深圳地區某近零能耗學校設計探討*

于振峰 駱詩哲 溫小勇 丁東山 曾慶雄

(1.中建科工集團有限公司,深圳;2.中國建筑科學研究院有限公司深圳分公司,深圳)

0 引言

近年來,超低/近零能耗建筑作為節能建筑的一種高級表現形式,開始逐漸得到科研人員和各級政府的重視[1]。近零能耗相關技術措施,在節約能源、提高能源利用率、提升室內舒適度、保護生態環境等方面與綠色低碳措施是相通的,即近零能耗技術的應用有利于實現建筑物的綠色低碳需求,符合當前節能減排的趨勢。對于夏熱冬暖地區的學校類公共建筑,目前尚欠缺近零能耗相關技術在設計中如何落地實施、基于后期運維的管理手冊的編制,以及結合科學課進行綠色低碳、節能減排等相關知識的科普課程建議等實際案例項目。為響應國家及地方政府的政策,推動近零能耗建筑技術在夏熱冬暖地區的落地實施和相關運維管理、知識科普等措施的探索,相關部門決定深圳某新建小學項目按近零能耗建筑相關技術要求建設。

1 項目簡介

該項目位于深圳市南山區,總建筑面積為26 209.14 m2,地下2層,地上6層,其中包含教室、圖書館、多功能廳、辦公室、教師宿舍等房間,建筑本體的窗墻面積比約為0.14。為使項目能夠滿足近零能耗建筑和綠色建筑二星級要求,其建筑本體節能率需不小于20%、建筑綜合節能率需不小于60%、可再生能源利用率不小于10%[2]。為滿足以上目標,建筑的圍護結構熱工性能綜合考慮了各相關規范要求,并通過多次建筑能耗測算,最終確定采用的性能指標如表1所示。

表1 圍護結構熱工性能參數

除采用提升建筑圍護結構熱工性能并設置外挑遮陽等被動式建筑技術外,該項目還采用了高效節能設備、變頻運行技術、智能控制管理等多項主動式建筑技術和光伏發電、太陽能集熱器、空氣源熱泵等可再生能源應用技術。下文將對空調能效等級要求、教室是否設置新風系統及是否采用相應的熱回收裝置等不易明確的設計難點進行探討。

2 空調及新風

該項目各區域的室內溫濕度參數按GB/T 51350—2019[2]中的室內環境參數要求及T/CABEE 003—2019《近零能耗建筑測評標準》[6]中的室內環境參數控制指標要求設置,新風量標準按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[7]的相關要求確定,如表2所示。

表2 室內設計參數

該項目空調系統除圖書館、多功能廳、餐廳采用直膨式空調機組外,教室、辦公室和教師宿舍等房間采用分體空調。經建筑能耗測算,為達到近零能耗建筑節能率目標,直膨式空調機組按GB 37479—2019《風管送風式空調機組能效限定值及能效等級》[8]中的二級能效基準提升8%選用;教室、辦公室及宿舍的分體空調,為使節能率達到目標值,需按GB 21455—2019《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》[9]中的一級能效選用。以上能效標準也滿足GB/T 51350—2019[2]中相關的指標要求。

深圳地區已建成及在建學校項目中,對于采用分體空調的教室、辦公室、宿舍等房間,多數不考慮設置新風系統。對于教室的新風來源,GB/T 17226—2017《中小學校教室換氣衛生要求》[10]中對教室規定了換氣制度,過渡季可通過開窗、開門進行通風換氣,寒冷季節利用課間通過門窗進行通風換氣,但未提及夏季制冷時的通風換氣措施。

從人員新風需求方面考慮,教室內學生較為密集,對新風量的需求較大,僅依靠課間通風并不能滿足上課時師生對新風量的需求。教室內新風量不足,CO2濃度偏高,會導致學生學習效率降低[11]。黃衍等人通過案例分析及理論計算證明了CO2濃度與新風量的關系,經對比不同標準,發現在人員密度較高的情況下,按照GB 50736—2012規定的新風量指標取值,教室內CO2濃度值最低[12]。

