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跟着菲斯特教授学被动房【三】

来源:沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心作者:沃尔夫冈·菲斯特

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《德国被动房基础理论》课程,共8节,由德国被动房研究所沃尔夫冈·菲斯特教授讲授,沈阳建筑大学夏晓东讲述,柴泽宾翻译,沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心录制。本课程已获授权,转载必究。



第三节   围护结构的气密性


课程PPT及讲义



【P1】


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上一节课我们讲述了,为什么要做好建筑的保温隔热,围护结构常规部分是如何计算热损失的,又通过欧洲的木结构建筑构造介绍了围护结构的做法以及控湿问题。这节课我们来讲解围护结构的气密性。


【P2】



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这是上一节我们讲解过这张图片,我们已经知道了如果气密层开裂了,空气会很容易地从缝隙进入围护结构内部,空气中的水蒸气也会大量的进入围护结构内部。



【P3】



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我们为什么要做气密性呢?


第一就是避免湿气进入围护结构内部,造成对建筑结构的破坏;


第二,是提高室内外的隔声效果,因为声音在空气中可以传播;


第三,是避免室外污染的空气不受控制地进入到室内,这个我们在雾霾天深有体会,室外PM2.5浓度300的时候,气密性不好的建筑室内也有100多;


第四,可以提高新风系统的功效,这也为有组织地进行机械通风提供条件,是新风设备正常按设计运行;


第五,是节能和节省采暖制冷除湿的费用。因为被动房里的新风系统是需要具有热回收功能的,如果控制不好气密性,没有通过新风系统的额外风量就会增加,而这种额外的风就是冷风,没有热交换的预热。


这里可以强调一点,做好气密性没有坏处,另一点是做好气密性并不贵,主要是了解好怎么做。



我们在这里强调一点:在欧洲室内装修和家具所使用的建材的环保要求是很高的,对甲醛和VOC的控制非常严格,因此在欧洲做好建筑气密性只有好处,没有坏处。但是在中国,由于我们对建材的环保要求并不严格,所以大部分的建筑还是使用了不环保的材料。


对于使用甲醛和VOC超标的室内装修材料的建筑,过高的气密性会增加室内污染物浓度,需要增大新风的换气量来降低污染物浓度,能够降低到什么程度,取决于室内装修建材的环保等级。也就是说,在被动房里面的家具和内装修材料需要满足严格的环保要求,否则对健康是有害的。具体有哪些影响,我们后面的通风章节会具体讲到。



【P4】



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这是一张气密性与建筑采暖能耗需求和最大热负荷之间的关系图表,是以一栋德国汉诺威的被动房建筑为例的模拟结果,纵轴是采暖热需求,横轴是空气渗透值,也叫气密性特征值,他的单位是/h,也就是每小时换气次数。气密性检测的n50就是,室内外气压差在50pa的条件下,是当室内外压差为50Pa的情况下要求每小时换气次数不大于0.6次。室外的风压变化非常大,范围也很广,距地面越高风压会越大,50pa是一个选定的大概平均值。



绿色的线是被动房的能耗标准15kWh/(m²·a),蓝色的实线是建筑采暖能耗需求,红色的虚线是采暖最大热负荷,单位是W/m²,这是一个模拟关系图,我们可以看到随着建筑气密性的提高,供暖热负荷和采暖能耗需求都在下降,如果要达到被动房的标准,需要空气渗透值在0.042以下。



气密性对被动房的理论非常重要,如果不做好气密性,做好了第一节课讲的基本原则中的其他四个,建筑能耗也会较高,因为被动房的能耗理论模型就是基于优异的气密性,所以有些开发商投入了很多保温材料,做了复杂的施工工艺,但是建完一看发现能耗并不像被动房那样低,最后给建筑做了气密性检测,发现气密性不达标,但是室内装修已经做完了,这个时候是很难弥补的了。因此设计师从工程一开始就需要有气密性设计的意识和常识。



【P5】



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那么我们来看一下如何做气密性设计,当我们拿到一张建筑的平剖面的草图时,我们先找到他的围护结构层,在围护结构内侧用一条连续且闭合的红颜色线绘出气密层,在建筑构件间连接的地方,例如:外墙与内墙的交接部位,外墙与外墙的交接部位,外墙与屋面的交接部位等等,都需要保证气密层的连续性,而且气密层的材料和做法应该是与建筑同等寿命的。


