高层装配式建筑的超低能耗技术应用
——以焦化厂公租房为例

潘悦 王凌云 / PAN Yue, WANG Lingyun

高层装配式建筑的超低能耗技术应用
——以焦化厂公租房为例

潘悦 王凌云 / PAN Yue, WANG Lingyun

焦化厂公租房项目是我国首个将超低能耗技术与装配式结构相结合的住宅建筑。从户型面积限制、建筑朝向以及装配式混凝土结构入手，本文分析了高层装配式公租房建筑的超低能耗技术设计策略，以期为国内超低能耗绿色建筑的发展提供借鉴。

超低能耗 装配式 公租房

1 引言

我国正处在城镇化快速发展和全面建成小康社会的关键时期，建筑节能和绿色建筑是推进新型城镇化、建设生态文明、全面建成小康社会的重要举措。《国家新型城镇化规划（2014-2020）》提出了到2020年，城镇绿色建筑占新建建筑的比重要超过50%的目标，《关于加快推进生态文明建设的意见》要求，要大力发展绿色建筑，实施重点产业能效提升计划等措施，为推动城乡建设工作提出了新的任务和要求。2016年2月，中共中央国务院发布的《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》指出：大力推广装配式建筑，减少建筑垃圾和扬尘污染、缩短建造工期、提升工程质量。……加大政策支持力度，力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。……推广建筑节能技术。提高建筑节能标准，推广绿色建筑和建材。支持和鼓励各地结合自然气候特点，推广应用地源热泵、水源热泵、太阳能发电等新能源技术，发展被动式房屋等绿色节能建筑。北京市焦化厂公租房项目由北京市保障性住房建设投资中心出资建设，其中的3栋住宅楼，作为北京市试点的第一个超低能耗建筑项目，率先实践了装配式建筑技术及超低能耗被动房技术。

2 项目概况

焦化厂公租房项目位于北京市朝阳区垡头地区，用地原址为焦化厂厂区，2006年焦化厂停产，用地进行无害化处理后，政府拿出一部分用地用于保障性住房建设，其中公租房地块规划用地10hm2，总建筑面积54万m2，其中地上建筑面积近30万m2，建设4 646套公租房（图1、2）。

作为超低能耗示范建筑的3栋公租房位于项目东区的北侧，分别为17#、21#、22#，共560户，总建筑面积34 940m2，其中地上建筑面积29 400m2，地下建筑面积5 540m2（图3、4）。21#、22#公租房高度为80m，结构体系中水平构件采用预制装配式生产，其他部分为现浇混凝土结构。17#公租房高度为60m，结构体系中主要水平及竖向构件均采用预制装配式生产，是全预制装配式混凝土建筑。

3 超低能耗公租房的特点

与普通的被动式住宅不同，公租房是由保障房中心建设和管理、供住房困难家庭使用的住房，具有产权与使用权分离的特点。因而焦化厂超低能耗公租房项目在技术设计层面面临诸多新课题。

3.1 户型面积限制

根据《北京市公共租赁住房建设技术导则（试行）》的要求，公租房的户型面积需要控制在60m2以下，户均人数为2.5人。焦化厂公租房项目共有3种户型，分别为40m2、60m2、60m2。以17#公租房为例，共18层，每层8户，共144户，360人，根据计算，该项目户均建筑面积仅为国内其他超低能耗住宅的1/3～1/2。因此，人体散热对能耗计算的影响要比一般住宅大很多。冬季，由于大量的人体散热，建筑采暖能耗需求很低，只有不到1kWh/（m2·a），但夏季的制冷能耗达到27kWh/（m2·a），虽然总能耗没有超过30kWh/（m2·a），但是超过了《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）》（以下简称《超低能耗导则》）的要求（表1）。

3.2 建筑朝向对能耗的影响

图1 总平面

图2 鸟瞰

焦化厂公租房用地与化工路平行，主要建筑沿道路进行布置，住宅的朝向为南偏西32°。项目的整体规划布局使得建筑西南向在夏季和冬季的得热均较大，这种特点在夏季是不利因素，在冬季又成为有利因素。因此，夏季的制冷能耗成为需要重点考虑的因素。经过模拟计算，建筑的冬季供暖需求远低于《超低能耗导则》规定的15kWh/（m2·a），但是夏季的供冷需求因为单位面积的人数及电器散热增多等因素，超过了《超低能耗导则》规定的能耗指标。

