铁路公共建筑应用被动式建筑技术

来源：职称阁分类：建筑论文时间：2020-10-15 09:10热度：

　　本文针对寒冷地区铁路公共建筑普遍存在的技术、经济、安全问题，通过运用包括新型保温系统、高效新风热回收系统、电热膜供暖系统、光伏发电和储能系统在内的被动式超低能耗综合技术体系，来大幅度降低围护结构、供暖空调系统和电照系统的能源消耗，切实提升建筑的功能性、安全性、耐久性和全寿命经济性，实现被动式超低能耗建筑的建设、运用目标，结合装配式体系、构造，打造绿色建筑。

铁路公共建筑应用被动式建筑技术

　　关键词:寒冷地区;公共建筑;被动式超低能耗;装配式结构

　　国内建筑能耗约占全国能源消费总量的三分之一，其中公共建筑能耗数量巨大。公共建筑全年能耗中，照明系统能耗约占40%、供暖空调系统能耗约占50%，其中外围护结构传热导致的供暖能耗在寒冷地区可达50%。因此，对寒冷地区公共建筑在围护结构、供暖空调、照明系统方面的节能降耗进行研究非常必要。本文寒冷地区的公共建筑(铁路生产办公用房、单身公寓、中间站房)为研究对象，通过使用新型技术、材料、工艺，大幅降低围护结构、供暖空调系统和照明系统的能源消耗，从而最大限度地减少建筑耗能，实现被动式超低能耗的建设、运用目标。通过创新，使装配式和被动式建筑有机结合，打造绿色建筑［1－4］。

　　1铁路公共建筑现状及分析

　　1．1建筑结构方面

　　单体建筑面积1000～3000m2，建筑体形系数0.4～0.8，窗墙比0.3～0.5，建筑高度30m以内，建筑节能65%;现浇钢筋混凝土条板或筏片基础、现浇钢筋混凝土梁板柱框架结构;陶粒或混凝土空心砌块外围护墙体、岩棉或挤塑板保温、两胶一网涂料或石材、铝板幕墙外饰面层;外窗为单层一框双玻、三玻塑钢或断桥铝平开窗，外门为单层、双层断桥铝型材平开玻璃门［5－8］。当前铁路房建工程普遍采用有机或无机保温块材为主的外保温体系，即保温板置于外墙外侧，通过钉、胶结合等方式被动地固定于围护墙体。(1)通常情况下，保温材料强度和固定方式决定保温外墙的平整度和观感，其效果本身就很不理想，加之抗裂保护层(两胶一网的抗裂砂浆复合网格布)仅3～5mm厚，且与保温板导热系数相差较大，在外界高温或者温差变化等因素影响下，容易造成保温体变形或保护层开裂。在冬季寒冷地区，通过裂隙侵入保温板间、尤其是保温板与基层墙体间的水分冻涨，通常会导致保温层变形，开裂，乃至脱落。(2)幕墙情况下，龙骨节点板的构造形式和分布密度会直接影响保温板与墙身的固定，造成保温层不连续或在节点板处产生冷桥。主次龙骨的布设情况及其与基层墙体的间距又使保温板材很难达到固定可靠、厚度合格。外敷的防水透气膜也就无法连续有效、布设可靠，致使防水透气功能丧失。以上情况会造成外保温体系的功能降低乃至丧失，导致墙体受冻、外墙内表面结露脱落、以及室温过低等影响建筑物的热工性能及使用舒适性，加大建筑能耗，降低建筑耐久性和安全性。

　　1．2采暖空调方面

　　主要采用以地暖或散热器热水系统为内网，以市政热源、燃气锅炉或电锅炉作为热源的机械循环供暖系统。分体式空调或多联机式空调作为辅助热源和夏季冷源。基本没有中央空调或新风系统。(1)热水供暖系统复杂的内外网管道建安工程造价高，工期长，占用空间大，系统效能偏低，运营期的管道渗漏、系统堵塞、系统失衡等致使其维护周期延长，维护工作量增大，运营费用增高，系统效能逐年降低。加之市政热源、气源配套的高不确定性和低效费比使得建设运用成本增高，最终导致系统的高能耗低效能。北方严寒地区由于供暖期长、能源消耗大、地下水质差、水处理成本高和区域经济欠佳配套能力弱等原因，使得热水供暖系统的上述缺陷表现得尤为突出。(2)中间站房及生办房屋均无中央空调或新风系统，除个别分体、多联机空调房间外，室内环境的空气质量调整主要依靠自然通风实现。在不良气候或天气情况下，无法进行自然通风时，空气状况根本无法满足运输生产、生活需求。在使用传统中央空调或新风系统的情况下，同样存在巨大的能源浪费。通常建筑室内设计温度为18℃，室内空气温度较高，具有较高热能。室内通风换气时，将室内空气直接排至室外，这部分能源白白浪费。同时室外空气温度较低，在东北严寒地区，冬季室外空气温度经常达到－20℃～－30℃，这些寒冷的空气直接进入室内，将使新风系统受冻，需预热并加热至室内空气温度，耗能巨大。因此，亟需一个好的能量回收系统，将排风能量回收用于加热新风，以节省能源。

