1 引言
2018 年全球一次能源消费以2.9% 的速度迅速增长，几乎是10 年均值（1.5%）的两倍，也是自2010年以来最快的增速。中国、美国和印度能源需求增长之和占全球能源需求增长的三分之二以上。而碳排放量增长了2.0%，是七年来最快的增长[1] 。
同时，2019 年世界共同经历了有气象记录以来最热的几个年份之一。世界气象组织（WMO）预测，最近五年是有史以来最热的五年。而这是其连续第三年作此预测。此前全球平均温度最高的五年依次分别是2016 年、2017 年、2015 年、2018 年和2014 年[2, 3] 。
解决能源供应、缓解气候变化，是全球面对的共同课题。我国同样面临重大挑战。随着国家经济的发展和居民提升生活品质、改善舒适度需求的增长，我国社会总能源消费，尤其是建筑能源消费，还将持续加大。建筑节能对节约能源和实现国家的可持续发展起到至关重要的作用，是实现国家能源安全的重要举措。
作为国家城镇化进程的推动者和践行者，探索并寻求出符合时代需求和家国利益的住宅产品系统方案是开发建设单位走向成熟的必经之路。本文以石家庄融创城项目为例，探讨了通过一套系统的建筑技术解决方案，统筹不同视角的设计预期，实现高能效性、舒适和健康的建筑品质性，以及全寿命周期的技术经济性在建筑中的协调和平衡，最终达到同时提高居住者福祉和环境可持续性的目的。
2 项目概况
图1 项目效果图
图2 项目标准层平面图
石家庄融创城项目位于石家庄栾城区，地上18 层，地下2 层，建筑高度为55.35m，建筑面积9497.92m2，结构形式为剪力墙结构。规划户数72 户，规划人口3人/ 户，体型系数0.32，东、南、西、北向窗墙面积比分别为0.30、0.60、0.30、0.38。项目效果图见图1，标准层平面图见图2。
3 项目技术方案
项目采用被动式低能耗建筑技术方案，将自然通风、自然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源得热等各种被动式节能手段与建筑外围护结构保温、隔热节能技术相结合，使建筑物在达到高水平的室内舒适度的同时，实现高水平的建筑能效，即取得鱼与熊掌兼得的效果。其技术手段包括：
（1）确保优越的建筑气密性，规避非预期气流渗透，造成不必要的通风热损失，同时避免由于冷气渗入而形成的室内局部温度下降及相对湿度不足等影响居住质量和舒适度的情况；
（2）采用高效的非透明外围护结构外保温系统，确保外围护结构具有均衡的保温性、隔热性、热惰性、蓄热性、透气性和气密性等性能，同时兼顾系统性、相容性、耐久性；
（3）采用高性能的外门窗系统，门窗系统本身集成卫生性、能效性、舒适性等多视角设计要求，同时注重安装方式的热工性能；
（4）执行无热桥的设计理念与建筑节点构造方式，从而确保室内温度的均衡性，避免结露和局部温度过低现象，同时通过精细化的能源节流管理，实现室内人员、照明、家电等散热可作为建筑的稳定热源考虑；
（5）带有高效热回收装置的通风系统，将人为通风变为有组织通风，通过智能化控制确保室内空气品质，同时回收排出空气中的热量和湿量，循环利用。
项目的技术核心是提升建筑的本体性能，从需求侧最大限度地降低建筑的采暖、制冷、通风能耗。在供应侧尽量减少机械化设备，以最简化的设备来实现低能耗和高舒适度的目标，从而实现技术方案的最佳经济性。
4 优越的建筑气密性
被动式低能耗建筑区域范围为：地上1-18 层、屋面层楼电梯间，以及北侧楼电梯间的地下部分。被动区范围边界上的保温、气密连续包绕，且门、窗均为符合被动式要求的被动窗、被动门。
建筑气密性设计方案为，整栋建筑具有包绕整个采暖体积的、连续完整的气密层；每个公寓具有各自的包绕整个采暖体积的、连续完整的气密层；楼电梯间及前室、走廊为单独气密区。项目气密区设计见图3。
