被动式节能房的设计分析及应用技术

太原市潇河园区综改示范区核心部位某工程为山西省打造太原市南部都市区核心引擎、提升城市能级、促进产城融合、展示山西开放新形象的开局之作。该项目总建筑面积9万㎡，规划A， B， C 3栋建筑。其中 A座建筑面积约1.3万㎡，设计在“钢结构+装配式”基础上加入被动式超低能耗概念，建造标准为“绿建三星+超低能耗+AAA钢结构装配式”，实现开展绿色建筑、装配式建筑、超低能耗建筑、绿色建造试点示范，引导建筑业向绿色创新转型发展，以期形成可复制、可推广的建筑领域能源革命综合改革经验。

1??被动房的指标标准

“被动房”是被动式节能房的简称，通过充分利用太阳能、空气能、地热能等可再生能源，使所有消耗的一次性能源总和不超过120 kW·h/（㎡·a）的房屋。被动房的概念适用于世界各地，无论寒冷地区还是温暖地区均可建造，且建筑方式不受楼宇类型的限制，包括办公楼、住房、校舍、体育馆及工业用房。

2??被动房降低能耗的关键技术

被动房强调被动，即应用的技术中不需使用运动的部件（例如阀门、泵、发动机等），不需麻烦的控制方式，不需复杂的机械；而使用的主动式技术要求简单、易于安装、便于维护且故障发生率低，工作寿命长。被动房如此低的能耗通过高隔热隔声、密封性强的建筑外墙和可再生能源得以实现，设计理念则提倡“外围优先”（fabric first），从保温性、无热桥、节能门窗、气密性、新风换气系统等方面归纳为5个设计关键技术（图1）。

图1?被动房的关键技术

2.1?保温性原则

被动房应用连续的保温系统，围护体系的保温性能是设计和建造中最重要的技术措施，使用良好的保温材料包裹包括屋顶，墙体，底板或地下室顶板的整个建筑。

2.2?无热桥设计原则

采用避免热桥的措施，如由阳台形成的突出混凝土板，窗户应安装在保温层内，地下室保温层选择既能承重又能保温的材料，尽可能使保温层以均匀的保温效果围绕整个建筑，选择高隔热性能的断桥窗 框等。

2.3?节能门窗原则

采用被动式门窗系统，使用高品质低辐射（Low-E）玻璃并充填惰性气体。一般选用传热系数约0.6?W/（㎡·K），太阳得热系数50%~60%的三玻窗，而在温和气候区，可采用低辐射双玻窗；对以制冷为主的炎热地区，可采用带遮阳的双玻或三玻窗。

2.4?气密性原则

采用气密设计建立气密的外围护结构，以避免不适感，减少温湿调节能耗，提高室内空气品质，降低未经控制的潮湿气流损害热围护的风险。通常在气密外围护完成后采用“鼓风门测试”测量气密性。

2.5?新风换气系统原则

通过有热交换的机械通风系统持续提供新风，其热回收效率应达到75%~90%。在冬季严寒或夏季潮湿气候条件下，应使用含湿度回收的热量回收通风系统（全热交换新风系统）。

在遵循“外围优先”5个原则的前提下，本方案设计结合气候条件、建筑传统和本地特有的建筑材料，抓住“绿色、示范”两个关键因素，引入先进的绿色生态技术设计理念，建立区域性总体示范、引导和管控，达到了可持续、可推广的发展目标。

3?设计思路

本项目所在地属温带大陆性季风气候，四季分 明，日照充足，太阳能资源丰富，全年大部分时间温度适宜，夏季比同纬度的华北平原地区凉爽，高温天气很少，昼夜温差大；冬季则较寒冷，故节能的主要矛盾在于冬季采暖。经分析本地气候特点，明确以降低采暖能耗为主要矛盾，利用外围护结构保温和安装太阳能光伏板，并考虑夏季白天通过活动百叶遮阳和采用被动降温措施，以尽可能减少主动制冷的使用频率；在夜晚及过渡季节，则应充分利用自然通风，只在极端条件下才考虑有限使用机械通风等措施。

经分析气温平均值、降水量、每月平均日照时数、各项日照辐射强度、风速风向等因素后，确定了设计方案、设计参数及具体做法。

3.1?体形系数

良好的体形系数是建筑节能设计的基础，体形系数越大，体形越复杂越易散失热量，造成更大的能耗。本建筑在保证建筑功能要求的前提下将体形系数定为0.17，以降低能源消耗和设备负荷。

3.2?门窗参数

按设计要求，窗户整体的传热系数应不大于0.9W/（㎡·K）（含安装热桥），玻璃的得热系数不小于0.52，门窗和幕墙玻璃均采用三玻镀膜产品，内充惰性气体，玻璃间隔条采用暖边以降低玻璃传热 系数。

3.3?连续外保温系统

本建筑通过外墙，门窗，屋顶和底板形成连续的外保温系统（图2）。各构件的连接部位均做无热桥处理。

图2?连续外保温系统示意

3.4?外围护结构主要节点细部处理

本建筑对外墙及外围护结构的窗洞口、外墙断热桥、女儿墙、遮阳措施、屋顶天窗等主要细部节点进行针对性设计。

建筑外墙采用预制ALC板，与结构主体采用L形钢托架及滑动S板相连，以抵消钢结构形变。若板间为刚性连接，接缝处水泥砂浆须饱满挤紧；若为柔性连接，则在外侧粘防水隔汽膜（需预留变形余量）。外保温采用岩棉板错缝粘贴，并用锚栓+耐碱性网格布抗裂砂浆加强。 因被动房窗户比常规外窗重量重（70~80?kg/㎡）， 故采用半内嵌式安装。根据结构需要窗洞口采取加强措施。窗框与窗洞间用防水隔汽及防水透气膜粘实。空隙用膨胀密封条或发泡填充材料填充。

本建筑外立面装饰板及外墙横向装饰构件均通过断热桥托座与主体相连，以避免产生热桥。首层顶板处托座通过断热桥构件与主体结构相连；屋面板处托座则直接与经断热桥处理的女儿墙相连，两托座之间由龙骨承受外墙装饰构件的荷载；在中间层处，外墙龙骨体系与主体之间仅设稳定性拉结，拉结点不直接承重，以尽可能通过减少构件截面面积和数量来减少热桥。女儿墙与建筑主体采用点状断热桥构件相连，空隙处填充XPS保温层。 

采用固定遮阳，东西南三而外窗采用活动外遮阳百叶，太阳能透射系数10%。采用横向的外百叶遮阳可自由调节通光量，兼顾遮阳、视线调节与照明。 屋顶天窗剖面为锯齿状，南向开窗，北向为实体屋面。锯齿的角度结合本地各季节太阳高度角进行设计，既可在冬季增加得热，又可避免夏季得热过多。

4??应用前景分析

自2015年江苏省颁布被动式建筑行业发展扶持政策，至今已有5年，因建造成本比普通建筑增加约1000元/㎡，严重制约了其普及和发展，但从长远看被动房利大于弊，其居住舒适，符合居住者切身利益；房屋附加值高，开发商也可获得更高利润；在国家层面应用性能优越的产品，可减小采暖和公共费用支出，减少温室气体排放，减少雾霾和城市热岛 效应。

目前，越来越多的省市都加大了对绿色节能建筑的扶持力度。山西省住房和城乡建设厅2020年4月印发《绿色建筑专项行动方案》，提出2022年前省综合改革示范区至少创建1个超低能耗建筑示范项目，为政策的落地打下了基础，也在被动房技术储备和指标汇集上积累经验，形成了规范体系，为区域可持续发展提供了保障。