严寒地区装配式EPS模块被动房

题图：欧洲最大的被动房项目—海德堡列车新城   资料来源：卢求摄

01 项目背景及概况

装配式建造和近零能耗建筑是中国建筑行业最受关注的两个话题，在严寒地区建造近零能耗建筑（被动房）是一个不小的挑战。五合国际的专家团队参与了住建部2015年《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》和2019年国家标准《近零能耗建筑技术标准》的编制、以及部分近零能耗建筑的设计实践工作。

本项目所在地哈尔滨市地处严寒气候区，冬季室外温度可达摄氏零下30多度，在这样的气候环境下建造被动房难度较大，项目采用装配式EPS模块混凝土结构和一系列节能技术措施以提高近零能耗建筑（被动房）在严寒地区的可行性。本文专业性较强，建筑学专业的小伙伴们想读懂这篇文章也是一个小挑战。

建设被动式超低能耗建筑对于降低建筑能耗，构建低碳社区，有着重要意义，哈尔滨市属于严寒地区比较有代表性的城市，冬季采暖期近六个月，常规建筑的采暖能耗较高。如仅依靠被动式的保温手段，降低采暖措施的容量与使用强度，室内环境的舒适度会受到挑战。

以装配式建筑为代表的建筑工业化是以低碳可持续为导向的一次建筑产业升级。它既可以大幅提升建筑质量，包括建筑的安全性、耐久性都会有很大的提高；还可以减少资源浪费和对周边环境的影响。随着建筑工业化水平逐步提高，装配式建筑也在逐步向高品质、近零能耗建筑发展，我们完全可以在这种建筑身上附加更多的功能和价值，以适应我们国家新型城镇化、新农村建设的需求。

本项目尝试采用装配式EPS模块混凝土结构技术在严寒区域建设被动式建筑，通过实际项目的建设，为严寒地区被动式建筑的设计建造提供一定的思路和经验。

本项目位于哈尔滨市，属于严寒地区，五合国际负责该项目近零能耗（被动房）技术设计咨询工作。图1.1为项目规划总图，图1.3~图1.4为建筑方案设计平面图。

半地下室为库房，地上一层有中西餐厅、厨房、服务员用房等空间，二层和三层为健身房、客房和客厅。总建筑面积593.84㎡（使用面积528㎡） ，其中半地下室面积为150.05㎡，地上面积为443.79㎡。

图1.1   项目总规划平面图

图1.2   被动房展示项目效果图

图1.3   首层平面图

图1.4 二层平面图

02 设计标准和室内参数

本项目被动房设计所采用的标准满足2019年1月颁布的《近零能耗建筑技术标准》和住建部2015年颁布的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》的要求，即严寒地区建筑的年供暖能耗指标要求为≤18kwh/㎡a；年供暖、供冷和照明一次能耗消耗量要求为≤55kwh/㎡a。房屋气密性指标为n50≤0.6次。

①室内温度：20~26℃，夏季开窗自然通风时，室内温度≤28℃；

②室内相对湿度≤60%，夏季开窗自然通风时，室内相对湿度≤70%；

③新风量≥30m3/(h·人)；

④全年室内温度高于28℃的小时数占全年时间的比例≤10%；全年室内温度低于20℃的小时数占全年时间的比例≤10%。

03 项目所采用的技术系统

为了提高本项目的工程建设质量，做到外保温与建筑同寿命，本项目外墙体系采用了保温与结构一体化的被动式低能耗建筑建造技术，即外墙外保温采用EPS模块外墙外保温现浇系统来取代EPS板外墙粘贴系统，此方法既可以加快施工进度，减少人工成本，又可保证施工质量，可实现保温与结构模板一体化，杜绝了外保温系统常年使用脱落的可能性。

该模块是按建筑模数、节能标准、建筑构造、结构体系和施工工艺的需求，通过专用设备和模具高温真空一次成型制造。其熔结性均匀、压缩强度高、技术指标稳定、几何尺寸准确，最大负误差0.2mm。该技术有易施工性强、工程质量易保证的特点。房屋建造如同摆积木，可以取代了粘土砖和块状组砌墙体，有利于淘汰落后技术和产能，摒弃了传统的房屋建造施工工艺，实现了建筑保温与建筑模板一体化和建筑保温与建筑结构一体化。

该EPS模块，导热系数为0.033W/(m·k)，考虑到施工因素和室内舒适度余量等，外墙的保温厚度设计值为300mm。依据黑龙江省地方标准《HS-ICF外墙外保温建筑节能体系技术规程》，外保温选用直板模块150mm和150mm进行组合安装。

图3.1 EPS模块

外墙平均传热系数设计为0.15 W/(㎡·K)，采用外墙外保温形式。其中，外墙平均传热系数为包括主体部位和周边热桥（构造柱、圈梁以及楼板伸入外墙部分等）部位在内的传热系数平均值。地下室外墙平均传热系数设计为0.20 W/(㎡·K)，保温厚度设计为250mm，保温材料应具有抗压、耐水性能。

屋面平均传热系数设计为0.15W/(㎡·K)，采用外保温形式，屋面保温材料也采用普通EPS模块，保温厚度设计值为300mm，选用直板模块150mm和150mm进行组合安装。

由于地下室为库房，人员密度较低，实际运行中温度有可能偏低，与首层的温差会大于5℃，为保证首层房间的舒适度，本项目的地下室顶板进行保温处理，并在地下室的楼梯间设置内门隔断，防止冷风进入到首层。顶板的传热系数为0.5 W/(㎡·K)，按标准保温材料选用EPS直板模块70mm。

