绿色建材在被动式超低能耗建筑中的应用研究

田学勤 秦 杰

(中国建筑材料工业规划研究院，北京 100035)

被动式超低能耗建筑是指适应气候特征和自然条件，通过采用保温隔热性能和气密性能更高的围护结构，高效新风热回收技术，最大程度降低建筑供暖供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供舒适室内环境并能满足绿色建筑基本要求的建筑[1]。中共中央办公厅、国务院办公厅在《关于推动城乡建设绿色发展的意见》中提出“推动高质量绿色建筑规模化发展，大力推广超低能耗、近零能耗建筑”；国务院在《2030年前碳达峰行动方案》中提出“推动超低能耗建筑、低碳建筑规模化发展，加快推进绿色建材产品认证和应用推广”；住房和城乡建设部、国家发展改革委在《城乡建设领域碳达峰实施方案》中提出“推动低碳建筑规模化发展，鼓励建设零碳建筑和近零能耗建筑”。可见，发展被动式建筑已形成政策共识。

绿色建材是指在全生命周期内可减少对天然资源消耗和减轻对生态环境影响，具有“节能、减排、安全、便利和可循环”特征的建材产品。被动式超低能耗建筑对建筑材料的质量和性能提出了更高的要求，绿色建材能够为被动式超低能耗建筑提供高效节能、绿色环保、安全便利的建筑材料，是发展被动式超低能耗建筑不可或缺的材料。研究绿色建材在被动式超低能耗建筑中的应用，符合国家政策要求，对推动被动式超低能耗建筑具有重要的现实意义。

1 被动式超低能耗建筑的特征与构成

1.1 特征

建筑必须在年热能需求、热负荷、空气密度和基本能源需求等方面符合特定的标准，才能称为合格的被动式超低能耗建筑。被动式超低能耗建筑具有优良的外围护保温、高效节能门窗产品、热回收新风系统、优良的建筑整体气密性以及无热桥设计5个特征。被动式超低能耗建筑示意如图1所示[2]。

图1 被动式超低能耗建筑特征示意图

1.2 产业构成

被动式超低能耗建筑高度依赖关联产业的支撑，通过与传统建筑产业体系进行对比分析，围绕被动式超低能耗建筑产业链构成，重点对具备代表被动式超低能耗建筑的特征、密切的产业支撑配套特征的产品进行归纳和分类，被动式超低能耗建筑产业主要包含绿色建筑功能材料、装配式结构构件、被动式门窗系统、环境调节设备与系统等四类产品。

绿色建筑功能材料：主要包括高性能防水密封材料、高效保温材料、结构保温一体化系统和功能涂料。

装配式结构构件：主要包括装配式混凝土结构构件、结构保温一体化墙板和装配式钢结构构件。

被动式门窗系统：主要包括节能门窗、遮阳系统、节能玻璃、节能门窗型材和建筑门窗用五金件。

环境调节设备与系统：主要包括空气源热泵、地源热泵、新风净化系统、环境一体机、光伏发电系统、太阳能光热系统和导光管采光系统。

2 绿色建材应用研究

围绕被动式超低能耗建筑的特征与构成，应用于被动式超低能耗建筑中的绿色建材产品主要包括高性能防水密封材料、高效保温材料、功能涂料、装配式混凝土结构构件、结构保温一体化墙板、装配式钢结构构件、被动式门窗、遮阳系统、节能玻璃、节能门窗型材和建筑门窗用五金件等。

2.1 高性能防水密封材料

高性能防水密封材料是保障被动式超低能耗建筑气密性和水密性的关键材料。被动式超低能耗建筑内每个居住单元应具有包绕整个建筑采暖体积的、连续完整的气密层。选用高质量高寿命的防水密封材料，建立高效的防水密封系统，已成为被动式低能耗建筑标准配置[3]。被动式超低能耗建筑涉及的高性能防水密封材料包括防水卷材、防水隔汽膜、防水透汽膜等产品。

2.1.1 高性能防水卷材

高性能防水卷材是被动式超低能耗建筑所必须的关键基础材料，应用于被动式超低能耗建筑屋面、地下室、厨卫、墙体等的防水工程，主要产品有改性沥青防水卷材和高分子防水卷材。其中，改性沥青防水卷材主要分为弹性体改性沥青防水卷材和塑性体改性沥青防水卷材，它已替代传统防水卷材产品，成为防水卷材的主导产品；高分子防水卷材主要有TPO、EPDM、PVC、HDPE等，是未来防水卷材发展的主流，市场需求将逐渐提高。

2.1.2 防水隔汽膜、防水透汽膜

防水隔汽膜和防水透汽膜是被动式超低能耗建筑专用的核心材料，应用于被动式超低能耗建筑门窗洞口接缝的室内、外侧，可防止室外水分进入门窗与结构的缝隙，同时使结构内水汽可自由蒸发，在加强建筑气密性、水密性的同时，解决结露发霉问题，保护围护结构热工性能，达到节能降耗目的，同时延长建筑的使用寿命。