從滿足相關規范要求方面考慮,該項目屬于近零能耗建筑,T/CABEE 003—2019在設計評價章節中明確了對主要功能房間空氣品質參數的具體要求,其中CO2體積分數應不大于900×10-6[6]。此外,T/CABEE 003—2019的運行評估章節對近零能耗建筑也提出了相應要求,并列出了公共建筑室內環境監測參數,其中就包括新風量與CO2濃度[6]。黃衍等人測試了中學教室門窗緊閉且未開啟新風機組階段的CO2體積分數,發現至下課時達到峰值,約為2 000×10-6[12];胡佳林等人測試了門窗關閉狀態下大學教室上課期間的CO2體積分數,約為1 800×10-6[11]。以上測試結果除不滿足T/CABEE 003—2019要求外,也未達到GB/T 18883—2022《室內空氣質量標準》對室內CO2體積分數不高于1 000×10-6的要求[13]。由此可見,學校教室如不設置新風系統,很難滿足相關規范要求。

通過以上分析可知,該項目教室雖然采用分體空調,但為其設置新風系統是較為合理的。

對于教室的新風系統形式,有集中式和分散式可供選擇。其中,集中式可選用直膨式空調機組,對新風進行降溫除濕處理后,通過風管送到每個教室;分散式可選用不帶室外機的熱泵型全熱回收新風機組或熱回收式新風換氣機等吊裝在教室外的走道上空,分別對每個教室進行通風換氣。課間教室前后門開敞,學生進出頻繁,室外高溫、高濕空氣會被帶入教室,為降低空調室內機濕負荷、避免其風口結露滴水,新風機組的新風建議至少處理到室內等焓狀態送入室內,不建議處理到室內等溫狀態送入,推薦處理到室內等濕狀態送入,以上3種送風點(與相對濕度95%相交點)參數對比見表3。

表3 新風送風參數

由表3可以看出:等濕送風點的新風含濕量比其他2種送風點更低,送入的新風不會造成室內濕負荷增加,且送風溫度高于室內狀態點的露點溫度(17.6 ℃),風口無結露風險。除對新風進行降溫除濕外,還應規范師生日常行為,養成空調及新風系統運行時隨手關門的習慣,避免室外熱濕空氣進入室內造成風口結露滴水。因此,該項目最終確定采用直膨式空調機組,以對新風進行深度除濕。過渡季時,空調及新風機組不運行,教室可開窗通風,因此如采用熱回收型新風機組,則無需設置旁通管道。

3 新風熱回收

GB/T 51350—2019[2]的技術措施章節第7.1.28 條有如下表述:“應設置新風熱回收系統,新風熱回收系統設計應考慮全年運行的合理性及可靠性”。并在其條文說明中提及:“設置高效新風熱回收系統……是近零能耗建筑的主要特征之一……是實現近零能耗目標的必要技術措施”。據此,有人解讀為近零能耗建筑的新風系統必須設置熱回收裝置。

新風系統是否設置熱回收裝置,應視其能否實現暖通空調系統的運行節能而定,且新風熱回收系統與常規新風系統相比,風機需消耗更多能量,并非總是節能的。徐文華提出了一種熱回收效益評價方法,并指出應對其進行全年適合運行期間的回收效益分析[14];黃貴松在此基礎上深化了能量回收收益評價方法,并明確了是否采用熱回收系統需計入其投資、維護保養及更新費用等影響因素,計算出投資回收年限,從而根據其經濟性決定[15-16];ASHRAE暖通空調系統和設備手冊(2020)的空氣-空氣能量回收裝置章節論述了熱回收裝置的經濟性問題,指出需要計入熱回收裝置的投資成本、壽命成本、維保成本等因素,并據此計算其回收期或能源成本節約,建議熱回收裝置投資回收年限通常按低于5年設計,如低于3年則推薦使用[17];此外,徐文華提出,如熱回收裝置價格較高,可能會導致使用年限小于投資回收年限,如遇此種情況則不應采用熱回收裝置[14]。

因此,該項目新風系統是否設置熱回收裝置、采用何種熱回收形式,應首先對其進行全年運行工況下的能量回收效益分析,如回收收益為正,再對其進行回收期測算,根據以上結果方可判定。該項目利用EnergyPlus軟件對教室新風系統設置不同形式熱回收裝置前后的能耗進行模擬分析,由此可計算出各自的能量回收收益情況。

對于深圳地區學?？照{運行時間段,可根據歷年氣象數據分析確定。通過查詢深圳市國家基本氣象站及天氣網提供的氣象數據,得到2011年1月至2023年5月共149個月的月平均高溫(每日最高溫度的月平均值)、月平均低溫(每日最低溫度的月平均值)及月平均溫度,統計結果如圖1所示。

