劉義猛，董泊君，張晨晨，蒲林東，姜旺，謝春成，劉玉峰

[中建六局（天津）綠色建筑科技有限公司，天津300451）]

0 引言

根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的“被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）”（建科[2015]179號），被動式超低能耗建筑被定義為適應(yīng)氣候特征和自然條件，通過保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護結(jié)構(gòu)，最大程度地降低建筑供暖、供冷需求，充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，并能滿足綠色建筑基本要求的建筑。被動式建筑因其突出的優(yōu)勢，如更加節(jié)能舒適，提供更好的空氣品質(zhì)及質(zhì)量保證，逐漸進入了人們的視線并流行起來。

GB/T 51129—2017《裝配式建筑評價標準》中對裝配式建筑的定義是由預(yù)制部品部件在工地裝配而成的建筑。裝配式建筑也因建設(shè)周期短、施工污染小、節(jié)省現(xiàn)場勞動力等優(yōu)勢，在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[1]。

光伏屋面建筑是具有獨立電源、自我循環(huán)的新型建筑[2]。太陽能發(fā)電技術(shù)減少了溫室氣體的排放、環(huán)境影響小、發(fā)展?jié)摿Υ蟆?yīng)用方便，尤其在被動式建筑領(lǐng)域中應(yīng)用廣。

本文根據(jù)天津市胡張莊零能耗改造項目為例，分析被動式超低能耗裝配式建筑光伏屋面存在的問題及解決方案，提供一種綠色建造的屋面做法。

1 被動房的基本原則

被動房的基本原則是從根源降低建筑的主動冷暖需求，最大限度地降低一次能源消耗量。最大限度地減少建筑的熱量損失是被動房設(shè)計理念的核心思想[3]，通過7個關(guān)鍵措施保證被動式零能耗的標準：保溫措施、門窗節(jié)能、氣密性措施、無熱橋處理、熱回收新風系統(tǒng)、可再生能源利用以及其他創(chuàng)新性措施。建筑外圍護系統(tǒng)示意見圖1，外墻保溫及門窗細部節(jié)點做法見圖2。

由圖1可見，被動式建筑的保溫層及氣密層覆蓋建筑全部外圍護結(jié)構(gòu)。

由圖2可見，門窗節(jié)點位置內(nèi)部設(shè)置隔氣膜，外部設(shè)置透氣膜，且門窗上下兩端均由保溫板覆蓋。通過完整的保溫層、合理的保溫厚度及門窗等構(gòu)件細部節(jié)點的合理處理，以保證整體的保溫性能、氣密性能、門窗節(jié)能性能等。

對于裝配式光伏屋面，主要措施在于保溫、氣密性、無熱橋及可再生能源利用。除此之外，干式施工也是裝配式建筑的前提。因此，在設(shè)計被動房時，要盡量避免起保溫作用的圍護結(jié)構(gòu)中斷。如果必須中斷，需要采取相應(yīng)措施，如使用熱阻極低的材料或者減小穿透截面，并且有氣密膜和保溫的代替物。

2 被動式超低能耗裝配式建筑研究實例

天津市胡張莊零能耗項目為天津市第一個被動式超低能耗裝配式建筑，對本領(lǐng)域研究具有重大意義。本文從項目概況、為達到零能耗標準采用的設(shè)計方案、光伏屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計方面逐一進行分析。

2.1 項目概況

胡張莊零能耗改造項目位于天津市東麗區(qū)胡張莊村，建設(shè)內(nèi)容以原有建筑保留改造為主，局部加建單層建筑，總建筑面積為597.56 m2。房屋地上1層，無地下室，基礎(chǔ)埋深1.1 m，建筑高度6.85 m。結(jié)構(gòu)形式為膠合木框架剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼框架平臺，獨立和條形基礎(chǔ)?？拐鹪O(shè)防烈度為8度。工程均采用被動式隔熱型材門窗、鋼坡屋面和木坡屋面，其中木坡屋面上鋪設(shè)光伏板。圖3為工程的渲染圖。

2.2 設(shè)計特點

為了實現(xiàn)被動式超低能耗裝配式建筑的特點，本項目具有以下區(qū)別于傳統(tǒng)項目的設(shè)計。

2.2.1 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，預(yù)制裝配式建筑體系有構(gòu)件和結(jié)構(gòu)同步裝配體系、先柱梁結(jié)構(gòu)后外墻構(gòu)件裝配體系、預(yù)制構(gòu)件外墻模組合裝配體系[4]。本工程采用先柱梁結(jié)構(gòu)后外墻裝配體系，采用了預(yù)制混凝土柱、梁，預(yù)制木柱、木梁，預(yù)制鋼柱、鋼梁，預(yù)制鋼木屋架做為本項目的主體承重結(jié)構(gòu)。其中，鋼柱、鋼梁主要用于南側(cè)陽光房和北側(cè)鋼平臺，其目的是在陽光房頂安裝彩色薄膜玻璃（可發(fā)電）。木柱、木梁主要用于建筑中跨的承重，內(nèi)部不需裝修，保留木結(jié)構(gòu)原有觀感。預(yù)制混凝土柱、梁做為建筑其余承重結(jié)構(gòu)，具有施工速度快、節(jié)約資源和費用、有利于環(huán)境保護的特點。

