氣密性是實現(xiàn)被動式低能耗建筑的關鍵因素

1、氣密性是實現(xiàn)被動式低能耗建筑的關鍵因素中國建筑科學研究院劉月莉 杜爭河南理工大學 孟青山摘要：被動式超低能耗建筑的設計理念是最大限度地降低建筑物熱損失,致力于降低冬季的供暖能耗。提高建筑圍護結構的熱工性能和建筑物氣密性能,是實現(xiàn)被動式建筑的關鍵所在。關鍵詞： 被動式建筑 氣密性 能耗注：本文由北京市科技計劃課題高性能建筑外窗系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)與示范提供支持。1、關于被動式低能耗建筑1.1被動式建筑理念的提出被動式超低能耗建筑的概念是在20世紀80年代德國低能耗建筑的基礎上建立起來的,1988年由瑞典隆德大學的阿達姆森教授和德國的菲斯特博士提出,其定義為:不需要設置傳統(tǒng)的供暖和空調系統(tǒng),就能夠在冬季和

2、夏季均實現(xiàn)舒適室內物理環(huán)1.2“被動式建筑”發(fā)展的歷程1991年，世界上第一座被動式建筑“春天”在德國達姆施塔特市的克萊你斯坦社區(qū)問世（圖1）。該建筑在投入使用后的20多年里，一直在10kWh/（m2a）的超低供暖能耗狀況下運行，節(jié)能效果顯著。1996年，菲斯特博士組建了德國被動式建筑研究所，并在三年后，采用太陽能光熱和光電利用技術提供采暖、生活熱水和照明用電，建造了建設成本僅為傳統(tǒng)建筑的107%且運行成本很低的一幢木結構住宅（每戶90/戶）。目前，繼被動式辦公建筑energon和北美第一個獲被動式建筑認證的美國明尼蘇達州的Waldsee Biohaus等后，德國、奧地利、瑞士和意大利等歐洲國

3、家投入使用的被動式建筑已有1萬幢以上。當前，歐洲許多國家、美國和韓國都制定了被動式建筑的設計標準。同時，歐盟各國及美國均確定了建筑節(jié)能發(fā)展目標。各國的被動式建筑發(fā)展目標見表1.表1歐盟各國及美國建筑節(jié)能發(fā)展目標一覽表國別計劃時間建筑節(jié)能目標備注丹麥2020年建筑能耗較2006年降低75%歐盟建筑能效指令EPBD芬蘭2015年執(zhí)行被動式建筑的標準法國2020年建筑需可對外供能德國2020年運營無需化石燃料匈牙利2020年達到零碳排放愛爾蘭2013年達到零能耗荷蘭2020年達到零能耗挪威2017年執(zhí)行被動式建筑的標準英國2016年達到零碳排放美國2020年零能耗住宅市場化奧巴馬于2009年簽署了第

4、12314號總統(tǒng)行政命令2025年零能耗商業(yè)建筑在低增量成本下運營2030年新建聯(lián)邦建筑全部達到零能耗標準1.3被動式建筑在中國自20世紀80年代中期開始，我國建筑節(jié)能工作經(jīng)歷了快讀發(fā)展，低能耗建筑技術的研究和推廣受到了各界的廣泛關注。1986年，建設部與瑞典建筑研究委員會簽訂了中瑞科技合作協(xié)議利用被動太陽能技術開展“節(jié)能住宅”設計技術研究。首次引進了被動式建筑的概念。從20世紀90年代開始至2006年，建筑節(jié)能工作得到了快速發(fā)展，全國各氣候區(qū)的建筑節(jié)能設計標準逐步完善，建筑節(jié)能的要求不斷提高。近年來，結合國情，考慮不同地區(qū)的氣候特征對供暖、空調和通風的要求，建筑節(jié)能技術在工程實踐中得到了大量

5、的應用推廣。2010年，住房和城鄉(xiāng)建設部和德國交通、建設和城市發(fā)展部共同簽署了關于建筑節(jié)能與低碳生態(tài)城市建設技術合作諒解備忘錄，進一步推動了被動式建筑在中國的發(fā)展。截止目前，國內已有秦皇島“在水一方”、哈爾濱“辰能溪樹庭院”、烏魯木齊“幸福堡”、長興朗詩布魯克、廊坊威盧克斯辦公樓、漢堡之家和北京“CABR近零能耗示范樓”等被動式建筑相繼落成并運行使用，見圖2。2建筑熱工與被動式建筑2.1被動式建筑的圍護結構熱工性能在已建成的被動式建筑中，多數(shù)項目的設計理念是最大限度地降低建筑物熱損失，主要致力于降低冬季的供暖能耗。目前，在歐洲國家獲得被動式建筑的認證，必須滿足兩個必備條件：建筑物的供暖能耗15

