被动房之家
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纽约康奈尔大学科技校区公寓

来源:DOTT犀点建设科技,推荐关注作者:犀点建设科技
文章附图



本期犀点砼行将透过被动房与装配式元素结合的视角,介绍位于纽约市罗斯福岛的世界最大被动房住宅建筑——康奈尔大学科技学院公寓(The House at Cornell Tech)在设计和建造过程中所使用的巧妙技术。


通过着重解析其紧密的外围护结构和热桥切断处理来分析预制外围护结构的适用性及隔热和热桥处理在实现建筑超低或近零能耗方面的重要性。


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被动房的关键特征就是可以实现建筑的超低能耗或近零能耗,无需通过建筑机械的主动供暖、通风、照明等就能达到高度的热舒适性,同时大大降低了建筑在运营和维护期间的成本,为人类的可持续发展做出贡献。


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而装配式建筑则利用场外制造的元素,将构件质量控制在工厂生产环境中,同时使项目在施工阶段减少了对场址周围的环境影响。


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通过装配式建筑和被动房技术的结合,项目则可在全生命周期降低成本,减小对环境的污染,获得更好的居住体验,实现可持续发展。这无论对业主,环境还是居住者来说,都是一个多方互赢的局面。


目前世界范围内已经有一些项目开始将这两种元素相互结合,探索人类未来居住环境的建造模式。而位于纽约罗斯福岛的康奈尔大学科技校区公寓(The House at Cornell Tech)就将两种元素巧妙地结合在一起,成为了被动房历史中的里程碑。


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项目概况


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项目名称:康奈尔大学科技学院公寓(The House at Cornell Tech)

项目地点:纽约市罗斯福岛

建筑高度:82.3米,26层

建筑面积:25269.6平方米

公寓间数:352间


项目总览


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从规划之初,康奈尔大学就极具前瞻意识。他们设想将新校区建立成最环保的可持续发展项目,其中服务于教职工以及学生的公寓建筑是其一期建设中非常重要的一环。


项目合同中最初并未指明需通过被动房设计实现节能的愿景,但具有被动房开发经验的著名开发商Hudson公司和Related公司主动提出将这一理念加入到项目之中,建造历史首个高层被动房住宅。


面对严苛天气环境(主要指纽约极高的风荷载和温差)和节能目标的挑战,康奈尔大学科技学院公寓通过被动房方案交出了完美的答卷。


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项目团队认为,被动房建筑背后的基本理论很简单。它们具有高度绝缘,紧密的建筑围护结构,再加上节能的机械设备,可显著减少建筑加热,冷却和通风所需的能量。


建筑物的这三个方面——围护结构,通风系统以及供暖和制冷系统最难于正确设计和建造。


为了最大程度地减少项目的成本和复杂性,建造方案将所有其他一切都保持了尽可能的常规:建筑物本身是现浇混凝土结构,并使用了标准的材料和内部饰面。

同时,在纽约罗斯福岛这样一个位置上设计建造一个世界最高最大的住宅被动房给参与项目的各方带来了挑战。纽约全年温差大,风荷载较高,同时满足被动房的高标准及高风荷载下的建筑外围护结构是一个难题。


经过Steven Winter Associates和BuroHappold Engineering及其他参与各方的研究后,决定使用紧凑的建筑形式,通过降低建筑物的表面积与体积比去减少建筑物内部与外部之间的热传递,从而有助于建筑物在夏季保持凉爽而在冬季保持温暖。


同时将建筑物设计为南北朝向,在冬天能最大程度的利用太阳能且在夏季最小化太阳能的影响,尤其在夏季的午后不需要冷却系统来处所有低角度的太阳光带来的热量。


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外围护结构在被动房的“使用最少的能量维持舒适的室内环境”目标方面起着至关重要的作用。