图3 项目气密区设计
5 高效的非透明外围护结构
5.1 外围护结构的保温性、热惰性
本项目为钢筋混凝土剪力墙结构，局部采用蒸压加气混凝土砌块墙填充墙，砌块容重大于500kg/m3。墙体热惰性良好。外围护结构采用外保温系统。
外墙、屋面、不采暖地下室顶板、地下室外墙、地面等外围护结构，以及被动区内部楼梯间隔墙、分户墙、分户楼板等位置的保温措施、保温材料的导热系数、围护结构的传热系数，以及热惰性指标D 值等详见表1。
5.2 外围护结构的系统性、相容性、耐久性
外墙外保温系统配备门窗连接线条、滴水线条、护角线条、伸缩缝线条、断热桥锚栓等配件，以及预压膨胀密封带、密封胶等，以提高外保温系统的保温、防水和柔性连接能力，保证系统的耐久性、安全性和可靠性。
外墙外保温系统的饰面涂料采用透气性良好的水性外墙涂料，与薄抹灰系统具备良好的相容性。屋面防水保温系统，含隔汽层、保温层、防水层，按Ⅰ级防水要求设防，防水材料满足相容性要求。系统干作业施工，屋面保温层采用聚氨酯胶粘剂粘接。
5.3 外围护结构的安全性
出于系统安全性考虑，国内部分被动式低能耗建筑项目采用额外设置保温托架的方式来避免由于粘接强度不足而引起的保温层下滑、脱落现象。显然，提高粘接砂浆的粘接性能、确保粘接质量，是解决问题的根本。然而，在充分考虑保温托架断热桥处理，同时确保其周边保温板铺设质量的前提下，采用托架作为辅助支撑措施，可视作一种阶段性的工程解决方式。
表1 非透明围护结构保温措施
本项目根据现行《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》DB 13(J)/T 273[4] 规定，外墙外保温每层设置结构性托架。托架与主体结构之间的连接设计，考虑温度变形、风压等影响因素，经过整体受力安全验算确定托架数量。托架设置于两块保温板竖向接缝处，托架的长度为外墙保温层厚度的2/3，剩余1/3 保温厚度采用聚氨酯发泡填充，对托架进行断热桥处理。托架安装位置示意及托架尺寸如图4 所示。
图4 托架安装位置示意及托架尺寸
利用ANSYS workbench 热分析模块，对托架节点不同的断热桥处理方式进行三维模拟。计算涉及的材料特性及边界条件为：外墙保温材料石墨聚苯板导热系数λ=0.032 W/(m·K)，修正系数1.05；钢筋混凝土墙体导热系数λ=1.74 W/(m·K)；高强度聚氨酯隔热垫片导热系数λ=0.1 W/(m·K)；托架导热系数λ=49.9 W/(m·K)；聚氨酯发泡导热系数λ=0.025 W/(m·K)；冬季室内控制温度20℃，对流换热系数8.7 W/(m 2·K)；室外计算温度-8.8℃，对流换热系数23 W/(m2·K)。
通过热分析模块求解，可得不同工况下单个托架形成的外墙综合传热系数：（1）不设置托架，仅考虑钢筋混凝土墙体外侧铺设石墨聚苯板保温层时，墙体传热系数K=0.135 W/(m2K)；（2）设置托架（160mm宽），不设置隔热垫片，在托架外侧采用聚氨酯发泡（80mm 厚）填充时，单个托架形成的外墙综合传热系数K=0.13948 W/(m2K)；（3）设置托架（150mm 宽），设置隔热垫片（10mm 厚），同时在托架外侧采用聚氨酯发泡（80mm 厚）填充时，单个托架形成的外墙综合传热系数K=0.13893 W/(m2K)。有/ 无隔热垫片的模型温度云图见图5 和图6。
考虑到设置隔热垫片对外墙综合传热系数影响并不显著，本项目采用将托架长度控制在保温层厚度的2/3，托架外侧填充聚氨酯发泡的方式进行断热桥处理。
图5 无隔热垫片的模型温度云图
图6 有隔热垫片的模型温度云图
5.4 高性能的外门窗系统