　　1．3电照系统方面

　　各类负荷均采用国网外电作为唯一电源，通讯信号等一类负荷采用双路互投电源或UPS电池作为应急电源使用。其中一级负荷占比最高约30%，二级及以下负荷占比约70%。二级及以下负荷主要用电时段为日间工作时间区段。实际使用功率变化较大，对电源稳定性的要求远不及一级负荷。

　　2改进研究方法及措施

　　2．1研究方法

　　(1)采用新型绿色环保保温系统、高效节能门窗，结合优化的建筑体型系数和窗墙比例，形成高气密性、高热惰性围护结构，有效降低围护结构传热。(2)结合自然通风和高效新风回收系统实现中央空调系统、新风系统的低能耗运用。(3)采用太阳能光伏发电、储能系统作为室内供暖、照明系统及分体式空调的主要电源，国网外电作为辅助。

　　2．2改进措施

　　2．2．1建筑结构方面(1)提高建筑节能至85%，严格控制建筑体型系数和窗墙比，建筑主入口的设置充分考虑当地主导风向和地方标准构造要求。(2)外门、窗应优先选用满足被动式建筑节能检测标准、通过PHI认证的高效节能产品，并要确保门窗洞口处的构造设计符合地方标准。(3)使用《免拆模板浇筑发泡水泥外墙外保温系统》代替现有的外保温体系。作为替代现有苯板、挤塑板和岩棉板的新型绿色无机环保类保温、隔音材料，其主要材料水泥、外加剂等均为不燃，耐火等级为A级，且可二次回收利用。施工采用工厂化生产系统构件、保温层现场连续浇筑方式，保温材料自主膨胀、主动紧密结合基层墙体，具有极佳的整体保温隔热、隔音、耐久及热惰性能，从根本上杜绝现有保温体系的缺陷，大幅度提升外墙体热工性能，有效降低围护结构传热，并做到与建筑主体同寿。(4)幕墙体系使用发泡水泥保温以石材、铝板等饰面材料作为发泡水泥的模板，幕墙与围护墙体的间距以设计保温层厚度为准，现浇发泡水泥可有效填充围护结构的孔洞，克服幕墙节点板和龙骨的冷桥，紧密结合装饰面板，在围护墙体与幕墙间形成连续致密的强度高、热惰性好、湿热交换良好的无机保温层。与非幕墙相比，造价降低，工期大大缩短。(5)建筑工业化和装配化是推动建筑产业转型升级的重要途径。装配式配筋砌块砌体剪力墙结构是建筑装配化的重要发展方向，较传统现浇钢筋混凝土框架填充墙体系，具有建造成本不增加、节省人工和工期、施工过程管控规范的特点。在冬季寒冷地区，配合新型夹心保温技术的装配式建造方案，可有效解决既有外保温体系的固有缺陷，实现建筑节能、美观、耐久以及安全性的统一，实现装配式与被动式的统一，努力打造绿色建筑。2．2．2空调供暖方面(1)室内供暖使用电热膜系统代替热水管网供热系统电热地膜供暖系统是一种高科技薄膜采暖系统。系统集合了纳米高分子的远红外采暖特性及基于物联网的智能化控制模式，通过无缝植入建筑主体的工程实施方式为用户提供波长与人体一致的远红外健康采暖环境。通电后以导电油墨为发热体，产生远红外线，将热量以远红外线辐射的形式送入空间，使周围密实物体(墙壁、地面、家具等)首先吸收能量，温度升高，然后由这些物体散发辐射热来自然均匀地升高室内温度，全然没有干燥、闷热的感觉。室内装有温控器，可根据室内人员的需要调节和控制温度，实现分户分室供暖，采暖温度、采暖时间随心所欲，更可通过行为节能，养成良好的节能习惯，既节约费用，又更加人性化。用于采暖的电热地膜为低温辐射电热地膜，其表面的低温特性、位于地面下的无氧和不与紫外线接触的状态接触，会使其高分子材料的氧化时间相当长，因此，电热地膜采暖系统的工作寿命将高于50a。系统双重绝缘、双重防水的全封闭结构集成化工艺为电热地膜采暖的安全稳定运行奠定了基础。同时由于地面远红外加热的供暖方式更加符合暖通领域的人体工学模型，因此系统采暖效果更加舒适节能。其具体特点为:①采用人体感受最舒服的辐射方式采暖，无对流采暖的灰尘和燥热感，温暖，干净，舒适度高。②电热地膜技术采暖的分区计量、分室控温技术，给用户行为节能提供了有利条件。③电热地膜供暖系统可根据用户需要随时启动或关闭，结合峰谷电价，运行费用低，经济节省。④室内无管路、暖气片，相对增加了使用面积。⑤不受采暖时间限制，随时都可取暖，避免了春冷秋寒时的不舒适感觉。温度自由控制，用户可按需调控室温，彻底解决了传统水暖因垂直失调和水平失调造成的供暖不均。⑥不存在供暖试水问题，不会产生跑冒滴漏。⑦节省市政热网、燃气的配套工程，经济低碳、节能环保。电热膜智能控制系统具有的实时监控、远程设置、远程查询、分组操作、计划任务设置、计费统计、日志记录功能非常有利于实现智能建筑供暖系统的综合管理。①可实现项目的统一管理。②可根据不同人群、功能对温度的不同要求，实行温控自主的差异化管理。③保障用户采暖的舒适性，实现智能控温。④在非采暖时间段，可通过集控系统，使室温在12℃的低温条件下运行(有特殊要求例外)，既能达到节省能源、减少供暖费用支出目的，又能践行低碳环保的理念。(2)室内高效新风热回收功能系统被动式节能构造所具有的高热惰性、高气密性使得原有无组织的室内外自然通风、围护结构的冷风渗透等空气对流基本被隔绝。使用具有高效热回收功能的新风系统来确保室内空气质量，实现被动式节能建筑功能。使用热泵回收系统是利用逆卡诺循环原理，通过空气源热泵系统将排风中的热量吸收后释放到新风系统中，给新风加热升温，从而节约能源。逆卡诺循环原理是通过能量诱导将低品位的热量传递到高品位的热量中去。由空气源热泵压缩机做功，利用液态制冷剂能够储存大量热量的潜热特性，消耗1份压缩机功率、利用2～3份空气的热量，一起释放到被加热空气，产生近4份的可利用的能量，也就是四倍能效。以室内温度为18℃，室内相对湿度为40%，室外温度为－18℃，室外相对湿度为60%为例。经热回收设备后，排风温度为0℃，排风相对湿度90%，查焓湿图得室内空气焓值为31kJ/kg，室外空气焓值为－17kJ/kg，排风经热回收后空气焓值为8kJ/kg。经计算，排风系统焓差为23kJ/kg。按保守能效比1∶3计算，新风系统焓差可达到34.5kJ/kg，新风加热后焓值为17.5kJ/kg。按上述参数再查焓湿图，可得经空气源热泵加热后，新风温度为16℃。综上所述，空气源热泵系统的热回收能力强，在1∶3能效比下，排风温度从室内18℃降到0℃，可使新风温度从室外－18℃加热至16℃，极大地节省了能源。2．2．3电照系统方面(1)一级负荷占比约15%～30%，国网外电作为唯一电源，采用双路互投或UPS电池确保供电。(2)二级及以下负荷中，除照明及墙身插座用电之外，电供暖系统、新风热回收系统、分体或多联机空调系统以及电伴热系统用电是本级负荷中的绝对主导负荷。根据本级负荷的使用特点，使用太阳能光伏电池及储能系统作为主要电源，国网外电作为应急辅助电源。光伏电池板的布设，以站台雨棚屋面、站区的安全隔离区地面为主，也可结合部分建筑屋面和构筑物顶面进行整体安排。有条件的情况下，可布设集中式的小型地面光伏电站统一解决。(3)用电总负荷的70%～85%采用光伏电源后，极大地降低了电照系统的建设费用、尤其是后期运营费用。在其25a的有效工作期内，维护工作量、维护费用都很低。在6～7a的成本回收期后，可无成本地提供18～19a的免费绿色电源。

