超低能耗示范住宅楼外观，本图照片提供：赵钿

一、超低能耗建筑、装配式建筑的发展

01、建筑节能任重道远

中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告（2017年）》中，首次公布了建筑能耗数据，其中，中国房屋建筑在全寿命周期中消耗的能源占全国总能源消费的40%~50%，这说明，建筑能耗对环境、资源占用影响巨大。因此建筑节能是实现我国域绿色低碳发展的关键。

据国家10部委联合发布的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》中的数据显示，截至2016年底，我国北方地区城乡建筑取暖总面积约206亿平方米，取暖用煤年消耗约4亿吨标煤，供热平均综合能耗约22千克标煤/平方米。由此可见，北方地区冬季取暖的能源消耗是建筑能耗的重要指标。也是对环境污染、雾霾产生的重要因素之一。因此推进清洁取暖、提升节能标准是实现去煤化、降低碳排放的重要举措。

02、超低能耗被动式建筑技术

超低能耗被动房技术起源于瑞典，由德国研发并实施应用的一种高舒适度、高节能的建筑技术。“被动房”是由瑞典隆德大学（Lund University）的阿达姆森教授（Bo Adamson）和德国的菲斯特博士（Wolfgang Feist）于1988年首先提出这一概念。

超低能耗被动式建筑基本原理是得热与失热的平衡。建筑得热主要有太阳辐射、建筑设备散热、人体散热和供暖系统，一般建筑因节能措施不好，为了室内温度维持在18℃以上，在冬季不得不依靠供暖系统。

超低能耗建筑技术，采用热平衡设计原理，争取在不供暖的条件下，实现建筑的得热和失热的平衡。通过采用5项关键技术（即高性能外围护系统、高性能外窗、气密性、断热桥设计和高效换热新风系统）实现高节能、高舒适的建筑目标（如图1所示）。

图 1 超低能耗建筑5项关键技术

03、超低能耗被动式建筑在中国的发展

自2010年起，住房和城乡建设部科技与产业化促进中心与德国能源署（DENA）在中国合作推动被动式超低能耗建筑。2015年，国务院在《关于加快推进生态文明建设的意见》中要求大力发展绿色建筑，推进城乡发展从粗放型向绿色低碳转变。到目前为止，全国范围的被动式超低能耗建筑取得了长足的发展。河北、山东省、北京等多个省市出台了被动式超低能耗建筑的地方标准或技术导则，全国已经完成了几十个超低能耗建筑项目，建筑面积达一千多万平方米，除了应用于住宅建筑，还应用到办公、幼儿园、展厅、学校等多种建筑类型。

04、我国75节能建筑与超低能耗被动式建筑

我国现行的节能建筑标准（如75节能），一般采用多项关键约束性指标来判定是否节能。通过测算，在北方寒冷地区（如北京），采用75节能标准的多层住宅建筑，其实际采暖能耗水平大约为60~75kWh/（m2·a）。同样的建筑如果采用超低能耗被动式技术，采暖能耗不超过15kWh/（m2·a）。实际工程中采暖能耗还会更低，以节能建筑的标准衡量，可达到90节能的效果。由此可见，超低能耗被动式建筑比75节能建筑的节能效果大大提高了。这是由于超低能耗被动式建筑比75节能建筑在外墙保温系统、门窗性能等方面有更高的要求，同时增加了新风热回收系统，采取无热桥、高气密性的构造措施，取消了冬季采暖系统，从源头上降低了建筑能源消耗，减少排放，从而有效改善大气环境（如图2所示）。

图 2 建筑能耗水平对比

05、装配式建筑技术

与超低能耗建筑技术相比，装配式建筑技术是通过建筑工业化，减少现场湿作业，减少建筑垃圾、缩短建造工期等，实现保护环境、节约能源的目标，也是推进生态文明的重要的绿色建筑技术。

2016年2月，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》，意见指出：大力推广装配式建筑……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。

2017年，住建部颁布的GB/T 51129—2017《装配式建筑评价标准》，对装配式建筑提出了具体的评价要求，明确主体结构应采用装配式技术（包含预制混凝土结构、钢结构、木结构等），并对预制水平构件、预制竖向构件在整体结构中占比有具体规定求；建筑应全装修，宜采用装配式装修；建筑的围护墙和内隔墙应采用非砌筑，并应达到相应比例规定。在满足上述最低要求同时，建筑的总体装配率不低于50%，才能评价为装配式建筑（见《装配式建筑评价标准》评分细则）。