本项目外窗采用铝木复合型材，三玻两腔中空填充氩气耐火玻璃，并采用耐久性良好的暖边间隔条。外窗整窗传热系数K≤1.0 W/(m2·K)，型材传热系数K≤1.3W/(m2·K)，玻璃传热系数K≤0.8 W/(m2·K)，玻璃的太阳能总透射比g=0.35，玻璃选择性系数LSG≥1.25。外窗气密性8 级，水密性6 级，空气声隔声性能3 级。耐火完整性不低于0.50h。
首层单元门厅入口门、两侧楼梯间通向连廊的门、中间楼梯间通向连廊的门（乙级防火门）、屋面出楼梯间和电梯机房门，以及地下室出楼电梯间门，整门传热系数K≤1.0 W/(m2·K)，采用三道耐久性良好的密封材料密封，气密性8 级，水密性等级不低于4 级。
公寓户门具有良好的保温、气密性能，整门传热系数K≤1.3 W/(m2·K)，气密性能等级不低于8 级。
外窗采用外挂式安装方式，外窗框与结构墙体之间形成无热桥构造，并做好气密性和水密性处理。
5.5 无热桥设计
执行无热桥的设计原则，一方面是截留能量流失，另一方面也是在处理围护结构室内表面温度过低的薄弱环节，以提高室内温度的均衡性，防止室内结露发霉，同时避免局部温度过低引发的局部冷空气流转现象。因此，某种程度上无热桥设计理念之于提升室内舒适度的影响还要更甚于其对建筑能效的影响。
本项目的断热桥处理，除被动式建筑典型的无热桥构造如女儿墙、外墙与地下室顶板交接处、外门窗安装、管道穿外墙洞口、管道穿屋面等以外，主要集中在图7所示特殊位置。在该类位置的设计原则为，尽量保证保温层连续、完整，遇混凝土结构贯穿位置，确保围护结构室内表面最薄弱点的温度不低于17℃。主要节点的断热桥设计构造如图8 至图11 所示。
图7 本项目断热桥处理关键节点
图8 设备平台节点
图9 外廊节点
图10 北立面大堂剖面
图11 风井剖面节点
此外，高层居住建筑还有以下问题需要注意：
（1）厨房集中排烟道出屋面与室外空气直接相通，且烟道尺寸大于卫生间排气管，室外冷空气下沉影响更大。经气流模拟分析，在顶层烟道口会形成外界冷空气与烟道空气的涡流，至其下方5m 处，温度影响波动较大，再往下温度趋于均匀。因此，厨房烟道四壁应在建筑顶部两层高度范围内铺设保温，以下楼层可按常规做法处理。
（2）机械排烟系统的出屋面排烟管道，应在风机室内一侧设置气密性能优越的280℃常闭型排烟防火阀。阀门平时常闭；电动开关与火灾报警器联动，发生火灾时由消控室控制开启，同时打开排烟风机；当烟气温度达到280℃时，熔断关闭阀门，同时关闭排烟风机。同时排烟管道在机房层应整管包裹保温。
5.6 高效热回收新风系统
5.6.1 新风系统设计方案
通过上述提高建筑本体性能的技术措施，同时考虑辐射、室内人员、照明、家电散热等“被动式”得热，建筑对于额外能源的需求得到极大降低，采用一套系统集成通风、采暖和制冷功能，用通风系统兼负导入稍许热量或冷量，即可带动整栋建筑的运营。
本项目采用分户式带有高效热回收装置的新风空调一体机方案，为每套公寓提供新风、采暖和制冷，新风空调一体机的冷热源为空气源热泵。
每套公寓采用一台设备，卧室、起居室、餐厅设置送风口，各个卫生间设置回风口，餐厅或走廊设置循环风口，每户外墙开洞作为进风口和排风口，从室外获取新风，或者将热回收后的污浊空气排出室外。新风及排风管道设保温密闭型电动阀，与风机联锁开关，保证建筑的气密性。
室外新风经进风管进入设备，经过处理（热交换、除霾、降温、升温、除湿等）后的新风经过送风管送入各个房间，负责处理每个房间的冷、热负荷，并对室内CO2 进行稀释，然后通过房间门缝或导风槽溢流到卫生间，经过卫生间的回风口进入设备的热交换机芯，与室外新风进行热交换，然后经过排风管排到室外。当室内冷（热）负荷较大时，启动循环风，循环风可快速降低室内冷热负荷。启动循环风时，也应包含室内所需要的最少新风量。