高性能防水密封材料应用案例：青岛国际院士港研究院6号楼、9号楼项目。该项目建筑面积1.2万m2，通过外墙内侧抹上20mm厚砂浆、在幕墙立柱、防火镀锌钢板与实体墙连接处使用防水隔汽膜、穿墙洞口与墙体连接处使用防水隔汽膜和气密胶带等方式在建筑物被动区域设置完整的气密层，从而实现良好的气密性。2021年，该项目获得近零能耗建筑标识[4]。

2.2 高效保温材料

保温系统是建筑节能保温的核心措施，高效保温材料是被动式超低能耗建筑实现建筑节能的核心材料。我国被动式超低能耗建筑一般保温层厚度为150mm～300mm，典型高层被动式超低能耗建筑所需的额外保温层占用的面积约占建筑面积的2%～4%[5]。

按照我国建筑防火规范和被动式超低能耗建筑相关标准要求，目前我国被动式超低能耗建筑主要采用的保温材料包括岩棉板、模塑聚苯板、挤塑聚苯板、石墨聚苯板、聚氨酯板、真空绝热板和气凝胶毡等。参考《绿色建材评价保温系统材料》T/CECS 10032三星级标准要求，模塑聚苯板、挤塑聚苯板(带表皮)、岩棉外墙板、聚氨酯板导热系数分别能够达到0.032W/(m·K)、0.025W/(m·K)、0.038W/(m·K)以及0.022W/(m·K)[6]，这些高效保温材料的应用对提高被动式超低能耗建筑外围护结构的保温隔热性能有重要作用。在我国获得PHI认证的52个被动房项目中，多数项目采用岩棉和模塑聚苯板作为围护结构保温材料。

高效保温材料应用案例：北京首开国樾·天晟项目。该项目位于北京密云新城，被动式超低能耗建筑示范面积达3万平方米，是密云区第一个超低能耗建筑示范工程、北京市首个“超低能耗建筑示范社区”，获得了中国超低能耗建筑认证、中国绿建三星认证、美国LEED金级认证、德国PHI认证等四大认证。该项目使用了高效保温系统，在建筑外墙加装隔热垫块并在其外侧使用聚氨酯保温板。聚氨酯板具有质轻、隔热、保温、吸声和减震等优良性能，机械性能好，不吸水，高温下不产生有害气体，是重要的建筑节能保温隔热材料[7]。

2.3 功能涂料

功能涂料是被动式超低能耗建筑内外墙不可或缺的材料，可为建筑或建筑部件提供防水、防腐、隔热保温、防火、装饰等功能，对于延长被动式超低能耗建筑使用寿命具有重要意义。其主要产品包括防水涂料、反射隔热涂料、保温涂料、防火涂料及抗菌、防霉等功能涂料。

功能涂料应用案例：惠州中建科工零能耗改造办公楼项目。该项目是广东省首座既有建筑零能耗改造办公建筑，是零碳、零能耗、零排放、零废水的“四零建筑”。建筑外墙采用真石漆外+反射隔热涂料，墙体传热系数达0.47W/(m2·K)。改造后，建筑能耗由107kWh/m2·a降低至50kWh/m2·a，每年可减少22t二氧化碳排放[8]。

2.4 装配式结构构件

装配式结构构件是指具备节地、节能、节材、节水、降低噪音、绿色环保等功能的绿色建筑结构部件。被动式超低能耗建筑涉及的装配式结构构件主要包括混凝土结构构件、结构保温一体化墙板和钢结构构件。

2.4.1 混凝土结构构件

装配式混凝土结构构件广泛适用于装配式建筑的主体结构及内外墙工程，主要包括预制混凝土叠合板、预制楼梯、预制梁、预制柱、预制内外墙板、蒸压加气混凝土墙板、轻质墙板等产品。按照装配式建筑的相关要求，可提前定制各种尺寸的产品，施工方便快捷，有利于节约资源能源、减少建筑垃圾、提升劳动效率。

2.4.2 建筑结构保温一体化墙板

建筑结构保温一体化墙板是集保温功能于一体的建筑墙板，可直接进行现场拼装，有效解决了墙体保温工程施工工序多、工期慢、质量不易控制等弊端，可大幅延长保温层寿命。

2.4.3 钢结构构件

钢结构构件是装配式钢结构建筑的主要结构构件，包括钢梁、钢柱、支撑和剪力墙等，具有自重轻、材料强度高、抗震性能良好，工业化程度高，现场装配率高，加工及回收过程绿色环保,可重复利用等特点，是保障被动式超低能耗建筑稳固性的关键构件。

装配式结构构件应用案例：山西潇河智慧建设运行总部A座项目。该项目是山西省首例集“近零能耗建筑+AAA级装配式建筑+三星级绿色建筑”于一体的高科技智慧建筑。建筑采用了钢框架结构体系、免支模金属桁架楼承板、装配式超低能耗复合外挂墙体体系、ALC轻质隔墙板以及装配式机房等技术产品，外墙传热系数达0.20W/(m2·K)，整体装配率达91.5%。作为标杆案例，该项目在装配式建筑、绿色建造、超低能耗方面起到了很好的示范作用，2022年被山西省住房和城乡建设厅认定为山西省首批绿色建筑创新项目[9]。

