氣密性是實(shí)現(xiàn)被動式低能耗建筑的關(guān)鍵因素

1、氣密性是實(shí)現(xiàn)被動式低能耗建筑的關(guān)鍵因素中國建筑科學(xué)研究院劉月莉 杜爭河南理工大學(xué) 孟青山摘要：被動式超低能耗建筑的設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和建筑物氣密性能,是實(shí)現(xiàn)被動式建筑的關(guān)鍵所在。關(guān)鍵詞： 被動式建筑 氣密性 能耗注：本文由北京市科技計(jì)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(guān)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(jì)80年代德國低能耗建筑的基礎(chǔ)上建立起來的,1988年由瑞典隆德大學(xué)的阿達(dá)姆森教授和德國的菲斯特博士提出,其定義為:不需要設(shè)置傳統(tǒng)的供暖和空調(diào)系統(tǒng),就能夠在冬季和

2、夏季均實(shí)現(xiàn)舒適室內(nèi)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(dá)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(yùn)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(shù)提供采暖、生活熱水和照明用電，建造了建設(shè)成本僅為傳統(tǒng)建筑的107%且運(yùn)行成本很低的一幢木結(jié)構(gòu)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(rèn)證的美國明尼蘇達(dá)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(dāng)前，歐洲許多國家、美國和韓國都制定了被動式建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。同時，歐盟各國及美國均確定了建筑節(jié)能發(fā)展目標(biāo)。各國的被動式建筑發(fā)展目標(biāo)見表1.表1歐盟各國及美國建筑節(jié)能發(fā)展目標(biāo)一覽表國別計(jì)劃時間建筑節(jié)能目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)法國2020年建筑需可對外供能德國2020年運(yùn)營無需化石燃料匈牙利2020年達(dá)到零碳排放愛爾蘭2013年達(dá)到零能耗荷蘭2020年達(dá)到零能耗挪威2017年執(zhí)行被動式建筑的標(biāo)準(zhǔn)英國2016年達(dá)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(yùn)營2030年新建聯(lián)邦建筑全部達(dá)到零能耗標(biāo)準(zhǔn)1.3被動式建筑在中國自20世紀(jì)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(shù)的研究和推廣受到了各界的廣泛關(guān)注。1986年，建設(shè)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(shù)開展“節(jié)能住宅”設(shè)計(jì)技術(shù)研究。首次引進(jìn)了被動式建筑的概念。從20世紀(jì)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)逐步完善，建筑節(jié)能的要求不斷提高。近年來，結(jié)合國情，考慮不同地區(qū)的氣候特征對供暖、空調(diào)和通風(fēng)的要求，建筑節(jié)能技術(shù)在工程實(shí)踐中得到了大量

5、的應(yīng)用推廣。2010年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部和德國交通、建設(shè)和城市發(fā)展部共同簽署了關(guān)于建筑節(jié)能與低碳生態(tài)城市建設(shè)技術(shù)合作諒解備忘錄，進(jìn)一步推動了被動式建筑在中國的發(fā)展。截止目前，國內(nèi)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(yùn)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(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能在已建成的被動式建筑中，多數(shù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)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(rèn)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(diào)、通風(fēng)、生活熱水、照明和家電等）120kwh/（m2a）.同時，對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(fēng)系統(tǒng)的效率75%。 可見提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，是實(shí)現(xiàn)被動式建筑的關(guān)鍵所在。研究結(jié)果表明，我國被動式建筑節(jié)能技術(shù)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(jì)實(shí)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(xué)選擇窗墻面積比、天然采光和自然通風(fēng)良好和太陽能與建

7、筑一體化技術(shù)有機(jī)集成的基礎(chǔ)上，盡可能提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能和氣密性能，采用太陽能光電光熱利用技術(shù)及室內(nèi)非供暖熱源得熱等各種被動式技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)舒適的室內(nèi)物理環(huán)境。2.2我國建筑節(jié)能設(shè)計(jì)目前，我國各氣候分區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系到室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和空氣品質(zhì)，對建筑能耗的影響至關(guān)重要。建筑物整體氣密性能以換氣次數(shù)作為衡量指標(biāo)，換氣次數(shù)指每小時室內(nèi)外的通風(fēng)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(zhì)量以及建筑物的結(jié)構(gòu)形式和建設(shè)年代有著密切的關(guān)系。如北方地區(qū)1986年以