气密层需要连续不间断,当某处气密层断开不连续了,再在外侧加多少层附加层都不具备气密性效果,就像吹气球一样,气球就是气密层。再比如这个例子,我们有一个水桶,它漏水,我们给他套一个还是漏的桶,但水依然还是会漏。气密层只需要连续不间断的一层。这个构造设计问题是建筑师的责任,也就是建筑专业负责,因为建筑专业出建筑施工图。



【P6】



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那么我们来看一下做气密层的常用材料有哪些,气密性材料需要本身不透气,而且坚韧不易撕裂,并且耐久性要好。那么我们来具体的看一下,第一种是木板材类,定向刨花板OSB、稻草板OSSB等等,这种板材常用于轻钢、轻木结构体系作为结构蒙皮板用;第二种是聚乙烯类的膜,可以有自粘型的,也可以选用胶粘的,可以用于处理一些缝隙,但一定是选用认证过的;


第三种混凝土,振捣密实的混凝土是天然的气密材料,砂浆砌筑的砌块墙体气密性不高,只有表面抹灰后的砌筑墙体才有较好的气密性,但是建筑砂浆一般都是脆性材料,抹灰层一般2-3cm厚,他很薄,难以保证在建筑使用过程中不出现裂缝,这样一来呢抹灰砂浆的气密性会受到一定削弱,这也是第四种气密性材料。



以上材料基本处理原则都是在其表面处理气密层,木板材之间的缝隙通常用粘贴气密性胶带来处理。结构混凝土与结构混凝土之间的缝隙,比如建筑变形缝的部位,为了保证建筑结构的变形能力,通常也会选用气密性胶带。



【P7】


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下面我们来了解一下常用的一些建筑材料的透气性能,这是一张图表,横轴是透气性,测试条件是在50pa的压差下,每小时每平方米材料,透过多少m3的空气,所以它的单位是m3/(m2·h),纵轴是各种材料,深蓝色是某一种材料检测出的最低值,浅蓝色是最高值,我们可以看到最低的是岩棉等材料,达到了100,软木板达到了7,那么中间有一条红色的竖线,在0.1m3/(m2·h)的位置,是材料选用的分界线,也就是说在选用气密性材料时应该选用透气性小于0.1的材料。



那么这个时候问题就出现了,有些材料呢最低值低于0.1,最高值高于0.1,比如OSB板,加气的混凝土条板,那么怎么选用呢,这些材料有的用到一定厚度才有可靠的气密性,有的是达到一定容重才具有可靠的气密性,这就是我们说选用气密性材料应该选用认证过的产品的原因。


没有认证过的产品是难以保证他有优异的性能的,这就是为什么两个工程同样的构造做法,选用材料的性能参数不同会出现不同的气密性效果的原因。



【P8】




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下面我们以石膏板为例来看一下使用过程中会出现哪些问题,这是一张被动房的照片,左上角部分是屋顶的石膏板,右下角是墙面的石膏板,在生活中你会发现经常会出现这样的缝隙,这是因为屋面与墙面发生了不同的变形和位移,这个解决办法就是采用认证过的气密性胶带把它粘上,但是胶带不能直接贴在外装饰面上,外露胶带太难看,因此需要粘在下面的基层上。


这张照片人们可能会感觉奇怪,怎么被动房还有裂缝呢,这栋建筑的气密膜就是粘贴在了石膏板下面的OSB板上的,我们看到的石膏板层是防火保护层和装饰层,看这张照片呢,是要说明建筑的相对位移和变形是较大的,尤其是在柔性结构体系的建筑中,气密层必须具有柔韧性,否则是难以抵抗建筑的变形的。



【P9】



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下面这是一个外墙和屋面的转角处构造图,墙体是砌筑墙体外侧做保温,内侧做抹灰气密层,屋面是I型木桁架,两侧OSB蒙皮板,内填岩棉保温材料,OSB板内侧做气密层,然后做龙骨,挂石膏板内饰面板。


木屋面和墙体交接位置放了一道木梁,屋面的气密层延伸下来到了墙面,与墙面的抹灰层要形成可靠连接,在交界处需要做增强处理,也就是在气密层上附加一层金属网格布,使气密层与抹灰层可靠连接,这是两种不同材料间的连接处理。这些都是建筑师的工作,首先建筑师需要明白这样的做法,然后指导施工人员现场施工,这些材料并不贵。



