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严寒地区绿色建筑关键技术体系构建

【摘要】《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑)》明确了应对被动式超低能耗绿色建筑进行标识评价。论文基于《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑)》与国内外绿色建筑的发展现状,通过对严寒地区实际项目的节地、节能和节水三方面的调研,梳理严寒地区超低能耗绿色建筑的基本特征,构建适合严寒地区发展的超低能耗绿色建筑关键技术体系,为推动严寒地区的绿色建筑可持续发展提供良好的技术支持与有益探索。

【关键词】严寒地区;绿色建筑;关键技术体系

1引言

随着我国新型城镇化的快速发展,对我国绿色建筑的节能减排又提出了新阶段的高要求。国际上,建设被动式超低能耗绿色建筑是实现快速发展的关键路径。由于我国严寒地区具有特殊的气候特征,因此,需要依据现有的绿色建筑技术体系提出适合严寒地区超低能耗绿色建筑发展的新思路和新方法。被动式超低能耗建筑又被称为“被动式低能耗建筑”或者“被动房”,传入我国时也被译为“无源房屋”[1],它起源于20世纪80年代的德国。1988年,瑞典隆德大学的阿达姆森教授和德国的菲斯特博士首先提出“被动式房屋”这一概念,他们认为被动房建筑是无需主动的采暖和空调系统就可以维持室内舒适热环境的建筑[2]。国内专家学者也已对被动式超低能耗建筑的概念界定达成共识,认为利用气候条件和自然特征,应用性能良好的围护结构,附加高效的新风系统,充分利用可再生能源的低能耗建筑即为被动式超低能耗绿色建筑。经验证,国外的被动式超低能耗绿色建筑已经成为长寿命的建筑,也已获得欧盟国家的认可,并开始实施立法,强行推动。但国内仍缺乏针对区域性尤其是严寒地区具有实践意义的绿色建筑技术指导路径。因此,探索被动式超低能耗绿色建筑的关键技术体系仍然是东北严寒地区发展绿色建筑的重要举措。

2被动式超低能耗绿色建筑研究现状

结合我国气候分区的不同特征,国内专家学者分别在理论、方法及应用实践方面针对性地提出了适合不同气候区域发展的被动式超低能耗绿色建筑的关键技术路径。王学宛等[3]通过分析国内外超低能耗建筑设计方法相关研究,提炼了三种科学通用的超低能耗建筑设计方法——关键参数限额法、双向交叉平衡法和经济环境决策法。冯国会等[4]在对比了德国的被动式建筑技术体系及住房和城乡建设部出台的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》(建科[2015]179号)基础上,围绕近零能耗建筑围护结构体系、建筑设备技术、高性能建筑能源系统、可再生能源建筑一体化设计、智能化控制、建筑室内空气品质和热湿环境控制等方面搭建了严寒地区近零能耗居住建筑示范平台。陈小净等[5]结合被动式超低能耗建筑的六大关键技术进行了实证研究。孙峙峰等[6]依据《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑)》对首批授予评价标识的全国19个项目的实际情况进行被动式超低能耗绿色建筑关键技术的应用水平和增量成本分布分析。陈强等[7]结合山东建筑大学实验楼项目提出了寒冷地区被动式超低能耗绿色建筑的关键技术体系,为日后寒冷地区发展被动式超低能耗绿色建筑的发展路径指明了方向。