6、kwh/（m2a），建筑總能耗（供暖、空調、通風、生活熱水、照明和家電等）120kwh/（m2a）.同時，對建筑圍護結構的保溫性能提出更高的要求：外窗傳熱系數(shù)0.8W/(m2K),外墻、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.15W/(m2K)，并應消除熱橋；建筑物氣密性能為在50Pa下，每小時換氣次數(shù)0.6次。另外，全熱回收新風系統(tǒng)的效率75%。 可見提高建筑圍護結構的熱工性能，是實現(xiàn)被動式建筑的關鍵所在。研究結果表明，我國被動式建筑節(jié)能技術發(fā)展的核心問題是：如何秉承“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化，經(jīng)濟實用”的原則，在滿足建筑物所在地的氣候和自然條件下，通過合理平面布局、科學選擇窗墻面積比、天然采光和自然通風良好和太陽能與建

7、筑一體化技術有機集成的基礎上，盡可能提高建筑圍護結構保溫隔熱性能和氣密性能，采用太陽能光電光熱利用技術及室內非供暖熱源得熱等各種被動式技術手段，實現(xiàn)舒適的室內物理環(huán)境。2.2我國建筑節(jié)能設計目前，我國各氣候分區(qū)建筑節(jié)能設計標準中，均對住宅建筑門窗幕墻的氣密性作出了規(guī)定，但并未對建筑物整體氣密性能提出要求。而建筑物整體氣密性關系到室內熱環(huán)境質量和空氣品質，對建筑能耗的影響至關重要。建筑物整體氣密性能以換氣次數(shù)作為衡量指標，換氣次數(shù)指每小時室內外的通風換氣量與房間體積之比值。建筑物整體氣密性能與所采用的外窗自身氣密性，施工安全質量以及建筑物的結構形式和建設年代有著密切的關系。如北方地區(qū)1986年以

8、前開工建設的居住建筑，外窗基本是木窗和鋼窗，氣密性很差；框架結構建筑物的粱、柱混凝土進行澆筑在前。圍護墻體的保溫砌塊填充在后，因此，砌塊與柱的連接處必然存在縫隙，施工中需認真封堵，才能避免大量的空氣滲透熱損失。清華大學和中國建筑科學研究院等單位對北方地區(qū)既有建筑進行了整體氣密性調查。調查結果表明，我國90年代以前建成的建筑由于外窗質量不佳（鋼窗變形等），房間密閉性很差，門窗關閉后仍有嚴重的漏風現(xiàn)象存在，換氣次數(shù)可達1.5次/時以上。近年來，新建建筑采用節(jié)能門窗，氣密性得到顯著改善，部分建筑物的換氣次數(shù)可達到0.5次/時以下，見圖3.從圖3可以看出，21棟建筑物的氣密性能差別較大，在50Pa壓差

9、下，2014年建造的住宅樓換氣次數(shù)為0.68次/h，而1986年建造的住宅樓換氣次數(shù)高達8.22次/h，基于20世紀80年代的居住建筑整體氣密性能普遍較差。整體來看，北方地區(qū)既有居住建筑整體氣密性能現(xiàn)狀不容樂觀。3建筑物氣密性對能耗的影響北方地區(qū)之所以要采暖，是因為冬季室外溫度低于維持人體生理需要的溫度值。當室內外存在溫度差時，熱量就通過外墻、外窗以及屋頂從室內傳遞至室外，同時室外的地溫控器也會通過圍護結構的縫隙滲透到室內。因此，要維持室內的溫度，就需要向室內提供熱量（包括傳熱散失和加熱新風的熱量），即采暖供熱量。通過圍護結構縫隙滲入到室內來提供所需新風量是不合理的，為了保證室內空氣品質，需要

10、從室外引入新風，但應當是在建筑圍護結構氣密性能良好的前提下，有組織地引入室內。在我國的氣候分區(qū)中，嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)3個地區(qū)冬季的室外計算溫度在-10-10之間，這些地區(qū)冬季室內都需要供暖。如果不考慮冬季圍護結構的太陽輻射得熱，綜合圍護結構的影響和通風換氣的作用，可以得到單位建筑面積的供暖需熱量Q。Q=室內外平均溫差X（平均傳熱系數(shù)X體形系數(shù)+換氣次數(shù)X0.336）X層高（W/m2）。式中的平均傳熱系數(shù)，是指外窗、外墻和屋頂?shù)募訖嗥骄?。可以看出，建筑物的供暖需熱量與圍護結構的傳熱系數(shù)和體形系數(shù)、體積和換氣次數(shù)成正比的關系。供暖需熱量隨平均傳熱系數(shù)和換氣次數(shù)的影響而變化，與室內外