5.6.2 新风系统设备性能
新风系统具有风量调节功能，可根据室内情况自动调节风量大小，也可实现人为手动调节，可根据室内CO2 浓度实现自动启停。热回收装置采用全热回收芯材，焓交换效率≥70%，温度交换效率≥75%。新风系统单位风量风机功率不大于0.45 Wh/m3。系统内部漏风率＜ 2%，外部漏风率＜ 2%。
室外进风、排风口处设可过滤大颗粒物质、飞虫等的初效过滤网；进风口及回风口设过滤器，进风口过滤器等级不小于G4+F8 级，回风口过滤器等级不小于G4级，并具有提示更换功能。
5.6.3 新风系统控制模式
设备压缩机采用变频技术，新风机采用无级调速EC 风机，控制系统支持多分区、多指标（温度、湿度、CO2、Pm2.5）独立控制。系统根据室内实时冷热负荷、新风量需求、洁净度等，进行分区域、变风量智能控制。室内温控器和CO2 监控点设于起居室内。本项目新风系统可根据以下模式进行运行控制：
（1）舒适模式
以最高的卫生与健康标准，对室内环境进行舒适性控制。气源使用上，尽可能使用室外新鲜空气来承载室内供冷供热负荷，以及降低污染物浓度的需求。气流组织上，新鲜空气首先进入卧室，然后流向客厅，最后从卫生间排出到室外。尽量避免循环风的使用，最大程度减少卧室之间串风引起的交叉污染。
正常工况下， 当温度在设定区间±2 ℃ 浮动，或Pm2.5 浓度在50-115μg/m3 浮动，或相对湿度大于70%，或CO2 浓度大于1000ppm，系统仅使用调节过温度（有需要时）的新风来优化室内空气质量。
在以下严重影响舒适性和健康性的情况下，会开启循环风，增加总风量，以便快速改善室内空气质量：当室内Pm2.5 浓度超过国家三级标准即115μg/m3 时；当室内温度超过设定值±2℃时；当室内相对湿度超过80% 时。
（2）节能模式
在满足基本的卫生与健康需求的情况下，尽量地减少能源消耗。气源使用上，尽可能使用室内循环风来承载室内供冷供热负荷，以及降低污染物浓度的需求。只有在CO2 浓度超标或需要满足每日最小通风量时，才向室内输送新风。循环风的气流组织方式为，循环风取自客厅，经过过滤以及温度调节后，送到卧室，然后流回客厅。这个模式下，卧室、客厅区域的污染物会混合在一起，在整套公寓内共同稀释，存在交叉污染的风险。但是由于循环风也是经过过滤的，可满足基本的卫生需求。
正常工况下，当温度在设定区间±2℃浮动，或Pm2.5 浓度超标，或相对湿度大于70%，系统利用循环风作为气源来改善室内空气质量，是否混合新风视CO2浓度而定。当室内温度超过设定值±2℃，或相对湿度大于80%，机组采用最大供冷/ 热量即新风加循环风模式，以快速调整温湿度。
5.6.4 卫生间通风设计
本项目新风系统回风口设置在卫生间内，当住户使用卫生间、打开卫生间排风开关时，会通过信号联动新风系统。如果此时新风系统正在运行，则新风系统保持运行，卫生间处于通风状态；如果此时新风系统未运行，则信号控制启动新风系统，使卫生间处于通风状态。当住户使用完毕卫生间、关闭卫生间排风开关时，新风系统会根据室内环境进行判断，若此时室内环境（温度、湿度、CO2、Pm2.5）均处于适宜状态，则新风系统关闭；若此时室内环境（温度、湿度、CO2、Pm2.5）超出控制指标，则新风系统继续运行，直至室内环境均处于适宜状态。
上述新风系统运行模式的优势在于，当新风系统处于常开状态时，卫生间也处于持续通风状态，因此可以保证卫生间内空气质量优越，避免潮湿环境下霉菌、细菌滋生，同时未增加任何额外能耗。
当新风系统处于停运状态时，由于使用卫生间而启动新风系统造成的耗电量，相比卫生间安装普通排风扇的耗电量，只有20-30W 的额外耗电功率（当新风系统以150m3/h 风量运行时，耗电功率大约为50W；普通排风扇运行的耗电功率大约为30W）。假设每天开启1h，那么额外耗电量为0.02-0.03kWh。