3严寒地区建筑的特征分析

GB50352—2005《民用建筑设计通则》中对我国进行气候区划分,建筑气候区划包括7个主气候区,20个子气候区。东北地区按照建筑气候分区属于严寒地区,气候特点是冬季严寒且持续时间长,夏季短促且凉爽,冬季冰冻期长,积雪后太阳辐射量大、日照丰富。全年施工周期持续8个月,一般从11月末至次年3月末为冬歇期,冬季供暖周期长,因此,该区的建筑物总体规划与单体设计上需要满足冬季日照和防寒保温等关键要素,尽量加强建筑物的密闭性,合理利用太阳等自然能源的节能措施,建筑能耗主要以冬季采暖为主。随着国家城镇化进程的不断推进,东北严寒地区的建设项目陡增,建筑规模不断扩大,同时包括大量的地下空间开发。以建筑节能视角来看,节能建筑的占比很小,被动式超低能耗的绿色建筑更是凤毛麟角。门窗和屋面的保温隔热性能难以达到住宅建筑节能设计标准,与同纬度的发达国家相比能耗差值较大。据估算,单位能耗为同纬度发达国家的四倍到五倍,屋顶能耗为四倍左右,门窗能耗约为两倍。因此,东北严寒地区的建设项目主要的问题是由于建筑围护结构不合理而导致热工性能较差,从而导致热能耗与热损失较多。随着东北老工业基地地区经济的发展,针对改善型住房与学位房的需求逐年增加,人们对居住环境的配套程度要求也逐年提升,建筑能耗方面更是面临着新的挑战。因此,探究适用于东北地区的建筑节能技术体系是各级政府及企业所密切关注的问题,也是绿色建筑领域亟需推广的核心绿建技术。

4严寒地区被动式超低能耗绿色建筑关键技术

我国严寒地区的绿色建筑大多停留在概念的阶段,缺乏因地制宜的技术。严寒地区的绿色建筑设计要求较多,不仅需要满足建筑一般特性,也要符合GB/T50378—2014《绿色建筑评价标准》等相关标准,并且需要与当地的地域特点以及气候特征相结合。对于寒冷的东北地区来讲,建筑节能分为建筑物自身节能和供热系统节能两个方面。本文从节地、节能和节水三方面分析构建严寒地区实施被动式超低能耗绿色建筑的关键技术。

4.1节地

通过实际项目调研和专家经验的融合,严寒地区节地措施的主要对象是室外道路、广场和停车场,绿地面积为35%,植草砖面积为5%,透水混凝土面积为10%。由于严寒地区气候寒冷且冬季约占全年时段的一半,因此,不建议采用屋顶绿化措施,但可以适当考虑铺贴式墙体绿化、模块化墙体绿化或者植物攀爬式墙体绿化。

4.2节能

4.2.1建筑规划与设计

面对全球的能源环境问题,许多具有创新性的设计理念应运而生,如被动式建筑、零能耗建筑及绿色建筑等概念被广泛推广。在建筑规划和设计时,根据气候条件的影响及建筑物所在具体环境的特征,主要利用自然环境来创造良好的建筑室内气候,尽量减少对各种电子设备的依赖。建筑的规划与设计要符合合理的建筑形体设计,并充分利用建筑室外微环境来改善建筑室内微环境,主要通过建筑构件的结构设计和建筑内部空间的合理分隔设计得以实现。

4.2.2建筑物围护结构保温隔热系统

建筑物的围护结构一般由屋顶、墙、地基隔热材料、密封材料、门和窗以及遮阳设施构成。一般情况下,增加建筑围护结构的费用仅占总投资额的3%~6%,节能却高达20%~40%。构建建筑物的保温隔热系统是对建筑物采取良好的保温隔热的主要措施。外墙外保温是严寒地区保温效果最好、应用最广泛的一种建筑保温形式。保温材料选择主要考虑导热率与燃烧特性,欧盟新研制的只允许单方向传热的热二极管墙体可以产生良好的隔热效果,也可以运用具有性价比高的热工性能玻璃。外墙保温厚度由所在气候区一级基层墙体材料所控制,外墙保温隔热层厚度一般为23~40cm,屋顶保温采用隔热方式,也可采用反射降温等方式。

4.2.3节能窗户

门窗在建筑中的作用是采光、通风和围护,是最容易造成热损失的构件,为增大采光通风面积,建筑物的门窗面积逐步增大,这就给建筑节能方面提出了更高的挑战。对门窗构件的节能处理是通过改善保温隔热性能和提高门窗的密闭性能实现。目前推广使用的新型环保节能窗户有铝合金断热型材、铝木复合型材、钢塑整体挤出型材、塑木复合型材以及UPVC塑料型材等一些技术含量较高的节能产品。

