筑”( nearly zero energy building)一词源于欧盟。取自欧盟于2010年7月9日发布了《建筑能效指令》，要求各成员国确保在2018年12月31日起，所有政府持有或使用的新建建筑达到“近零能耗建筑”要求；在2020年12月31日起，所有新建建筑达到“近零能耗建筑”要求。

　　近零能耗建筑可通过节能设计和高效运行，使室内环境更加适合人们生活与居住，同时将能耗强度大幅度降低，让夏热冬暖和夏热冬冷地区的建筑节能效用到达75%以上，公共建筑节能达到60%以上。

　　适应气候特征和自然条件，通过被动式技术手段，最大幅度降低建筑供暖供冷需求，最大幅度提高能源设备与系统效率，充分利用建筑物本体及周边或外购的可再生能源，使可再生能源全年供能大于等于建筑物全年全部用能的建筑。

　　最终在2015年9月，美国能源部发布零能耗建筑(zero energy building)官方定义：以一次能源为衡量单位，其全年能源消耗小于或等于建筑物本体和附近的可再生能源产生能源的节能建筑。

　　综上，不难看出从节能降耗的角度来看，以上三种建筑虽属于同一体系，却分别处于不同的阶段，其大概分级可以定为：零能耗建筑>

　　近零能耗建筑>

　　超低能耗建筑。而在不久的将来，如果建筑普遍能够达到零能耗的可再生能源供能大于等于建筑物用能的话，想必全球气候变暖的问题，一定会得到极大的改善吧~

　　2021年9月8日，住房和城乡建设部发布关于国家标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的公告。公告明确国家标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015-2021)将于2022年4月1日起实施。作为强制性工程建设规范，要求全部条文必须严格执行。其中，建筑碳排放计算，首次明确成为建筑设计文件中的强制性要求。

　　2.0.3 新建的居住和公共建筑碳排放强度应分别在2016年执行的节能设计标准的基础上平均降低40%，碳排放强度平均降低7kgCO/(m.a)以上。

　　2.0.5 新建、扩建和改建建筑以及既有建筑节能改造均应进行建筑节能设计。建设项目「可行性研究报告」、「建设方案」和「初步设计文件」应包含建筑能耗、可再生能源利用以及建筑碳排放分析报告。施工图设计文件应明确建筑节能措施及可再生能源利用系统运营管理的技术要求。

　　根据《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019，建筑全生命周期碳排放计算主要包括运行阶段、建造及拆除阶段和建材生产及运输阶段碳排放。

　　目前对碳排放报告有明确要求的主要有两个标准，《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021和《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019。

　　《建筑节能与可再生能源利用通用规范》中要求，新建、扩建和改建建筑以及既有建筑节能改造建筑在可行性研究报告、建设方案和初步设计文件中均应提交碳排放报告。

　　《绿色建筑评价标准》中，碳排放计算是“提高与创新”章节中的得分项（9.2.7条），在预评价（施工图完成后）和评价（竣工验收后/运行满一年）阶段需提供碳排放报告。根据《北京市绿色建筑施工图设计要点》，该得分项如选用，则在施工图外审时也需提交碳排放计算报告。

　　每个设计阶段由于设计深度的不同，对碳排放计算的范围要求也不同，具体见下表。

　　我国当前主要依据2019年住房和城乡建设部发布的《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366-2019计算碳排放。此外，行业标准《民用建筑绿色性能计算标准》JGJ/T449-2018和国家标准图集《绿色建筑评价标准应用技术图示》15J904中也提出了不同的建筑碳排放计算方法。

　　其中，《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366-2019最为全面细致地介绍了建筑全生命周期的碳排放计算方法，是我国当前碳排放计算的主要依据。

　　运行阶段碳排放量除包含暖通空调、生活热水、照明及电梯在建筑运行期间的碳排放量外，还需考虑可再生能源和建筑碳汇系统的减碳量。

　　运行阶段的碳排放量应根据各系统不同类型能源消耗量（如天然气、电力等）和不同类型能源的碳排放因子确定。

　　对于尚未投入使用的项目，应采用建筑在标准运行工况下的预测碳排放量。对于投入使用的项目，应基于实际运行数据，得出运行阶段碳排放量相关数据。

　　建材生产及运输碳排放计算应包括建筑主体结构材料、建筑围护结构材料、建筑构件和部品等，参与计算的主要建筑材料的总重量不应低于建筑所耗建材总重量的95%。

　　建材生产阶段碳排放应根据每种主要建材的消耗量和其碳排放因子确定。使用低价值废料和可再循环材料可以有效降低建材生产碳排放量。

　　建材运输阶段碳排放应根据主要建材消耗量（t）、建材平均运输距离（km）、和运输方式下的单位重量运输距离的碳排放因子（kgCOe/(t.km)）确定。

　　建造阶段和拆除阶段碳排放量应根据建造阶段不同类型能源消耗量（如电力、汽油、柴油等）（kWh或kg）和不同类型能源的碳排放因子（kgCO/kWh或kgCO/kg）确定。

　　拆除阶段的能源用量可以根据拆除阶段不同类型能源总用量（kWh或kg）和不同类型能源的碳排放因子（kgCO/kWh或kgCO/kg）得到，部分拆除方式应根据拆除专项方案确定。

　　计算中采用的建筑设计寿命应与设计文件一致，当设计文件不能提供时，应按50年计算。

　　a.减源：通过提高能效和碳效来减少碳排放量。例如，降低建筑能耗需求、提高建筑用能效率；减少建材总体用量、利用低碳循环建材；采用低碳建造方式等，从而减少化石能源消耗。

　　c.替代：积极利用水电、风能和太阳能、生物质能及地热能等可再生能源，代替化石能源。