5.6.5 厨房通风设计
厨房设计有两种补风方案，住户可根据个人意愿选择其中任意一种。
（1）风阀补风
在外墙上设置补风洞口，当住户开启厨房排油烟系统时，传感器发出信号打开补风洞口的密闭型电动风阀，室外新风通过补风管道送入室内，实现补风目的。排油烟系统未开启时，密闭型电动风阀关闭严密，不得漏风。
该种方式实质上是机械排风、自然补风的通风方式，补风从室外直接引入。补风管道周圈应设置80mm 厚橡塑保温。补风管道的出风口位置应尽量靠近抽油烟机，并与抽油烟机排风形成短路，出风口应远离人体高度范围，避免冷风直吹人体的不适感。
（2）新风系统补风
当住户开启厨房排油烟系统时，传感器向新风系统发出信号，新风系统启动补风功能。补风量与油烟机排风量相当（默认为600m3/h，可调小），即加大了新风系统的进风量。补风经过新风系统的旁通风管，并通过初效、高效过滤，以及温度调节后送到室内。所补新风经过客厅、餐厅后溢出，通过厨房门缝进入厨房，实现补风目的。
该种方式是利用设备补风，所补新风经过了过滤和温度调节处理，相比第一种方式能耗有所增大，但舒适度较高。尤其是在夏季，室外温度较高，厨房内部温度也较高，如果采用自然补风，厨房内舒适度势必无法控制，采用第二种补风方式优势较为明显。
6 项目能效分析
6.1 能效分析参数
被动式低能耗建筑的负荷及能源需求与建筑的运营方式，以及建筑内部的散热状况直接相关，其对计算结果的影响显著。本项目能效分析中，所考虑的建筑运营情况如下：（1）整栋建筑的每日运营时间为00:00-24:00；（2）建筑内人员数量总计201 人，其中成人134 人，儿童67 人；（3）建筑内平均照明功率密度5W/m2；（4）家用电器功率密度8 W/m2；（5）建筑空气渗透换气次数0.042 次/h。建筑能效分析参数详见表2，室内散热状况参数详见表3。
表2 建筑能效分析参数
表3 室内散热状况参数
表4 建筑能效分析结果
6.2 能效分析结果
结合能效分析参数，建立项目计算模型，本项目能效分析结果见表4 所示，其中逐时冷负荷、采暖需求、制冷需求的分析结果详见图12 至图14。从采暖需求构成来看，冬季各项失热基本平衡，外窗传热失热稍大，可考虑进一步降低外窗热损失；从制冷负荷和制冷需求构成来看，太阳辐射得热是造成制冷负荷/ 需求较高的最主要因素，最大冷负荷发生在正午时间，应考虑设置活动外遮阳等方式降低制冷能耗，提升公寓内部温度均衡性，降低新风空调系统分区控制难度。
图12 逐时冷负荷构成分析图
图13 采暖需求构成分析图
图14 制冷需求构成分析图
图15 外墙保温层厚度优化分析
图16 屋面保温层厚度优化分析
图17 外窗传热系数优化分析
图18 外窗玻璃g 值优化分析
6.3 外围护结构参数优化
分别针对外墙和屋面保温层厚度、外窗传热系数，以及外门窗玻璃g 值进行参数分析，以便优化外围护结构设计。参数分析结果详见图15 至图18。
从图中可以看出，在达到规范要求的保温层厚度后，再增加保温层厚度影响并不明显；外窗传热系数对降低采暖负荷/ 需求有显著作用；外窗玻璃g 值是太阳辐射得热的关键参数，其对冬季而言是正效应，对夏季而言是负效应，从图18 的综合影响来看，g 值对夏季负荷/能耗的作用更为突出，尤其是在项目未设置活动外遮阳设施的条件下，务必尽量选择g 值较低的玻璃，同时应注意保证室内的自然采光效果。
7 节能效益分析
依据我国现行标准《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 26） [5] ，石家庄市14 层以上建筑的耗热量指标为11.6 W/m2，采暖期天数为97 天，那么建筑物的全年耗热量为27 kWh/(m2a)。