【P10】



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当然处理方法还有很多种,比如可以在屋面气密层延伸至墙面抹灰后,在外侧通过垫有橡胶垫的木压条或线脚,用自攻钉固定在木梁上,同样也可以实现可靠连接的效果。



【P11】



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这张照片就是上面我们讲到的外墙和屋面的转角处的气密性连接处理的照片。



【P12】



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下面我们介绍一下门窗与墙体的连接。首先需要介绍一下门窗的气密层,门窗的内侧表面是门窗的气密层,墙体的气密层是抹灰层,经过多年的实践经验,我们发现有两种保证气密性的构造方式,一种是把气密膜的一端粘贴在窗框周边,把气密膜的另一端粘贴在墙体上,之后再抹灰,为了增强抹灰的可靠性,还可以铺设网格布。


另外一种方式是在窗框与墙体抹灰层的交接位置放一个塑料收边条,并且与窗框留有一定距离,然后在收边条与窗框之间打密封胶。这两种方式都能够有效地保证窗和洞口之间缝隙的气密性。



【P13】



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这是OSB板与OSB板之间的气密性构造照片,板与板之间的缝隙用认证过的气密性胶带粘贴,蓝色的胶带是封堵保温材料灌注孔的,因为前面提到过保温材料是吹进空腔内的,需要将灌注孔密封。



【P14】


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我们一直强调认证过的胶带,那么什么是认证过的,市场上有很多胶带,最重要的是看胶带的抗拉抗撕裂和耐久性能。那么我们经常会在快递包裹箱子上看到这样的胶带,这就是一个典型的抗撕裂的检验方法,两侧粘贴好后,使两侧产生相对位移大于1cm的错动,我们可以记录这样错动的力,再看气密性胶带是否开裂,如果没有开裂就是合格的产品。



【P15】



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这是检测后的拉伸效果,我们可以看到把胶带上的字体已经拉变形了,但是胶带没有开裂,这就是合格产品。



【P16】



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这是一些典型的气密性构造处理节点,首先应该强调的是,尽量减少穿过气密层的位置的数量,气密层断开或开孔的处理比较费事。这是屋顶的灯线,他穿越了屋面下方的OSB板,这些地方是需要用PE气密膜粘贴牢固的,也就是红色圆圈的这两个位置就是贯穿点。



【P17】



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这是刚才说过的这个例子,当我们发现他做完之后还有这么大的一个孔,在气密性检测时,这个点将是非常大的漏气点,后来在内侧进行了气密膜的粘贴。



【P18】




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这是一些与穿线管或穿墙管相配套的气密性配件,管与橡胶套管紧密连接,橡胶套管又能与墙体或屋面气密层很好的连接,这种产品使用起来非常方便,在欧洲有一些厂商已经开始生产这类产品了。



【P19】



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下面我们来看一下气密性的检测,气密性检测是有国际标准的,EN 13829 Thermal Performance of Buildings - Determination of Air Permeability of Buildings - Fan Pressurization Method,他的中文翻译大概是:建筑热工性能-建筑透气性检测-风扇增压法。我们叫做鼓风门法。


他的检测原理是用风机把室内外的压差达到50pa之后,然后看漏气量。最后折算成每小时的换气次数。通俗的说一遍,就是在建筑的外门上扣一个带风机的罩,风机可以向室内增压送风,也可以向室外排风,送风或排风使建筑内部与外部达到50pa压力差时,通过仪器设备检测空气渗透量,计算得出气密性。



【P20】



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这是气密性检测的照片,右侧有两个仪表,上面的就显示室内外的压力差为50pa,下面这块仪表是检测空气的渗透量的。



【P21】



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这里介绍一下气密性检测的大概流程,首先是把建筑的开口部位都关闭了,同时把室内的门都打开,保持室内空气流通,避免室内房间之间产生压差;


第二,为了计算测量准确,我们需要计量室内外的空气温度;


第三,在围护结构的外门或外窗上安装鼓风门,推荐在外窗上检测气密性,因为相对于外窗来说,外门更不容易做好气密性;


第四,检测室内外自然气压值的不同,因为室内外温度不同或者室外有风都会影响检测的准确性;


第五,做气密性检测不仅仅是拿一个报告或要个结果,而是通过检测可以寻找到空气渗漏部位,因为当室内外压差是50pa时,空气渗漏位置的气流会很明显的被感知到。现场的检测是发现问题的最好途径,是保证工程质量的有效办法。