图3 项目总平面

图4 超低能耗公租房外观效果

3.3 预制装配式剪力墙体系与超低能耗技术的结合

焦化厂公租房项目首次尝试了装配式混凝土结构与超低能耗技术的结合，这在业界尚无建成的先例，因而在项目过程中遇到了许多前所未有的问题，例如，预制夹心保温外墙的设计、被动窗与预制外墙的安装节点设计等。面对诸多问题，通过与预制构件厂、外保温材料厂家及外窗厂家多方的配合与讨论，从而确定了可行的实施方案。

4 超低能耗技术策略

超低能耗公租房的技术策略首先表现在规划及建筑单体设计符合超低能耗建筑的技术要求，其次是在高性能的外墙保温系统、低能耗的外窗系统、无热桥的设计、卓越的气密性和高效的热回收系统等几个方面符合超低能耗建筑的技术要求。

4.1 规划及建筑设计

根据焦化厂公租房项目的整体规划，所有住宅的主朝向为南偏西32°。在3栋公租房的能耗计算中，建筑主朝向的外墙为西向，导致夏季得热较多、制冷能耗较高，因而在建筑外立面设计了预制阳台作为固定外遮阳，同时设计活动外遮阳，既满足了功能的需要，又有效地降低了能耗。建筑平面采用规整紧凑的布局（图5），有利于降低建筑的能耗。方案采用一层8户的设计，由3种户型组成，外立面平整，以减少外墙凹凸带来的自遮挡及能耗损失。

图5 超低能耗公租房标准层平面

表1 焦化厂超低能耗公租房17#楼能耗计算结果（数据来源：马伊硕）

图6 预制结构外墙构造

图7 预制构件

4.2 外墙保温系统的设计

21#、22#公租房是现浇钢筋混凝土剪力墙结构，采用与其他超低能耗被动式住宅相同的外保温技术。但是，由于建筑达到了接近80m的高度，为了减少风压和材料厚度对外保温安全性的影响，通过对多种材料进行比较和测试，最终选用了岩棉板复合真空绝热板（Vacuum Insulation Panel，VIP）的方式，大大降低了保温层厚度。保温层与结构墙体的连接采用以锚为主、粘锚结合的方式，锚栓数量可通过计算确定，这种技术需要预先通过相应的试验验证，然后才可在项目中实施。

17#公租房是全预制装配式混凝土建筑，其技术难点在于如何将超低能耗被动式技术与装配整体式剪力墙技术结合在一起。预制混凝土剪力墙外墙板的优点是结构、外保温、装饰一体化，不仅实现了装配化施工，满足了高层建筑外保温系统的防火要求，同时提高了建筑外围护体系的耐久性能。预制混凝土剪力墙外墙板由外页板、保温层、内页墙3部分组成（图6、7）。内外页板之间由拉结件进行连接，根据不同地区抗震等级的设计要求，拉结件的长度有一定限制，由此限定了保温层的厚度。北京地区抗震等级按8度设防考虑，内外页板之间保温层的厚度一般不能超过9cm。

根据北京市所在气候区特点及超低能耗被动房对能耗指标的要求，设计外围护的传热系数不能超过0.15W/（m2·K）。通过对几种保温材料进行成本与性能的对比分析，确定采用两种保温材料组成复合保温层——GPS（Graphite Enhanced Polystyrene，石墨聚苯板）和VIP，既能满足超低能耗的技术要求，又能满足预制混凝土外墙板的构造要求。

外墙预制构件在工厂加工时，保温层在模板内按照拉结件排布铺设，两层保温错缝铺贴，避免了锚栓穿透VIP造成的热损耗，达到无热桥的设计要求。

4.3 外窗系统的设计

超低能耗住宅的外窗传热系数要求控制在1.0W/（m2·K）以下，外窗型材一般采用铝包木、铝合金隔热断桥、塑钢断桥等，玻璃采用三玻双中空双Low-E充氩气的构造，玻璃间采用暖边间隔条。窗外铺设防水透气膜，窗内铺设防水隔汽膜，保证窗户整体的气密性。

以上是应用于普通现浇结构的超低能耗外窗技术。对于17#公租房设计中面临的外窗与预制构件连接的问题，由于预制构件在工厂加工完成，可以将外窗固定、安装，防水隔汽膜、防水透气膜等多道工序在工厂一并完成。这样既保证了外窗的保温、气密、防水等性能要求，又提高了施工效率。需要注意的是，在构件加工及运输过程中，应做好对外窗构件成品的保护工作。