　　3结论

　　被动式超低耗能综合技术体系以免拆模板浇筑发泡水泥外墙外保温系统墙体为基础，结合高效节能门窗、幕墙等“透明墙体”共同形成高气密性、高热惰性围护结构杜绝结构传热;以电热膜供暖为主，以高效新风回收系统送热为辅提供冬季供暖热源;以高效新风回收系统送冷结合有组织自然通风提供夏季冷源;以电能作为唯一用能能源，以太阳能光伏电源为主、国网外电为辅提供总用电负荷70%及以上电能。与传统体系相比，本体系具有如下优点:(1)围护结构热工性能好，基本杜绝结构传热。(2)高效新风回收系统能效比突出，做到了冷热双源。(3)电热膜系统供暖舒适、节能、节水，便于智能管理。(4)将电能作为唯一用能能源，优化了能源结构，节省了市政热网、燃气等配套设施费用。(5)运用零排放、零污染、低成本的绿色光伏能源，可获得国家用电补贴，获取碳排放指标并通过指标交易获取额外收入，停热后的富余电能还可回送电网或出售。(6)各功能系统技术先进、低碳环保，功能性、耐久性、经济性好，近乎免维护，后期运营费用低。(7)综上所述，应用被动式超低耗能综合技术体系进行寒冷地区公共建筑的建设与运用，在切实提升建筑功能性、安全性、耐久性的同时，能大幅降低围护结构、供暖空调系统和照明系统的能源消耗，最大限度地减少建筑耗能、提高建筑全寿命经济性，实现被动式超低能耗建筑的建设、运用目标，具有显著的社会和经济效益。同时，对塑造绿色、环保、低碳的良好铁路企业形象，顺利推进企业的可持续发展，践行“交通强国，铁路先行”理念具有重要意义。

　　作者：刘昌

文章名称：铁路公共建筑应用被动式建筑技术

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