第六,先检测室内负压状态下的气密性,再检测室内正压状态下的气密性。也就是先将室内空气抽出去形成负压,再将室外空气吹进室内形成正压。


第七,在设定室内外压力差测量范围内,每个测量点的压力差增量不应大于10Pa。也就是说测量时,在最高压差点和最小压差点之间,应取不少于5个压力等分点。通俗的说就是需要测量10Pa、20Pa、30Pa、40Pa、50Pa、60Pa条件下的空气渗漏量。


最后,计算出在50帕斯卡的压差条件下,漏风量和房间体积的比值。这个具体的检测方法与步骤大家可以参见前面推荐的那部标准。气密性的检测必须是一个专业的团队,因为气密性检测是寻找漏点的关键环节,并不是单单出一个检测报告,因此一个专业的团队会指出围护结构气密层哪里存在缺陷,利于找到渗漏点及时弥补。



【P22】


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下面我们来看一个气密性检测报告,这里有六行数值,左侧两列是在负压条件下,不同的压差条件下,不同的空气渗漏量。因为鼓风机可以加很大的压力,如果压差太大可能会造成窗户破裂,所以在检测时需要控制住压差。


在图表中的横轴就是气压差,纵轴是空气渗漏量,我们可以把这几个值连起来,形成蓝色的这条线;同样在正压条件下,形成红色的这条线,这里我们需要计算房间的体积,也就是430立方米,然后我们用在50pa压差下的空气渗漏值除以房间体积,得出1.3h-1,检测过程中的误差控制在6%范围内。案例中的这个气密性检测数值是1.3,但它比普通的建筑还是要好一些,但他还达不到0.6的被动房要求。



【P23】



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这里是在德国的气密性检测的一个例子,这条红线是德国的建筑法规中规定建筑气密性的值,是1.5h-1,如果按照这个标准的话,是难以达到超低能耗或近零能耗标准的,大家可以回想一下前面讲的气密性与建筑采暖能耗的关系图。被动房对气密性要求是0.6h-1,只要按照前面讲到的构造要求去设计和施工,0.6h-1这个值是很容易达到的,下面的若干条竖线是按照德国被动房研究所认证过的被动房气密性检测值,平均值在0.37h-1,大部分的建筑都远低于0.6h-1。



下面我们来总结一下有关建筑气密性的关键点,第一,气密性一定是从一开始设计阶段就明确设计出来的,不能没有设计把气密性工作留给施工阶段去解决;第二,不同构件之间的连接需要有规定的方法,不能碰运气一样的随意处理。



【P24】



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现在我们来讨论一个问题,就是我们检测完的建筑气密性结果,能够保持多少年呢?左边图片是我们做的第一栋被动房,他的屋面气密层是聚乙烯的气密膜,墙体的气密层是石膏板,连接处粘贴了气密性胶带;中间和右边的图片是钢筋混凝土墙和屋面的石膏板之间的气密性连接,用抹灰层压住了气密膜。


【P25】



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这是25年后我们对建筑又测试了一遍气密性,我们采用一种新的方式,就是在接缝处喷一缕烟,那么烟遇到风肯定就会被吹散的,这样我们可以很容易的观测到是否有渗漏的地方。那么我们可以看到这缕烟没有什么变化,就是没有受到气流干扰,证明他的气密性依然是很好的。



【P26】



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这是这栋建筑外窗框和墙体的部分连接部位,连接处的构造做法是之前介绍过的,用收边条收口抹灰,在收边条与窗框之间打密封胶这种构造方式,这张照片是25年前照的。



【P27】



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这张照片是25年之后照的连接处断面,我们打开了建筑外窗框和墙体的部分连接部位,来观察气密层是否完好,从左向右依次为窗框、密封胶、收边条、抹灰和墙纸,我们可以看到25年后他们依然完好。



【P28】



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我们对两栋被动房建筑进行了长期的检测,我们分别在1991年、1992年、1994年、1999年、2001年和2016年对两栋被动房建筑进行了气密性检测,25年以后建筑的气密性依然保持很好,所以通过认证的材料和规定的方法做好建筑气密性,可以使建筑长期保持非常好的气密性。


好,关于气密性的部分,我们就介绍到这里,谢谢。



【注:灰色文字为夏晓东增补解释内容】


点击回看:第一节   被动房概述


点击回看:第二节   围护结构的保温隔热