嚴寒地區(qū)綠色建筑關鍵技術體系構建
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【摘要】《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）（居住建筑）》明確了應對被動式超低能耗綠色建筑進行標識評價。論文基于《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）（居住建筑）》與國內(nèi)外綠色建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，通過對嚴寒地區(qū)實際項目的節(jié)地、節(jié)能和節(jié)水三方面的調(diào)研，梳理嚴寒地區(qū)超低能耗綠色建筑的基本特征，構建適合嚴寒地區(qū)發(fā)展的超低能耗綠色建筑關鍵技術體系，為推動嚴寒地區(qū)的綠色建筑可持續(xù)發(fā)展提供良好的技術支持與有益探索。
【關鍵詞】嚴寒地區(qū)；綠色建筑；關鍵技術體系
1引言
隨著我國新型城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，對我國綠色建筑的節(jié)能減排又提出了新階段的高要求。國際上，建設被動式超低能耗綠色建筑是實現(xiàn)快速發(fā)展的關鍵路徑。由于我國嚴寒地區(qū)具有特殊的氣候特征，因此，需要依據(jù)現(xiàn)有的綠色建筑技術體系提出適合嚴寒地區(qū)超低能耗綠色建筑發(fā)展的新思路和新方法。被動式超低能耗建筑又被稱為“被動式低能耗建筑”或者“被動房”，傳入我國時也被譯為“無源房屋”[1]，它起源于20世紀80年代的德國。1988年，瑞典隆德大學的阿達姆森教授和德國的菲斯特博士首先提出“被動式房屋”這一概念，他們認為被動房建筑是無需主動的采暖和空調(diào)系統(tǒng)就可以維持室內(nèi)舒適熱環(huán)境的建筑[2]。國內(nèi)專家學者也已對被動式超低能耗建筑的概念界定達成共識，認為利用氣候條件和自然特征，應用性能良好的圍護結構，附加高效的新風系統(tǒng)，充分利用可再生能源的低能耗建筑即為被動式超低能耗綠色建筑。經(jīng)驗證，國外的被動式超低能耗綠色建筑已經(jīng)成為長壽命的建筑，也已獲得歐盟國家的認可，并開始實施立法，強行推動。但國內(nèi)仍缺乏針對區(qū)域性尤其是嚴寒地區(qū)具有實踐意義的綠色建筑技術指導路徑。因此，探索被動式超低能耗綠色建筑的關鍵技術體系仍然是東北嚴寒地區(qū)發(fā)展綠色建筑的重要舉措。
2被動式超低能耗綠色建筑研究現(xiàn)狀
結合我國氣候分區(qū)的不同特征，國內(nèi)專家學者分別在理論、方法及應用實踐方面針對性地提出了適合不同氣候區(qū)域發(fā)展的被動式超低能耗綠色建筑的關鍵技術路徑。王學宛等[3]通過分析國內(nèi)外超低能耗建筑設計方法相關研究，提煉了三種科學通用的超低能耗建筑設計方法——關鍵參數(shù)限額法、雙向交叉平衡法和經(jīng)濟環(huán)境決策法。馮國會等[4]在對比了德國的被動式建筑技術體系及住房和城鄉(xiāng)建設部出臺的《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》（建科[2015]179號）基礎上，圍繞近零能耗建筑圍護結構體系、建筑設備技術、高性能建筑能源系統(tǒng)、可再生能源建筑一體化設計、智能化控制、建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱濕環(huán)境控制等方面搭建了嚴寒地區(qū)近零能耗居住建筑示范平臺。陳小凈等[5]結合被動式超低能耗建筑的六大關鍵技術進行了實證研究。孫峙峰等[6]依據(jù)《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）（居住建筑）》對首批授予評價標識的全國19個項目的實際情況進行被動式超低能耗綠色建筑關鍵技術的應用水平和增量成本分布分析。陳強等[7]結合山東建筑大學實驗樓項目提出了寒冷地區(qū)被動式超低能耗綠色建筑的關鍵技術體系，為日后寒冷地區(qū)發(fā)展被動式超低能耗綠色建筑的發(fā)展路徑指明了方向。