2.5 被动式门窗系统

被动式门窗系统主要包括被动式门窗、节能玻璃、节能门窗型材、遮阳系统和建筑门窗用五金件等绿色建材产品。被动式门窗能够满足被动式超低能耗建筑对其隔热、 隔声、 气密性和水密性要求， 对于提升建筑节能水平， 降低建筑碳排放效果显著；节能玻璃、 节能门窗型材和建筑门窗用五金件是节能门窗的重要组成部分， 是其达到透光、 隔热、 隔音、 水密等性能要求的关键部件；遮阳系统是改善室内热环境和舒适性的重要部件，属于主动且有效的建筑节能部件。

2.5.1 被动式门窗

门窗既是建筑围护结构的重要组成部分，也是外围护结构中保温最薄弱的环节，门窗能耗占建筑能耗的50%。因此，门窗节能性能是被动式超低能耗建筑达到节能指标的关键。被动式超低能耗建筑对门窗的采光系数、隔热性、抗风压性、水密性、气密性、隔声性均提出了严格规定。高品质被动窗产品抗风压等级可达9级，水密性可达5级，气密性可达8级，隔声性可达4级，传热系数能够低至0.8W/(m2·K)以下。高品质被动门产品气密性可达8级，水密性可达6级，隔声性可达3级，防盗性能可达丁级，防火性能可达丙级，传热系数能够低至1.3W/(m2·K)以下。

被动式门窗是被动式超低能耗建筑专用的核心部件，被动式门窗产品主要以铝、塑、木三种材质为主。国外多以系统窗为主，技术成熟。国内主要以型材设计、加工和门窗的组装生产企业为主，能实现自主研发的企业较少[3]。主要产品有木门窗、铝合金门窗、铝木复合门窗、铝塑复合门窗、玻纤增强聚氨酯门窗等。我国获得PHI认证的52个被动房项目中，被动窗的应用情况以墨瑟、森鹰居多，这两个品牌的被动窗应用占比超过70%。

2.5.2 节能玻璃

节能玻璃属于被动式超低能耗建筑的关键基础材料。中空玻璃是针对低能耗建筑和被动房的专业性绿色建材产品，被动式门窗主要采用三玻二腔甚至四玻三腔中空玻璃，玻璃中间抽真空或充氩气，玻璃本身使用低辐射镀膜LOW-E玻璃或超白玻璃。这种结构能够避免普通玻璃系统直接或间接地通过玻璃导热传声、内部结霜浸水，降低整窗的传热系数，提升房屋整体节能水平。

2.5.3 节能门窗型材

节能门窗型材适用于各种被动式超低能耗建筑门窗，该产品保温隔热性强，能够有效抵抗强紫外线，能为被动式超低能耗建筑提供更高的舒适程度。节能门窗型材主要包括铝木复合、木塑复合、铝塑复合、隔热铝合金等一系列产品。其中铝木复合、木塑复合、铝塑复合材质的被动门窗型材，因进入市场较早，相关标准及产品工艺较为完善，在国内市场占主要份额。

2.5.4 建筑遮阳系统

建筑遮阳系统是改善室内热环境和舒适性极为重要部件，可调节室内可见光亮度和阳光传热，显著降低建筑物夏季冷负荷需求，并具有一定的防盗和隔音性能，可分为内遮阳和外遮阳两类，外遮阳的效果优于内遮阳。属于被动式超低能耗建筑降低能耗的辅助绿色建材产品。《绿色建材评价建筑遮阳产品》T/CECS 10033-2019要求外遮阳产品的综合遮阳系数≤0.3，内遮阳产品的综合遮阳系数≤0.5，内置遮阳中空玻璃制品的综合遮阳系数≤0.3[10]。

2.5.5 建筑门窗用五金件

建筑门窗用五金件是建筑门窗安装过程中使用的金属和非金属配件，是建筑门窗开启、锁闭的节点部件，对建筑门窗的气密性、水密性和耐久性起到关键作用，是决定建筑门窗性能的关键部件。高品质门窗用五金件要求双面执手、合页、滑轮力学性能≥30万次，双向地弹簧力学性能≥75万次，单向地弹簧力学性能≥30万次，对保障被动式超低能耗建筑门窗性能有重要作用。

被动式门窗系统应用案例：雄安新区城乡管理中心综合服务中心项目，该项目是超低能耗装配式绿色示范项目,集超低能耗、钢结构、装配式、铝板幕墙等多种技术体系为一体，满足“绿色建筑三星”、“住建部超低能耗被动式示范项目”、以及“德国能源署示范项目”要求。该项目采用木索结构被动窗，使用三玻两腔加暖边充氩气双low-e中空玻璃以及铝包木节能型材窗加暖边，项目外门窗气密性≥8级、水密性≥6级、抗风压≥9级。项目南立面遮阳采用机翼遮阳板，能够光感追踪、根据太阳高度变化自动调节进入室内的太阳能量，以降低能耗；东、西外窗采用可调节电动活动铝合金百叶外遮阳，外遮阳距离外窗>100mm，避免玻璃被加热，以降低能耗；屋顶采光窗采用遥控活动外遮阳系统[11]。

3 展 望