8、前開工建設(shè)的居住建筑，外窗基本是木窗和鋼窗，氣密性很差；框架結(jié)構(gòu)建筑物的粱、柱混凝土進(jìn)行澆筑在前。圍護(hù)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(rèn)真封堵，才能避免大量的空氣滲透熱損失。清華大學(xué)和中國建筑科學(xué)研究院等單位對北方地區(qū)既有建筑進(jìn)行了整體氣密性調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明，我國90年代以前建成的建筑由于外窗質(zhì)量不佳（鋼窗變形等），房間密閉性很差，門窗關(guān)閉后仍有嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象存在，換氣次數(shù)可達(dá)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(dá)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(dá)8.22次/h，基于20世紀(jì)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?yàn)槎臼彝鉁囟鹊陀诰S持人體生理需要的溫度值。當(dāng)室內(nèi)外存在溫度差時，熱量就通過外墻、外窗以及屋頂從室內(nèi)傳遞至室外，同時室外的地溫控器也會通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的縫隙滲透到室內(nèi)。因此，要維持室內(nèi)的溫度，就需要向室內(nèi)提供熱量（包括傳熱散失和加熱新風(fēng)的熱量），即采暖供熱量。通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙滲入到室內(nèi)來提供所需新風(fēng)量是不合理的，為了保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，需要

10、從室外引入新風(fēng)，但應(yīng)當(dāng)是在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性能良好的前提下，有組織地引入室內(nèi)。在我國的氣候分區(qū)中，嚴(yán)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(jì)算溫度在-10-10之間，這些地區(qū)冬季室內(nèi)都需要供暖。如果不考慮冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽輻射得熱，綜合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響和通風(fēng)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(nèi)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?quán)平均值?？梢钥闯?，建筑物的供暖需熱量與圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(guān)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(nèi)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(shè)計(jì)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(dāng)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(guān)鍵為改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能，應(yīng)降低【平均傳熱系數(shù)X體形系數(shù)】；而當(dāng)上式第一項(xiàng)遠(yuǎn)小于第二項(xiàng)時，則應(yīng)設(shè)法減少換氣次數(shù)，以減少換氣熱損失。如，某住宅樓，當(dāng)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(xiàng)為0.18，與0.168同一數(shù)量級，進(jìn)一步提高保溫性能可以產(chǎn)生節(jié)能效果；而當(dāng)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(xiàng)為0.12，遠(yuǎn)小于0.168，此時再進(jìn)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(xí)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(yīng)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(jìn)行模擬計(jì)算，分析提高建筑物氣密性能對建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)。該建筑物總建筑面積7163.46，層高為2.95m，每層二單元，圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位傳熱系數(shù)符合北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（節(jié)能65%和節(jié)能75%）的規(guī)定。表2為按照65%基恩給你設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算結(jié)果，圖4為分別按照節(jié)能6

13、5%和節(jié)能75%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)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(jì)熱負(fù)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(jì)算結(jié)果表明，節(jié)能65%的居住建筑，當(dāng)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(jié)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(zhì)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(hù)結(jié)構(gòu)中保溫隔熱性能最薄弱的構(gòu)件，外窗本身的質(zhì)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(guān)構(gòu)造，氣密性較差。1973年之前，建筑師在建筑設(shè)計(jì)時，主要考慮外窗能否滿足采光、通風(fēng)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(nèi)的光影效果，基本不關(guān)注外窗的保溫、隔熱和氣密性能。自世界能源危機(jī)爆發(fā)

15、后，人們才從經(jīng)濟(jì)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(shù)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(shù)研究，為門窗的節(jié)能性能、安全性能提供了基礎(chǔ)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(shù)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(yīng)用于工程建設(shè)中，在實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排目標(biāo)的同時，提高了室內(nèi)熱舒適度和空氣品質(zhì)以及建筑聲環(huán)境質(zhì)量。針對當(dāng)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(diǎn)入手，對外窗材料和外窗特性進(jìn)行分析。窗的結(jié)構(gòu)形式、朝向?qū)ㄖ餆釗p失的影響比重分析，玻璃的選用，多腔型材的構(gòu)造優(yōu)化，外墻窗框防風(fēng)防水構(gòu)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(jì)合理的復(fù)合窗（傳熱系數(shù)1.0W/m2k）產(chǎn)