3嚴寒地區(qū)建筑的特征分析
GB50352—2005《民用建筑設計通則》中對我國進行氣候區(qū)劃分，建筑氣候區(qū)劃包括7個主氣候區(qū)，20個子氣候區(qū)。東北地區(qū)按照建筑氣候分區(qū)屬于嚴寒地區(qū)，氣候特點是冬季嚴寒且持續(xù)時間長，夏季短促且涼爽，冬季冰凍期長，積雪后太陽輻射量大、日照豐富。全年施工周期持續(xù)8個月，一般從11月末至次年3月末為冬歇期，冬季供暖周期長，因此，該區(qū)的建筑物總體規(guī)劃與單體設計上需要滿足冬季日照和防寒保溫等關鍵要素，盡量加強建筑物的密閉性，合理利用太陽等自然能源的節(jié)能措施，建筑能耗主要以冬季采暖為主。隨著國家城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，東北嚴寒地區(qū)的建設項目陡增，建筑規(guī)模不斷擴大，同時包括大量的地下空間開發(fā)。以建筑節(jié)能視角來看，節(jié)能建筑的占比很小，被動式超低能耗的綠色建筑更是鳳毛麟角。門窗和屋面的保溫隔熱性能難以達到住宅建筑節(jié)能設計標準，與同緯度的發(fā)達國家相比能耗差值較大。據(jù)估算，單位能耗為同緯度發(fā)達國家的四倍到五倍，屋頂能耗為四倍左右，門窗能耗約為兩倍。因此，東北嚴寒地區(qū)的建設項目主要的問題是由于建筑圍護結構不合理而導致熱工性能較差，從而導致熱能耗與熱損失較多。隨著東北老工業(yè)基地地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，針對改善型住房與學位房的需求逐年增加，人們對居住環(huán)境的配套程度要求也逐年提升，建筑能耗方面更是面臨著新的挑戰(zhàn)。因此，探究適用于東北地區(qū)的建筑節(jié)能技術體系是各級政府及企業(yè)所密切關注的問題，也是綠色建筑領域亟需推廣的核心綠建技術。
4嚴寒地區(qū)被動式超低能耗綠色建筑關鍵技術
我國嚴寒地區(qū)的綠色建筑大多停留在概念的階段，缺乏因地制宜的技術。嚴寒地區(qū)的綠色建筑設計要求較多，不僅需要滿足建筑一般特性，也要符合GB/T50378—2014《綠色建筑評價標準》等相關標準，并且需要與當?shù)氐牡赜蛱攸c以及氣候特征相結合。對于寒冷的東北地區(qū)來講，建筑節(jié)能分為建筑物自身節(jié)能和供熱系統(tǒng)節(jié)能兩個方面。本文從節(jié)地、節(jié)能和節(jié)水三方面分析構建嚴寒地區(qū)實施被動式超低能耗綠色建筑的關鍵技術。
4.1節(jié)地
通過實際項目調(diào)研和專家經(jīng)驗的融合，嚴寒地區(qū)節(jié)地措施的主要對象是室外道路、廣場和停車場，綠地面積為35%，植草磚面積為5%，透水混凝土面積為10%。由于嚴寒地區(qū)氣候寒冷且冬季約占全年時段的一半，因此，不建議采用屋頂綠化措施，但可以適當考慮鋪貼式墻體綠化、模塊化墻體綠化或者植物攀爬式墻體綠化。
4.2節(jié)能
4.2.1建筑規(guī)劃與設計
面對全球的能源環(huán)境問題，許多具有創(chuàng)新性的設計理念應運而生，如被動式建筑、零能耗建筑及綠色建筑等概念被廣泛推廣。在建筑規(guī)劃和設計時，根據(jù)氣候條件的影響及建筑物所在具體環(huán)境的特征，主要利用自然環(huán)境來創(chuàng)造良好的建筑室內(nèi)氣候，盡量減少對各種電子設備的依賴。建筑的規(guī)劃與設計要符合合理的建筑形體設計，并充分利用建筑室外微環(huán)境來改善建筑室內(nèi)微環(huán)境，主要通過建筑構件的結構設計和建筑內(nèi)部空間的合理分隔設計得以實現(xiàn)。
4.2.2建筑物圍護結構保溫隔熱系統(tǒng)
建筑物的圍護結構一般由屋頂、墻、地基隔熱材料、密封材料、門和窗以及遮陽設施構成。一般情況下，增加建筑圍護結構的費用僅占總投資額的3%～6%，節(jié)能卻高達20%～40%。構建建筑物的保溫隔熱系統(tǒng)是對建筑物采取良好的保溫隔熱的主要措施。外墻外保溫是嚴寒地區(qū)保溫效果最好、應用最廣泛的一種建筑保溫形式。保溫材料選擇主要考慮導熱率與燃燒特性，歐盟新研制的只允許單方向傳熱的熱二極管墻體可以產(chǎn)生良好的隔熱效果，也可以運用具有性價比高的熱工性能玻璃。外墻保溫厚度由所在氣候區(qū)一級基層墻體材料所控制，外墻保溫隔熱層厚度一般為23～40cm，屋頂保溫采用隔熱方式，也可采用反射降溫等方式。