2.2.2 門窗節(jié)能設(shè)計

外門外窗是建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能最薄弱的部件。建筑門窗采用真空玻璃被動窗和被動門，在設(shè)計階段根據(jù)胡張莊氣候條件特點，合理規(guī)劃建筑朝向及各向窗墻比[5]。增加了真空玻璃中氣體層厚度和Low-E膜反射率，有效降低了外窗傳熱系數(shù)，外門窗的傳熱系數(shù)僅為1.2 W/（m2·K），氣密性等級為8級。除加裝Low-E玻璃外，南側(cè)陽光房采用了彩色發(fā)電薄膜玻璃做為外遮陽，目的是保持冬夏兩季供暖和制冷需求之間的平衡。

2.2.3 暖通設(shè)備預(yù)留洞口設(shè)計

本工程新風一體機設(shè)置在室外，存在很多暖通管線穿外墻位置。這些位置均做了預(yù)留洞口精細化設(shè)計[6]，在滿足相關(guān)規(guī)范的前提下，將外墻砌筑提前預(yù)留出暖通設(shè)備洞口。通風管道安裝后，在管道與結(jié)構(gòu)之間采用保溫材料封堵。為了保證氣密性，在洞口外部粘貼防水透氣膜，內(nèi)部粘貼防水隔氣膜。并且在風管安裝后，進行氣密性試驗，對建筑整體的氣密性和保溫性實現(xiàn)施工過程的管控。

2.2.4 無冷熱橋與氣密性設(shè)計

為了實現(xiàn)建筑超低能耗的目標，建筑必須保證良好的氣密性且避免冷熱橋現(xiàn)象的產(chǎn)生。冷熱橋是建筑外圍護結(jié)構(gòu)中傳熱能力強、熱流較密集的部位[7]，良好的氣密性對建筑節(jié)能具有重要意義。本工程在以下方面制定了氣密性施工的技術(shù)措施：

（1）屋面除了使用防火石膏板，還增加2層OSB板，并在OSB板上滿鋪氣密膜密封，板下接縫用100 mm寬氣密膠帶密封。在屋面與墻體的轉(zhuǎn)角處，氣密膜連續(xù)不斷。

（2）外墻砌體砌筑時，在保溫板與外墻之間設(shè)置水泥砂漿找平層作為氣密層。在砌筑外墻時，保證四面灰漿飽滿，不出現(xiàn)空腔，外墻也可以作為一層氣密保護。

（3）門窗安裝及洞口處理時，優(yōu)化管線設(shè)計，盡量減少管線穿外墻的次數(shù)。管線不得不穿外墻時，在洞口或門窗框與結(jié)構(gòu)縫隙處，外側(cè)粘貼防水透氣膜，內(nèi)部粘貼防水隔氣膜，加強氣密性。

（4）建筑地面零層板和保溫板之間滿鋪氣密膜，并在地面與墻體的交接處，使用密實砌體填塞。

2.2.5 零碳花園設(shè)計

本工程在中部位置設(shè)計了零碳花園（見圖4），一方面，可以作為屋面排水天溝的泄水位置，減少了屋面天溝的橫向距離，也減少了雨水滲漏風險；另一方面，增加了室內(nèi)的采光和通風效果，美化了室內(nèi)的環(huán)境，提高了使用者的舒適度。

2.3 光伏屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計討論

2.3.1 裝配式建筑光伏屋面需要滿足的條件

（1）光伏組件需與主體結(jié)構(gòu)有可靠、牢固的連接，屋面及結(jié)構(gòu)要能承受光伏組件的自身荷載和使用荷載，保證使用的安全性和耐久性。

（2）光伏組件與屋面結(jié)構(gòu)的連接要避免冷熱橋現(xiàn)象，有效地發(fā)揮其保溫、隔熱的特點。

（3）光伏屋面要有良好的防水性能，保證在使用過程中不出現(xiàn)漏水、返潮的現(xiàn)象。

（4）光伏屋面與墻體之間的氣密膜要形成閉環(huán)，保證被動式住房的氣密性。

（5）裝配式建筑要有施工方便、快捷的特點，盡量避免濕作業(yè)。

2.3.2 裝配式建筑光伏屋面存在的主要技術(shù)矛盾

光伏組件與主體結(jié)構(gòu)的可靠連接極易產(chǎn)生冷熱橋，且會破壞防水層和保溫層。被動式建筑對保溫、防水有極高的要求，且裝配式建筑要滿足“裝配”概念，傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土屋面無法滿足裝配率，且大體積預(yù)制構(gòu)件有不易運輸、施工難的缺點。同時，此方案或設(shè)計如果要長遠發(fā)展并改進，必須考慮被動裝配式房屋的成本管控。如何將光伏組件安全可靠地固定在屋面系統(tǒng)，且不破壞氣密性、保溫和防水是討論的重點。