圖1 2011年1月至2023年5月各月月平均高溫、月平均低溫及月平均溫度統計

其中,歷年各月的月平均高溫與月平均低溫的差值不同,最小值為1 ℃,最大值為9 ℃。以上數據分布隨機,不利于理論分析,后續按其統計平均溫差進行討論,約為6 ℃,即當月平均高溫為26 ℃時,其當月平均低溫為20 ℃,月平均溫度為23 ℃。設定當室外平均氣溫高于室內設計溫度時需開啟空調降溫。對于歷年各月,月平均溫度超過26 ℃的月份,可認為本月所有時間均需開啟空調降溫;當月平均溫度未超過26 ℃但其月平均高溫超過26 ℃或月平均低溫超過20 ℃時,可認為本月有一半的時間需開啟空調降溫。按此原則,由以上歷年各月溫度數據可統計出深圳空調季時段約為4月15日至11月15日。以上確定的空調運行時間段,與黃冬娜等人參照相關標準和空調實際運行經驗總結出的夏熱冬暖地區供冷季時間相符[18]。

深圳中小學校暑假放假時間一般為7月10日至8月31日[19],期間空調不運行。因此,深圳中小學校每年空調的運行時間約為4月15日至7月10日和9月1日至11月15日,共5個半月左右。其中,節假日、周末為休息時間,空調亦不運行。

此外,按照GB 55015—2021[4]附錄中表C.0.6-1/3的規定,設置該項目每日空調和新風系統運行時間為07:00—18:00,教室內照明功率密度、電器功率密度分別設置為8、5 W/m2。對于風機單位風量耗功率,參照張騰飛等人對市場上不同熱回收形式的新風機單位風量風機功率調研結果,無熱回收時單位風量耗功率取0.15 W/(m3/h),設置全熱回收或顯熱回收時取0.27 W/(m3/h)[20]。

該項目新風系統屬于冷量回收,全熱回收和顯熱回收的交換效率分別按GB/T 51350—2019[2]要求的不低于65%和70%設置。在EnergyPlus軟件中按以上分析條件進行相關參數的設定,送入房間的新風按照處理到室內等焓點和等濕點分別計算出新風系統設置全熱回收和顯熱回收前后的能耗及收益,如表4和表5所示。

表4 能耗及收益分析(新風處理到室內等焓點)

表5 能耗及收益分析(新風處理到室內等濕點)

如表4、5所示,在只考慮能量回收收益的情況下,顯熱回收新風系統的年度運行能量回收收益為負,證明顯熱回收裝置全年運行不節能,如再考慮增加的造價及維保費用等因素,則顯熱回收裝置就更不經濟,因此不建議在該項目中使用。

對于全熱回收新風系統,其能量回收收益為正,需對其進行回收期測算,方可確定是否采用。根據以上軟件計算結果,以新風處理到室內等濕點為例,可得出全熱回收新風系統較無熱回收新風系統每年可降低能耗約5 375 kW·h。學校教學和學生生活用電執行居民生活用電價格[21],深圳居民生活用電執行階梯電價,階梯電價收費標準如表6所示。

表6 深圳市居民生活電價

根據以上能耗模擬計算結果,學校開學期間每月用電量均超過600 kW·h,需按照表6中第三檔電價收費,由此可計算出全熱回收新風系統相比無熱回收新風系統每年可節省約5 175.4元運行費用。經與項目商務核對,因增設全熱回收裝置而導致的新風系統設備、管線、閥件、控制系統等的增量費用約為38.5萬元,則靜態回收期約為74.4年,已遠遠超過設備使用壽命和文獻[17]推薦的回收期,因此也不建議新風系統采用全熱回收裝置。

對比表4與表5中無熱回收新風系統的運行能耗,新風處理到室內等濕點相比處理到室內等焓點每年多耗電8 105 kW·h,年運行費用約多7 804.05元。從降低風口結露滴水風險、減少對師生注意力的影響等方面考慮,此費用增量代價還是值得的。新風等濕送入房間,負擔一部分室內負荷,分體空調亦可減少一定的運行能耗。

4 其他措施

為滿足近零能耗建筑綜合節能率不小于60%的需求,該項目在學校屋頂太陽能輻照度較高處架空設置了光伏設施,架空區域下方可作為人員活動空間使用,如圖2所示。

圖2 屋頂光伏板鋪設示意圖

其中,屋面頂部區域選用功率為550 W的單晶硅光伏組件,鋪設方式為鋼結構架高滿鋪,可鋪設單晶硅光伏組件364塊,裝機容量為200.2 kW;天井區域選用功率為72 W的20%透光率碲化鎘組件,鋪設方式為間隙鋪設,可鋪設碲化鎘透光光伏組件400塊,裝機容量為28.8 kW。屋頂光伏組件總裝機容量為229 kW,年平均發電量約為20.29萬kW·h。