4.2.3節(jié)能窗戶
門窗在建筑中的作用是采光、通風和圍護，是最容易造成熱損失的構件，為增大采光通風面積，建筑物的門窗面積逐步增大，這就給建筑節(jié)能方面提出了更高的挑戰(zhàn)。對門窗構件的節(jié)能處理是通過改善保溫隔熱性能和提高門窗的密閉性能實現(xiàn)。目前推廣使用的新型環(huán)保節(jié)能窗戶有鋁合金斷熱型材、鋁木復合型材、鋼塑整體擠出型材、塑木復合型材以及UPVC塑料型材等一些技術含量較高的節(jié)能產(chǎn)品。
4.2.4高效能暖通系統(tǒng)
隨著技術發(fā)展的不斷成熟，高效能的暖通空調(diào)系統(tǒng)是調(diào)節(jié)室內(nèi)冷熱負荷的重要措施，如熱泵系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)和新風系統(tǒng)等。在使用中采用能源管理和監(jiān)控系統(tǒng)雙輪驅(qū)動來監(jiān)督和調(diào)控室內(nèi)的舒適度、室內(nèi)空氣品質(zhì)和能耗情況，如歐洲國家通過傳感器測量周邊環(huán)境的溫、濕度和日照強度，然后基于建筑動態(tài)模型預測采暖和空調(diào)負荷，從而控制暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行。針對嚴寒地區(qū)干燥的氣候特征，對暖通系統(tǒng)加設增加濕潤度的功能，使室內(nèi)濕度達到舒適的指標。研究結果表明，使用不帶換熱功能的新風換氣系統(tǒng)可以節(jié)能30%，如果帶換熱功能，節(jié)能將高達80%以上。在德國，新風換氣系統(tǒng)已經(jīng)與建筑物融為一體，成為不可缺少的重要組成部分。嚴寒地區(qū)在冬季采暖期能耗上升，被動式超低能耗綠色建筑建議采用集中與分散供熱，合理使用地源熱泵系統(tǒng)等高效能暖通供熱系統(tǒng)，并接入溫度監(jiān)測設備，實時調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，因地制宜，為建筑物選擇合理的供熱空調(diào)方式。
4.2.5建筑遮陽系統(tǒng)
建筑遮陽裝置一般分為外遮陽、內(nèi)遮陽和位于兩層玻璃之間的中置遮陽。外遮陽應用最廣泛，適用于朝南、朝東和朝西的大面積窗戶及天窗處，既防止陽光直射，也阻擋室內(nèi)溫度上升。內(nèi)遮陽主要以防眩為主，遮陽為輔，適用于嚴寒地區(qū)，在防止陽光直射的同時，可以提高室內(nèi)溫度。中置遮陽兼有內(nèi)外遮陽的特點，一體性較強，不易損壞，但造價較高。通過不同遮陽裝置的組合使用，在夏季可以大大降低空調(diào)負荷，在冬季可以節(jié)省取暖能源。研究結果表明，利用遮陽技術，建筑物可節(jié)省約40%的能源。德國十分注重建筑遮陽技術的研發(fā)和應用，無論是辦公樓、商業(yè)建筑還是住宅樓，隨處可見遮陽裝置。
4.3節(jié)水
嚴寒地區(qū)水資源匱乏，建議設置雨水收集系統(tǒng)收集屋面、地面以及綠地的雨水，用于用地紅線內(nèi)的綠化灌溉和道路澆灑。GB50400—2016《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術規(guī)范》中規(guī)定雨水設計徑流總量公式：W=10ΨchyF式中，W為雨水設計徑流總量，m3；Ψc為雨水徑流系數(shù)；hy為年降雨量，mm；F為匯水面積，hm2。長春市年平均降雨量為570mm，可回收的雨水再利用可達每年約1000m3。
5結語
本文通過對比總結出嚴寒地區(qū)在發(fā)展被動式超低能耗綠色建筑的技術重點是發(fā)展適合嚴寒地區(qū)建設發(fā)展的本地化關鍵技術體系。在試點示范項目的基礎上，進一步推進超低能耗的綠色建筑發(fā)展，為良好推進嚴寒地區(qū)超低能耗綠色建筑工作探索出適應本地的可持續(xù)發(fā)展道路。
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作者：王婉 滕佳穎 單位：吉林建筑大學經(jīng)濟與管理學院