2.3.3 裝配式建筑光伏屋面技術(shù)問題的解決方案

本工程的屋面形式屬于光伏一體化屋面，在現(xiàn)階段采用組件拼裝方式搭建。屋面采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)為主要承重結(jié)構(gòu)，配合OSB板、防火石膏板、擠塑聚苯板、自粘防水卷材等滿足被動式建筑的功能。同時，為了施工方便，可以將組件進一步工廠化，提高建筑的裝配等級。

（1）方案1：保溫層內(nèi)嵌雙層錯向木龍骨

該方法通過設(shè)置2排錯向木龍骨，大大減少了木龍骨間的連接面積，進而減少了熱傳導(dǎo)的截面積，減少了熱量傳遞途徑。在木龍骨之間嵌填2層保溫板，有效地阻斷了室外熱量，起到了隔熱、阻斷冷熱橋的作用。本工程采用了40 mm×100 mm雙層木龍骨，間距600 mm錯向搭接，施工方便，快捷。木龍骨與下層結(jié)構(gòu)采用螺釘或預(yù)埋螺栓固定，上層光伏板與木龍骨使用螺釘連接固定。保溫層采用雙層100 mm+100mm厚擠塑聚苯板。此設(shè)計的目的是盡量增大保溫板的填芯面積，可減少熱橋的能量傳遞。

（2）方案2：保溫層上設(shè)置OSB板，光伏固定件與OSB板采用螺釘連接

OSB板材質(zhì)均勻，穩(wěn)定性好，握釘力強。因其刨花是按一定方向排列的，其縱向抗彎強度比橫向大，因此可用作受力構(gòu)件。本工程充分考慮光伏組件的荷載，使用OSB板作為連接介質(zhì)，使屋面滿鋪的光伏組件產(chǎn)生的受力均勻分散至OSB板和下層的木龍骨上，受力均勻，傳力簡潔，提供了一種可靠的連接，形成完整的受力結(jié)構(gòu)。除此目的之外，OSB板自身具有透氣層的作用，保證了建筑的氣密性。

（3）方案3：采用自粘防水卷材，放置在OSB板上面

自粘防水卷材具有優(yōu)異的粘接力，能自行愈合較小的穿刺破損。本工程自粘防水卷材放置于光伏組件下方，在遭遇螺釘穿刺時，會自動與螺釘合為一體，保持良好的防水性能。自粘防水卷材延伸率極大，能適應(yīng)OSB板的變形，施工簡便安全，容易做到現(xiàn)場文明施工。該方案避免了螺釘將普通防水層刺透，減少滲漏隱患。

（4）方案4：屋面下層采用防火石膏板+OSB板，板上滿鋪氣密膜密封，保證氣密性

由于裝配式建筑為鋼木結(jié)構(gòu)，防火要求較高。根據(jù)GB/T 50708—2012《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，屋面需設(shè)置防火隔離帶。且被動式房屋對氣密性要求極高，在屋面需設(shè)置透氣膜及隔氣膜保證房屋氣密性。本工程采用15 mm厚防火石膏板+10 mm厚OSB板，在板上滿鋪氣密膜密封，板下接縫用100 mm寬氣密膠帶密封（見圖5）。防火石膏板不僅具有隔熱、難燃的性能，而且具有輕質(zhì)、保溫的特點。防火石膏板上的OSB板和氣密膜做為隔氣層，與兩側(cè)墻體間的氣密膜形成閉環(huán)，保證了房屋的氣密性。該方案滿足了超低能耗建筑對氣密性的要求，也滿足了裝配式房屋對防火的要求。

通過上述4種方案，不僅保證了光伏屋面的保溫、防水和氣密性能，而且施工過程中不存在濕作業(yè)，節(jié)省了安裝時間，滿足了裝配式屋面安裝要求，也避免了光伏屋面冷熱橋的產(chǎn)生。

3 結(jié)語

隨著被動式超低能耗建筑的發(fā)展，光伏能源的使用逐漸普及。相比普通的光伏屋面房屋，被動式超低能耗建筑對氣密性、保溫性和防水性等有更高的要求。為了達到超低能耗的標準，利用光伏能源發(fā)電的屋面可以通過以上幾種方法，適當調(diào)整結(jié)構(gòu)布置方式，在受力合理保證安全的前提下，有效地避免了冷熱橋效應(yīng)的產(chǎn)生，提高了屋面整體保溫、防水、密封性能。與被動式超低能耗設(shè)計理念、裝配式設(shè)計理念、綠色建筑、節(jié)能減排的理念相融合，符合時代發(fā)展背景。

通過對胡張莊零能耗改造項目的分析，能夠更好地為被動式超低能耗裝配式建筑光伏屋面的做法提供技術(shù)保障，并提出實質(zhì)的效果分析，從而為建筑的綠色建造提供參考。