模块性能指标

本项目外门窗采用内外窗结构，外窗为三玻双中空（4+12A+4+12A+4）铝合金外窗，，内窗为双玻中空结构5+12A+5，平均传热系数为0.80 W/(㎡·K)。外窗玻璃采用暖边技术，改善玻璃边缘传热系数，避免外窗中空玻璃边缘结露的可能性。

外门窗具有良好的气密、水密和抗风压性能。依据现行国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T7106，其气密性等级不应低于8级、水密性等级不应低于6级、抗风压性能等级不应低于9级。外窗安装的洞口，在室内侧粘贴防水隔气膜，或采用防水保温涂料；室外侧采用防水透气膜处理。

本项目屋面与外墙的保温层采用连续设置，以确保不出现结构性热桥。突出屋面结构体的保温与屋面、墙面连续，以确保不出现结构性热桥。地面保温也与外墙保温形成连续的保温层，不出现结构性热桥。

本项目窗户采用外挂安装，窗框内表面与结构外表面齐平，保温层压住窗框，以避免热桥。窗框与墙体之间的缝隙应用密封材料处理。外窗采用金属挂件的方式与墙体连接固定，固定位置均匀分布在外窗上下左右四个边框上。外窗支撑件选择耐久性好、导热性差的塑料件，以避免热桥。     

图3.2

图3.3

图3.4

图3.5

图3.2-3.5 施工过程照片

通过对建筑的全年逐时能耗模拟，本项目建筑总负荷包括建筑负荷和新风负荷，其中冬季新风负荷占建筑总热负荷的85%以上，夏季新风负荷占建筑总热负荷的20%以上。在合理的送风温差内，新风系统能够承担房间的室内冷热负荷，不需要另设其他形式的供暖系统.

但冬季处理新风负荷的能耗较大，达到37kW。见图3.1，通过模拟热回收装置可提供的能量图，我们可以看到仅依靠室内人员及日照得热和新风热回收装置无法满足室内的舒适度要求。

图3.6   新风热回收装置可提供的能量

另外对于严寒地区，随着冬季新风温度的降低，热回收器排风侧的温度也会随之降低，从而产生冷凝水，当温度进一步降低时会产生霜冻及霜堵现象，影响系统运行。因此本项目的新风热回收系统了防冻措施，在新风入口侧设置空气预热器，当室外温度降低到一定程度时（依据德国经验，新风防冻加热盘管余热启动温度为-4℃），开启预热器，使热回收新风入口侧空气温度高于3℃以预防结霜。

因此在冬季对新风进行热处理，包括预热、热回收以及加热等三个空气处理过程，保证室内舒适度，见图6.2。其中，新风经过预热处理段后，温度可达到3℃；通过显热热回收效率为70%的热回收段B，温度可提升到14℃；之后通过空气处理段C，将新风处理到送风状态点。

总新风量按照总人数确定，每人所需最小新风量按照30 m3/(h人)计算。

图3.7   新风处理系统流程图

在新排风之间设置旁通管，当冬季房间不使用或夜间值班采暖的情况下将新风阀门关闭，可以实现全回风模式，以大幅减少新风能耗。

关于厨房排烟问题，由于中式炒菜做饭时油烟较大，厨房区域一般来说会设置独立的排油烟系统；为了不使排油烟系统破坏房间整体的气流组织与能量平衡，所以要在厨房采取就近补风措施，并从室外直接补风，补风口设置在灶台附近，补风口上加设逆止阀，保证气密性；同时，厨房门由推拉门改为平开门，并安装闭门器，避免从室内补风或者影响其它房间的气流组织。为了提高可操作性，将补风措施和闭门器与排油烟系统进行联锁启停控制。

04 能耗模拟分析

本项目能耗模拟采用IES(VE)模拟软件，计算分析本项目冷热负荷，并计算建筑总能耗。

图4.1   三维模型示意图

通过模拟软件，对被动式房屋进行逐时冷热负荷计算，模拟结果如下图所示。

冬季

建筑最大热负荷发生在每年的01月18日，此时热负荷为5.00kW。

图4.2   采暖季建筑逐时热负荷(按小时)

夏季

建筑最大冷负荷发生在每年的07月30日，此时冷负荷为11.86kW。

图4.3   空调季建筑逐时冷负荷(按小时)

01月18日，此时新风热负荷为37kW；07月30日，此时新风冷负荷为3.35 kW。

图4.4   建筑全年逐时新风负荷(按小时)

由上模拟可知，不包括新风负荷，室内热负荷为5.0 kW，室内冷负荷为8.51kW。

表4.1   建筑能耗统计汇总表

05 结论

本项目将被动式建筑技术体系与EPS模块保温与结构一体化技术相结合，提高建筑整体的围护结构保温性能和气密性，从而大幅降低建筑冬季采暖负荷，进而降低本项目的一次能源消耗量。

通过全年能耗逐时模拟分析和室内温度模拟，我们可以得出在严寒地区仅依靠室内人员及日照得热和新风热回收装置无法满足室内的舒适度要求，必须要采用辅助热源加以配合。

对于在严寒地区的被动式建筑，冬季供暖热负荷中占比最大的是新风负荷，负荷占比高达70~80%，而建筑本身热负荷指标基本可以控制在10w/㎡以内。所以此类项目在冬季极端气候时间可根据人员密度适当降低新风量以控制供暖系统的负荷需求，从而降低项目全年运行能耗。

项目目前缺少建成后的实际运行数据，项目所获得的经验有待进一步总结和完善。可以预见，采用装配式EPS模块技术在严寒地区建造较低成本的被动房，未来有广泛的应用前景。