該項目宿舍、食堂有穩定的熱水需求,日需求量約為8.5 m3,采用太陽能集熱器和空氣源熱泵聯合供應生活熱水,可大幅減少建筑生活熱水能耗。在宿舍屋頂設置約200 m2太陽能集熱器,并采用空氣源熱泵輔助加熱,可滿足學校廚房及宿舍日常熱水供水溫度需求。

最終,該項目建筑綜合節能率測算結果為73.74%,達到近零能耗建筑綜合節能率要求,如表7所示。

表7 建筑能耗分析

除以上采用的各項主動、被動技術措施外,在項目運行期間的合理使用與定期維保等措施對實現近零能耗目標也至關緊要。為此,該項目配合以上要求,增加了如下措施:

1) 根據GB/T 51350—2019[2]及T/CABEE 003—2019[6]要求,對教室、圖書館、多功能廳等主要房間的溫度、相對濕度、PM2.5濃度、CO2濃度等參數進行監測,其中CO2濃度監測可聯動新風支管上的電動閥,根據室內CO2濃度調節風閥開度以控制新風送入量,確保室內CO2體積分數不高于規范要求的900×10-6限值,且新風機組采用變頻運行;

2) 打造近零能耗專屬的智慧能耗管理平臺,在學校使用期間,智慧能耗管理平臺以環境舒適度和系統能耗為目標,結合每日天氣情況進行能耗使用情況分析,通過實時監控各系統的運行狀態,并根據以往運行記錄或異常情況分析,能夠及時發現、示警、處理系統運行中的問題,可實現空調及新風系統的精細化運行管理,從而降低系統的運行能耗;

3) 平臺監測各房間的各項能耗等數據,并在電子班牌及公共區域顯示屏上顯示相關能耗監測數據、各班橫向對比排名、各班為降低能耗做的貢獻及排名等信息,并每月進行年級和全校評比,以期提升師生的節能減排意識;

4) 編制近零能耗建筑運行管理手冊,對其使用過程中的參數設定、設備運維等提出具體要求;

5) 編制師生個人節能減排行為建議書,并在科學課中進行知識科普,倡導日常的行為節能。

此外,有學者針對教室風扇聯合空調運行作了相關研究,胡達明在范存養提出的室內環境熱舒適性需求(|PMV|≤0.5)[22]的基礎上,通過計算分析,得出風扇聯合空調運行時可將空調設置溫度提高2 ℃的結論,并指出夏熱冬暖地區采用此措施的節能效果優于其他氣候區[23]。鄒穎通過能耗檢測實驗、入室調查并利用DeST軟件模擬等方式證實了以上結論,并提出風扇輔助空調運行可縮短空調運行時間,節能效益顯著[24]。因此,該項目竣工投入運行后,可進行相應嘗試,以期獲得更好的節能效益。

5 結語

我國不同氣候區的氣象條件有較大差異。對于各氣候區而言,GB/T 51350—2019中的某些措施不一定具有普適性,如上文討論的新風熱回收措施。徐偉等人提出須建立與供暖度日數、空調度日數相關的低能耗綠色建筑技術指標體系和路線,并提出以目標為導向,即規定性能目標,不規定具體技術措施[25];因無法實施統一的近零能耗建筑能耗指標,各氣候區需要建立自己的指標體系[26]。因此,新建近零能耗建筑應根據項目所在地的實際情況綜合評判,以提升室內環境品質、降低用能需求、提高能源利用率等為目標,合理規劃、選用近零能耗技術措施,不建議機械照搬規范條文。

本文以深圳地區某學校項目為案例,對其近零能耗建筑相關技術方案進行了探討,針對某些設計難點進行了分析論證,并提出多項運維、科普措施:

1) 對采用分體空調的教室,從提升室內空氣品質、滿足師生新風需求等方面考慮,建議設置新風系統。

2) 對于新風系統是否設置熱回收裝置,利用EnergyPlus軟件進行了模擬計算,從全年運行工況下的回收效益及回收期方面進行了分析,證實熱回收裝置在深圳地區不具有經濟性,因此不建議設置。對于夏熱冬暖地區其他類似的項目,建議參照本案例做法,在經濟技術分析明確其回收效益不高的前提下,可不采取新風熱回收措施。

3) 通過打造智慧能耗管理平臺,實現系統的精細化管理,可降低系統運行能耗。

4) 編制近零能耗建筑運行管理手冊及師生個人節能減排行為建議書,對其使用過程中的參數設定、設備運維提出具體要求,并結合知識科普,倡導師生行為節能。