本项目在总计144 天采暖期天数（以确保室内舒适度为准则，根据室外温度条件判断而来）的条件下，全年采暖需求10.50 kWh/(m2a)。在远远高于标准规定的采暖期长度的情况下，每年仍可节约16.50 kWh/(m2a)的热量。
假设供暖设备的COP 值为2.8，并按火电供电煤耗0.319 kgce/kWh（数据来源于《2017 中国节能节电分析报告》） [4] 计算一次能源，那么本项目可节约的采暖一次能源约为1.88 kgce/(m2a)。
该项目建筑面积9497.92 m2，那么仅采暖一次能源一项，一年节能量就可达17.86 吨标煤，实现CO2 减排共计49.47 吨（按照每公斤标煤产生2.77kg 的CO2 排放量计算）。如果该项目地块全部住宅（总建筑面积约24 万平方米）均按照被动式低能耗建筑标准建设，那么一年的采暖期总计可节约451.29 吨标煤一次能源，减排CO2 共计1250 吨。
8 结论与展望
气候变化清晰可见。全球长期暖化趋势持续；海洋热含量大幅增加；海平面创纪录上升；北极和南极的海冰范围远低于平均水平[3]。IPCC 全球升温1.5℃特别报告[6] 向世界敲响了警钟：亟须广泛而立即减少温室气体排放，在2030 年前将全球二氧化碳排放量减少至低于2010 年45% 的水平，将升温限制在2℃以下，以保护人类福祉、生态系统和可持续发展。
本文所举项目的建筑形式，基本可视作我国当前住宅形式的典型代表。详述完整的技术方案，旨在集成目前阶段的认知和经验，以微知著，为相近项目提供讨论和完善之基础。
方案的最大优势，莫过于平衡了当代人的需求和可持续发展的要求。对居住者而言，满足了舒适和健康的需要；对城市而言，规模性建设可显著消弭城市峰值负荷，缓解调峰电厂建设压力，抑制城市热岛效应；对国家而言，带来了明显的社会和环境效益，为社会终端之一隅提供了符合逻辑的解决路径。
建筑的规划、设计、建造和运营，长久以来鲜以“能源”作为第一语境，绝大多数时间，“发展”和“经济”占据了决定性地位。然而，在国际社会共同的能源和气候挑战下，作为建筑技术发展的实践者，积极转变观念，适应时代和环境变化，才能更好地适应这个能源、气候、极端天气和其他环境事件发挥了社会经济影响的世界。
参考文献
[1] BP, Statistical Review of World Energy 2019.
[2] World Meteorological Organization (WMO). 2018 Annual Report: WMO for the Twenty-first Century. Switzerland,2019.
[3] World Meteorological Organization (WMO). WMO Statement on the State of the Global Climate in 2018. Switzerland, 2019.
[4] 河北省工程建设标准. 被动式超低能耗居住建筑节能设计标准. DB 13(J)/T 273-2018.
[5] 中华人民共和国行业标准. 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准. JGJ 26-2010.
[6] Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC), 2018: Global Warming of 1.5℃ .
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