为了同时满足被动房的高标准及高风荷载下的建筑外围护结构的稳定性,工程团队决定采用镀锌钢框架和定制的带有内置窗户的预制墙板,将玻璃的用量减少到了23%。


这种预制的金属面板确保了高质量的外围护系统,并安装有额外的隔热和连续的防水/蒸汽屏障,在安装过程中对外墙面板,窗户,建筑缝和连接处进行密封,最大限度的减少了热传递,其R值介于R-5到R-40之间,总体平均值为R-19。这一系统减少了建筑60%至70%的能量使用。


从概念上讲,与单元式幕墙(unitized curtain wall)相比,镶板墙(panelized wall)固有地在建筑物周边上的接缝更少,因此更易于实现气密性。高度预制的外围护结构还具有成本效益优势,且工厂中更好的质量控制带来了项目质量的提高及更快的现场施工速度。


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在外围护结构安装和密封的过程中,项目团队密切协调了结构中的机械设备和热桥切断的位置,以确保外围护结构的无热桥处理。


除了做到外墙的连续隔热,项目团队在主体混凝土结构连接(立面,屋顶,地基,入口雨棚)和阳台的连接处均安装了Schöck Isokorb® 的隔热装置。


同时在屋顶设备基础上使用承重的隔热装置,并使用了切断热桥的混凝土砌体单元。确保了无热桥设计与施工。


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针对被动房的高效新风热回收系统元素,康奈尔大学科技学院公寓安装了Energy Recovery Ventilation (ERV)系统来服务于大楼的通风和加热/冷却,安装在屋顶的ERV单元服务于公寓单元楼层的通风,安装在二楼的单元则负责一、二两层。


ERV系统可以从楼内排出的废气中提取热能和冷能用于处理新鲜空气的供应,当进入和排出的空气通过ERV时,热量和湿气便会交换,从而不断产生干燥的新风。


为了实现所需的热量回收,ERV采取了防霜和防潮措施,它们所在的屋顶位置还使产生机械噪音保持在了35分贝以下。


然而与大部分被动房采用 “穿墙式” ERV为单个公寓或家庭提供通风不同的是,世界最高的被动房项目采用了中央集成的空气分配系统。


因为在一个26层的高层建筑中,有500多名居住者和许多不定期的租约,更换组合式通风系统中许多单个过滤器的维护成本过高,且每个单元都需要定期更换空气过滤器。而中央空气分配系统仅有屋顶的ERV中存在少量空气过滤器,易于维护,也不会打扰住户。

楼宇的供暖和制冷则采用了Variable Refrigerant Flow (VRF) 可变制冷剂流量系统,它就像典型的空调一样,但在两个方向上都起作用:它可以在凉爽的月份从外部空气中吸收热量以提供热量,而在温暖的月份可以从室内空气中提取热量。


通过建筑周边连续循环的室外冷凝器,制冷剂流体被输送到每间公寓的蒸发器中,向每个房间提供热空气或冷空气。


这些空间充满了来自ERV的经过调节的新鲜空气,因此可最大限度地减少加热或冷却各个房间所需的功率。经过Buro Happold和Related的合作测算,在此被动房的每间公寓中单个蒸发器仅需具备四分之一吨的效能,但是市场上却没有小于一吨效能的产品。


尽管订单超过500个蒸发器,但可用的供应商仍未准备提供定制的蒸发器单元。由此可见市场对被动房所需的产品尚未准备充分,希望随着低能耗或近零能耗建筑的发展,市场可以在未来作出回应。


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预制规模


近139354.56平方米的预制镀锌钢框架铝聚合材料面板(配合高性能纤维水泥)。


主要项目特征


  • 世界上最高且建筑面积最大的单体被动房住宅建筑;

  • 获得来自NYSERDA的Multifamily Performance Program项目奖励;

  • LEED Platinum Certified LEED白金项目认证;

  • ENERGYSTAR®能源之星认证;

  • Passive House Accreditation被动房认证;

  • 每年减少882吨二氧化碳排放,相当于种植5300棵树;