2017年5月在《北京市发展装配式建筑2017年工作计划》中率先明确了新建的保障性住房应采用装配式建筑。并对装配式混凝土建筑的预制率提出了具体要求：即：建筑高度在60m（含）以下时，其单体建筑预制率应不低于40%；建筑高度在60m以上时，其单体建筑预制率应不低于20%。

为推动超低能耗示范项目建设，作为政府投资建设的保障性住房，由北京市保障性住房建设投资中心建设，中国建筑设计研究院有限公司设计的北京市焦化厂公共租赁住房项目率先实践了装配式建筑率及超低能耗被动房技术。

二、焦化厂公租房超低能耗被动式技术与装配式技术的结合

01、项目概况

项目位于朝阳区东南部垡头地区，用地面积9.8公顷。主要用于建设公共租赁住房。其中公租房建筑面积23.5万平方米，户型套数共计4646套。

项目的鸟瞰图

超低能耗示范项目确定为该项目的三栋装配式住宅楼（17#、21#、22#公租房），示范建筑面积29400m2，户数560户。其中，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，结构体系中水平构件及竖向构件中的外墙构件均采用预制装配式生产，是预制全装配式混凝土建筑。三栋住宅楼公共区域和套内全部采用装配式装修，全装修交房。

超低能耗示范项目所在位置

超低能耗示范项目的单体平面图

预制装配式剪力墙结构体系

图 3 本项目采用的装配式建筑技术

02、遇到的问题

超低能耗建筑技术在本项目的实践过程中遇到了很多前所未有的难题。

（1）户型面积小，层高低，要配置阳台，这些对超低能耗技术实施提出了许多限制条件。因此在确定能耗指标，解决设备管线对空间占用问题，无冷桥设计方面做了大量研究和突破。

（2）项目中的两栋建筑高度为80m，目前在这样高度范围的被动式建筑设计在国内外尚无先例，也没有与预制剪力墙体系结合的成功案例，因此这也成为本项目的技术研究和创新的关键。

（3）项目中的另一栋建筑高度小于60m，需采用预制混凝土夹心保温外墙技术，因此预制外墙的保温系统超低能耗性能设计、被动外窗的与预制外墙的连接技术等都需要大量的创新研发。

03、解决的措施

（1）合理的能耗控制

根据北京市公租房设计导则的要求，公租房的户型均为60m2以下的小户型，户均2.5人。示范项目的三栋楼分的户型的建筑面积分别为40m2、60m2两种，与国内其他的超低能耗住宅相比，户均建筑面积减少了1/3到1/2。这样，人体散热对能耗计算的影响要比一般商品房住宅大很多。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），超过了超低能耗被动房设计导则的一般要求。确定这种小户型的能耗指标应按全年总能耗进行控制，不得超过30kWh/（m2·a）。

这种小户型对建筑朝向、开窗等要求很高，因此，在进行群体住宅规划时，朝向应作为重点考虑的因素，在规划条件允许时，应优先按照南北向布置建筑物。尽量避免东西向，同时可以结合外立面和阳台的设置做好建筑遮阳。

图 4 建筑外遮阳设计与外立面的结合

这种小户型的能耗与建筑体型有较大关系，因此设计中通过减少建筑物外表面积、减小建筑面宽、加大进深，都可以有效降低建筑表面能耗。

阳台作为公租房的必要配置，是容易产生热桥的部位。本项目中采用了预制混凝土阳台构件，这位处理好热桥设计创造了条件。设计中采用了结构出挑横梁的方式，预制阳台板与建筑主体脱开，保证了外保温的上下延续性，同时对出挑横梁进行保温包覆，在保温层外侧搭设小型钢梁，上面铺设预制阳台板，将热桥区域缩小到最小。

图 5 预制阳台的构造节点

（2）超低能耗预制外墙外保温系统的设计

预制混凝土剪力墙外墙板的优点在于外墙采用结构、外保温、装饰一体化，不仅实现了装配化施工，还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、内页墙三部分组成。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，这也就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。

根据北京的气候区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）。我们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—石墨聚苯板和VIP真空绝热板，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真空绝热板造成的传热系数损耗的情况，达到了无热桥的设计要求。