4.4 无热桥的设计

超低能耗公租房设置阳台作为遮阳措施，同时可满足用户的使用需求。阳台与每户间设计的分隔板很好地解决了建筑水平遮阳与竖向遮阳的问题（图8）。

对于悬挑阳台形成的建筑冷桥问题，通过设计与节能计算完善了相应的构造节点：阳台采用梁板式结构，预制混凝土结构梁与建筑主体相连，预制混凝土阳台板搭设在梁上并与建筑外墙相隔一定距离，其间铺设外保温材料，确保外墙保温系统的完整性。对出挑的结构梁部分进行外保温的裹敷，有效避免了冷桥区域的产生（图9）。

图8 预制阳台设计

图10 分户式新风系统

图11 每层半集中式新风系统

图9 预制阳台的构造节点

4.5 气密性设计

超低能耗建筑需要进行气密层的设计，良好的气密性可降低采暖负荷、提高室内舒适度、避免室内结露发霉、减少噪音和空气污染，因此需要严格控制建筑内外空气的渗透。

本项目外围护结构采用了混凝土外墙，属于高密实度混凝土，所以无需增设抹灰层作为气密层。同时，外窗的处理采用了3道耐久性好的密封材料，每个开启扇设置至少2个锁点。在预制外墙构件上，结合室内设计，取消了预制外墙的电气线盒预埋，改为设置在内部轻质隔墙上。

4.6 新风系统的设计

除了建筑本身良好的围护结构及气密性外，带热回收的新风系统也是超低能耗建筑中必不可少的技术措施。新风系统既能回收建筑中排出的热量，还可以满足温湿度和CO2等指标的要求，提升居住空间的舒适度。

超低能耗住宅中采用的热回收新风系统一般包括3种类型：分户式、半集中式和集中式。不同类型的新风系统适用于不同类型的住宅，以本项目为例，研究了两种适合小户型公租房的新风系统。

（1）分户式新风系统

由于公租房户型面积较小，层高仅为2.8m，考虑到噪音以及进排风的要求，新风机的位置仅能设置在有厨房的吊顶中，这要求新风机组的尺寸规格不得大于1 650×750×250mm（图10）。为减少机组运行噪声对住户的影响，需降低风管风速，主风管和送回风口风速为2～3m/s，直风管风速不大于2m/s，室内空气流速不大于0.15m/s。市面上尚无满足上述需求的小机型产品，必须为本项目定制研发。在与厂家设计研制新产品的同时，也从经济性、节能性等方面对集中式新风系统与分户式新风系统进行了对比分析。

（2）半集中式新风系统

半集中式热回收新风系统由每层一台的新风机组提供各户的新风机热回收，各户设置一台冷热源一体机，根据每户的温度条件，补充新风系统带来的热损失及冬夏季的冷热需求（图11）。新风一体机通过公共管道向各户输送新风，统一通过各户的卫生间回风并通过热交换回收热量。

5 结语

焦化厂公租房项目是首个将超低能耗技术与高层装配式结构相结合的住宅建筑，在设计过程中遇到了诸多困难，通过各方的努力提出了解决方案。在项目后续的工作中，仍然存在很多亟待解决的难题，解决问题的过程中不断促进装配式技术与超低能耗技术的发展，从而为国内超低能耗绿色建筑的发展提供借鉴。

2017-04-04

APPLICATION OF ULTRA-LOW ENERGY CONSUMPTION TECHNOLOGY IN HIGH-RISE ASSEMBLY BUILDING: A CASE STUDY ON THE JIAOHUACHANG PUBLIC RENTAL HOUSE

The Jiaohuachang public rental house is the first residential building project which combines ultra-low energy consumption technology with prefabricated structure. Based on the unit area limit, building orientation and fabricated concrete structure, this paper analyses the design strategies of ultralow energy consumption technology in high-rise assembly public rental house building in order to provide some references for the development of ultra-low energy consumption green building.

Ultra-Low Energy Consumption, Assembly, Public Rental House

潘悦，中国建筑设计院有限公司装配式建筑工程研究院

王凌云，中国建筑设计院有限公司装配式建筑工程研究院