4.2.4高效能暖通系统

随着技术发展的不断成熟,高效能的暖通空调系统是调节室内冷热负荷的重要措施,如热泵系统、蓄能系统和新风系统等。在使用中采用能源管理和监控系统双轮驱动来监督和调控室内的舒适度、室内空气品质和能耗情况,如欧洲国家通过传感器测量周边环境的温、湿度和日照强度,然后基于建筑动态模型预测采暖和空调负荷,从而控制暖通空调系统的运行。针对严寒地区干燥的气候特征,对暖通系统加设增加湿润度的功能,使室内湿度达到舒适的指标。研究结果表明,使用不带换热功能的新风换气系统可以节能30%,如果带换热功能,节能将高达80%以上。在德国,新风换气系统已经与建筑物融为一体,成为不可缺少的重要组成部分。严寒地区在冬季采暖期能耗上升,被动式超低能耗绿色建筑建议采用集中与分散供热,合理使用地源热泵系统等高效能暖通供热系统,并接入温度监测设备,实时调节室内温湿度,因地制宜,为建筑物选择合理的供热空调方式。

4.2.5建筑遮阳系统

建筑遮阳装置一般分为外遮阳、内遮阳和位于两层玻璃之间的中置遮阳。外遮阳应用最广泛,适用于朝南、朝东和朝西的大面积窗户及天窗处,既防止阳光直射,也阻挡室内温度上升。内遮阳主要以防眩为主,遮阳为辅,适用于严寒地区,在防止阳光直射的同时,可以提高室内温度。中置遮阳兼有内外遮阳的特点,一体性较强,不易损坏,但造价较高。通过不同遮阳装置的组合使用,在夏季可以大大降低空调负荷,在冬季可以节省取暖能源。研究结果表明,利用遮阳技术,建筑物可节省约40%的能源。德国十分注重建筑遮阳技术的研发和应用,无论是办公楼、商业建筑还是住宅楼,随处可见遮阳装置。

4.3节水

严寒地区水资源匮乏,建议设置雨水收集系统收集屋面、地面以及绿地的雨水,用于用地红线内的绿化灌溉和道路浇洒。GB50400—2016《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》中规定雨水设计径流总量公式:W=10ΨchyF式中,W为雨水设计径流总量,m3;Ψc为雨水径流系数;hy为年降雨量,mm;F为汇水面积,hm2。长春市年平均降雨量为570mm,可回收的雨水再利用可达每年约1000m3。

5结语

本文通过对比总结出严寒地区在发展被动式超低能耗绿色建筑的技术重点是发展适合严寒地区建设发展的本地化关键技术体系。在试点示范项目的基础上,进一步推进超低能耗的绿色建筑发展,为良好推进严寒地区超低能耗绿色建筑工作探索出适应本地的可持续发展道路。

参考文献

[1]李文姹,张杰.被动式节能HOUSE——低能耗建筑的新纪元[J].工程建设与设计,2013(9):8-12.

[2]张小玲.我国被动式房屋的发展现状[J].建设科技,2015(15):16-27.

[3]王学宛,张时聪,徐伟,等.超低能耗建筑设计方法与典型案例研究[J].建筑科学,2016(4):44-53.

[4]冯国会,徐小龙,吴珊,等.近零能耗建筑技术体系在严寒地区的实践研究[J].建筑科学,2017(6):14-20.

[5]陈小净,原瑞增,白卉,等.被动式超低能耗建筑关键技术与案例分析[J].建筑热能通风空调,2016(5):97-99.

[6]孙峙峰,金汐,张时聪,等.被动式超低能耗绿色建筑评价标识的探索与实践[J].建设科技,2017(1):77-79.

[7]陈强,王崇杰,李洁,等.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(2):18-26.

作者:王婉 滕佳颖 单位:吉林建筑大学经济与管理学院

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