  • 三玻两腔的玻璃装配U值仅为0.193,纽约市的标准为0.4;

  • 实现热量回收的Energy Recovery Ventilation (ERV)设备采取了防霜和防潮措施并安装在屋顶位置,其机械噪音保持在35分贝以下;

  • 混凝土连接及阳台连接处均采用Schöck Isokorb® 的隔热装置;

  • 在ASHRAE 90.1-2007的标准下降低了36%的光照能源使用;

  • 在通风管道中使用Aeroseal(一种聚合物)密封剂,减少了90%的空气泄露,大大提高了能源效率;

  • 在50帕斯卡气压的情况下,测得的每小时换气量仅为0.13(被动房最大标准为0.6)。


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康奈尔大学科技学院公寓通过细致的朝向/光照设计、超高气密性和连续隔热的外围护系统、结构连接处的热桥切断处理和ERV/VRF系统从多个环节满足了被动房的认证要求,作为第一个高层被动房住宅,我们可以从项目介绍中看出其在某些方面的性能表现甚至比一些指标/规范的要求要高出许多。


然而从被动房的认证要求来看,可以说建筑的外围护结构承担了最重要的责任。一个具有极高气密性和隔热的外表皮能阻止内部热量的流失,极大程度的降低建筑对采暖能源的需求和最大采暖荷载,使建筑物基本满足被动房的五点认证指标。


下面我们就来详细地看看采用了高度预制外围护墙板的康奈尔大学科技学院公寓是出色地实现隔热和气密性的。


从事“世界上最高的被动房项目”本身是一种荣誉,也一个巨大的挑战。作为该项目的外围护构件分包商,Eastern Exterior Wall Systems Inc.通过与建筑师,幕墙顾问和被动房工程顾问合作,将其Mega Panel产品进行定制,完成了构件的开发和制作,包括实现这种高性能预制外墙系统所需的细节和施工方法。


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外墙面板使用镀锌轻钢框制作而成,表面为铝复合材料(ACM)和纤维水泥。ACM是一种由两片0.5厘米的铝板粘合在耐火热塑性芯材上制成的薄板,单个铝板在数控机床上进行加工,以实现紧密和精确,然后将完成的铝板通过铝型材固定到面板上。


ACM材料的面板从镀锌轻钢框架开始制作,并通过机械方式固定到玻璃纤维增强的外部护套中。然后根据项目规格将此组件包裹在空气和蒸汽屏障中。


根据需要安装半刚性矿棉隔热材料,以满足能源规范的要求。金属面板采用湿密封系统提供,该系统使用硅酮填缝,可防止水和空气渗入覆层后面。


该系统还具有排湿功能,使用湿膜和内膜作为防潮的第二道防线。同时该系统重量较低,减轻了主体结构的负担。


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而纤维水泥实为建筑高性能混凝土,具有很强的抗压和抗拉能力,可以承受一定程度的变形而不会开裂或断裂。这种材料可视为低孔隙率水泥混合物,由细骨料形成,并与纤维混合以增加强度。


Eastern Exterior Wall Systems Inc.在车间中将玻璃纤维增强的护套的基材连接到镀锌钢框架上,然后将其封闭在空气/防水层中。板与板之间的接缝处用硅酮填缝剂进行现场密封,形成一个完全防水的建筑空腔。


水泥板通过隐蔽的热隔离铝夹固定在基体上。这种制造技术创造了一个压力均衡、通风的空间,防止湿气和热量渗透到建筑腔体中。


空气流通减少了对暖通空调系统的需求,也防止了霉菌的生长。单块板和块之间的干连接使热量和地震活动不会在外墙造成裂缝和断裂。


每个面板的高度为9到11米,高一层。窗框采用三玻两腔玻璃进行隔热。EEWS在工厂生产面板时安装了窗户,以确保气密性。巨型面板通过塔式起重机吊起,并固定在预留在建筑的锚上。