预制混凝土剪力墙外墙板构造

超低能耗预制混凝土剪力墙外墙板构造

（3）被动式外窗户安装方式的调整

由于装配整体式结构在施工过程中外立面不设脚手架，窗户的安装是在构件厂生产构件时在窗洞口处预留埋件，外窗在外墙施工完成后，从内侧安装。采用吊篮的方式在外立面进行安装也是可行的，但这种方法施工速度较慢，窗户的重量也要有所限制。而超低能耗被动窗比一般的节能外窗重很多，从外侧采用吊篮的方式进行安装对安全性有很大影响。为解决这个问题上，我们与构件厂及外窗厂家就型材、连接构造等方面进行反复探讨与设计研究，形成了一套解决方案。

预制混凝土外墙板外的构造节点

预制混凝土外墙被动窗的构造节点

在构件加工厂预制外墙时，在外窗洞口附近放置一圈L型高硬度的保温垫块然后按正常顺序制作构件：浇筑外页板、敷设保温层、浇筑内页板。在浇筑内页墙时，将经过特殊设计的外窗连接件预埋在窗洞口墙的断面处。这种新型连接件不仅可以满足外窗从室内进行安装的要求，还能将外窗固定在与外保温材料同一投影界面，确保了保温系统的连续性，有效避免了冷桥的产生。

（4）新风系统的设计

超低能耗建筑应采用高效的新风热回收系统，通过回收排风中的能量降低供暖与制冷的需求，实现超低能耗的节能目标。一般的超低能耗住宅采用户式新风热回收系统。新风机组可设在生活阳台、设备间等处。而焦化厂公租房户型面积很小，套型建筑面积只有40m2、60m2两种，但户均人口按2.45人/户计算，与普通住宅计算人数相同，因此新风量也与普通住宅一样，为30m3/人·小时。

由于公租房面积小，层高仅为2.8m，考虑到噪声以及进排风的要求，新风机的位置仅能设置在有厨房的吊顶中，要求新风机组的尺寸规格不得大于1650mm×750mm×250mm。为降低机组运行时噪声对住户的影响，需降低风管风速，主风管风速和送回风口为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。这种小机型产品目前市场上没有对应产品，必须为本项目定制研发，我们在与厂家设计研制新产品的同时，也从经济性、节能型等几个方面对集中式新风系统与分户式新风系统进行对比分析。

集中式热回收新风系统是在每层公共区域设置一台全热交换机组，新风通过公共走廊向各房间送风，卫生间回风经过回风总管和热交换器排至室外。机组夏季制冷和冬季采暖冷热源为高效空气源热泵机组。每层设室外机。每户在入口玄关的吊顶中设置一台新风冷热源一体机，对室内的温度进行控制。户外阳台设室外机，冷媒管穿居室处与窗帘盒及灯带结合，避免了大面积吊顶，降低了装修的成本。

三、两种技术结合的问题与展望

目前，超低能耗建筑的建造方式多采用传统的施工方式，但其外保温系统和对气密性的要求，需要较高的施工工艺才能实现，由此造成现场施工工序增加、施工组织难度增加、施工效率降低。施工质量不容易把控等。

同时许多超低能耗项目不要求全装修交付，因此在设计上，缺乏新风系统、能耗监控系统与内装修设计的协调，用户在后期使用时，维修或重新装修对有可能对建筑的气密层造成破坏。

而在本项目的设计实施过程中，我们发现装配式建筑技术能较好地应对上述问题。工厂化加工可以通过自动化手化解复杂的施工工艺，如果将这部分工作移到工厂完成，会极大地提高现场的施工效率和施工质量。装配式装修，采用管线与主体结构分离的技术，建筑的维护和改造不会对气密层造成破坏。设备点位与内装部品集成设计，可提升空间效率，方便面用户使用。预制装配式混凝土外墙具有很好的防火性能和耐久性能，能确保建筑的安全性和外保温系统的稳定性。因此装配式建筑技术与超低能耗建筑技术的结合，能更好地推进超低能耗技术的集成化、工业化，推进绿色节能建筑的发展。我们希望通过项目的努力尝试与实践，形成有价值的技术积淀，为促进建筑产业化发展提供的帮助。

原文参见《混凝土世界》2020年7期 P36~P42