11、空氣溫度差成正比；并且若降低采暖能耗，需要降低【平均傳熱系數(shù)X體形系數(shù)+換氣次數(shù)X0.336】值。而在一般采暖節(jié)能建筑設計時，建筑物的換氣次數(shù)不小于0.5次/h，則【換氣次數(shù)X0.335】為0.168，因此當平均傳熱系數(shù)與體形系數(shù)之積大于0.168W/（m2K）時，降低采暖能耗的關鍵為改善圍護結構的保溫性能，應降低【平均傳熱系數(shù)X體形系數(shù)】；而當上式第一項遠小于第二項時，則應設法減少換氣次數(shù)，以減少換氣熱損失。如，某住宅樓，當其體形系數(shù)為0.3m-1、平均傳熱系數(shù)為0.6W/（m2K）時，上式第一項為0.18，與0.168同一數(shù)量級，進一步提高保溫性能可以產(chǎn)生節(jié)能效果；而當體形系數(shù)為0.2m-

12、1、平均傳熱系數(shù)為0.6W/（m2K）時，則第一項為0.12，遠小于0.168，此時再進一步提高保溫性能已無太大意義。但是，對于長江流域以及以南的住宅建筑，由于人們生活習慣的不同，門窗氣密性都較差，換氣次數(shù)很少低于1次/h，故外窗的平均傳熱系數(shù)對采暖能耗所起作用也相應提高。我們選擇北京市一幢為體形系數(shù)為0.26的18層住宅建筑進行模擬計算，分析提高建筑物氣密性能對建筑節(jié)能的貢獻。該建筑物總建筑面積7163.46，層高為2.95m，每層二單元，圍護結構各部位傳熱系數(shù)符合北京市居住建筑節(jié)能設計標準（節(jié)能65%和節(jié)能75%）的規(guī)定。表2為按照65%基恩給你設計標準規(guī)定的計算結果，圖4為分別按照節(jié)能6

13、5%和節(jié)能75%設計標準設計的計算結果。表2 節(jié)能65%時不同換氣次數(shù)對建筑能耗的影響換氣次數(shù)（1/h）2.001.201.000.500.30累計熱負荷（Kw）157.64130.97104.3177.6652.52建筑需熱量減少比例（%）換氣次數(shù)為（2-1.5）換氣次數(shù)為（1.5-1）換氣次數(shù)為（1-0.5）換氣次數(shù)為（0.5-0.03）換氣次數(shù)為（2-0.03）0.1691910.2035660.255430.3237710.666842計算結果表明，節(jié)能65%的居住建筑，當換氣次數(shù)依次從2.0次/h減小到1.5次/h、從1.5次/h減小到1.0次/h、從1.0次/h減小到0.5次/h、

14、從0.5次/h減小到0.03次/h和從2.0次/h減小到0.03次/h，建筑供暖需熱量約分別降低17%、20%、26%、32%和67%。4、結語建筑物整體氣密性能的影響因素包括外窗產(chǎn)品的氣密性能，外門窗與建筑物主體的安裝質量以及外墻與屋頂?shù)冗B接處的密閉性等。外窗是建筑圍護結構中保溫隔熱性能最薄弱的構件，外窗本身的質量、密閉性、開啟方式、五金配件以及玻璃的保溫性能等方面存在較大差異，加之具有開關構造，氣密性較差。1973年之前，建筑師在建筑設計時，主要考慮外窗能否滿足采光、通風和美化立面的需求，以及利用通過外窗的太陽光線營造室內的光影效果，基本不關注外窗的保溫、隔熱和氣密性能。自世界能源危機爆發(fā)

15、后，人們才從經(jīng)濟利益上意識到建筑節(jié)能的重要性，開始了建筑外窗節(jié)能技術的研究?？蒲袉挝环e極開展建筑門窗保溫隔熱性能、隔聲性能和氣密性能技術研究，為門窗的節(jié)能性能、安全性能提供了基礎理論研究。建筑門窗和玻璃企業(yè)積極開展建筑門窗節(jié)能技術研究和高性能玻璃（中空、真空和Low-E中空玻璃）研發(fā)，不斷開發(fā)新型節(jié)能產(chǎn)品，應用于工程建設中，在實現(xiàn)建筑節(jié)能減排目標的同時，提高了室內熱舒適度和空氣品質以及建筑聲環(huán)境質量。針對當前建筑外窗在傳熱和滲透熱損失方面存在問題，從外窗的傳熱特點入手，對外窗材料和外窗特性進行分析。窗的結構形式、朝向對建筑物熱損失的影響比重分析，玻璃的選用，多腔型材的構造優(yōu)化，外墻窗框防風防水構造的研究，窗與墻體之間、玻璃與窗框之間的密封工藝，兼顧建筑外窗的保溫性能、氣密性、水密性和隔聲性等物理性能的研究，傳熱系數(shù)1.5W/m2k新型節(jié)能窗產(chǎn)品已不鮮見，更高保溫性能、氣密性能及經(jīng)濟合理的復合窗（傳熱系數(shù)1.0W/m2k）產(chǎn)