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最终,总面积近13935.5平方米的大型外墙面板作为一个完整的外围护系统(被交付到现场完成了安装。经过完成安装后的鼓风机门测试(确认外壳的气密性)后,发现建筑物的性能已经超出了允许气流率的25%的预期水平,从而确保了被动房的认证。


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在被动房中,消除热桥(这种情况是由金属或混凝土制成的裸露元素将热量传导至建筑物内部或从建筑物内部传导出去)与密封性一样重要。


热桥不光会导致热量的流失,还会增加霉菌生长的可能性,既使供暖的成本上升,还影响着住户的身体健康。


康奈尔大学科技学院公寓项目在处理外围护和楼顶设备的热桥时,采用了一系列的产品来缓解热桥和空气的渗透,其中主要包括:

  • 热桥分隔夹Thermal Clip

  • 平板隔离器Slab Isolator

  • 隔热混凝土砌块Insulated CMU Block

  • 承重隔离器Load-bearing Isolator

  • 防蒸汽渗透垫片Vapor Permeable Gasket

  • 防蒸汽渗透胶带Vapor Permeable Tapes

  • 隔热玻璃窗/暖边垫片Warm Edge IGU Glass Spacers

  • 蒸汽缓凝剂Vapor Retarder


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这些产品都在创造连续的隔热保温层方面发挥了巨大的作用。


而建筑另一大热桥集中区域就是混凝土结构连接处,例如阳台、护栏、墙基等。项目团队在处理这些热桥的时候,选择了德国著名公司Schöck的Isokorb®隔热装置。


这是一个非常成熟的混凝土结构连接处的热桥处理方案,目前已在国外多个著名被动房和装配式项目中使用处理相关问题。其断桥构件保证了立面保温的连续性,同时也达到承重的作用。


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最典型Isokorb®K型隔热装置由防火板、THE(高热效率)抗压模块、抗拉与抗剪力钢筋及保温材料组成。在形成断热的同时,该系统还能转移负载和保持结构完整。


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Schöck Isokorb隔热连接系统是一系列的系统,每个组合部件包括高密度聚苯乙烯料套管,高密度高强度混凝土轴承座或钢制轴承座或钢制抗压杆以及EPS绝热材料每米长的模块数是4到8个,取决于负载的要求。


不锈钢直杆和弯杆的布置是通过EPS模塑和轴承块作为拉伸和剪切加固;这些都是工厂焊接的钢筋条,以提供阳台和楼板结构之间的连续性。


此外Schöck还有针对各种结构连接和各种结构的多种隔热产品,从现浇混凝土结构到装配式混凝土结构再到钢结构,都可以使用Isokorb®隔热装置进行断热处理,实现理想的连续隔热和保温。


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随着我国各地纷纷推行超低/近零能耗建筑,强调其在未来城镇建设中的重要性,被动设计元素在项目开发中的应用将会愈发常见。


从康奈尔大学科技学院公寓项目来看,作为在降低建筑能耗方面发挥最主要作用的外围护结构是十分适合通过高度预制的外墙板来达到气密性和隔热的要求的。


从符合项目要求的外饰面材料到保温层,从在工厂中提前安装的玻璃窗再到一系列为了达到密封及断热桥所使用的细节技术和产品,全预制的外围护系统不光让项目质量更高更快地完成,符合了各项规范要求,还真正地降低了建筑的维护和运营成本,改善了居住空间的使用环境。


对建筑能源使用和居住环境产生较大影响的热桥的也是不可忽视的一点。正如文章中所提及的,目前在此类被动房和对能耗有要求的项目中,切断热桥的隔热装置正在被广泛使用。


欧洲公司Kornicki的研究表明,通过阻断热桥能将墙表温度提高多达6℃,大大减少了建筑能源的使用,具有极高的经济和健康效益。


犀点希望通过借鉴康奈尔大学科技学院项目,为国内被动房及各类超低/近零能耗建筑的发展带来一些启示,共同建设一个可持续发展的未来建筑生态环境。