超低能耗住宅暖通空調系統設計與運行探討

馬婷婷 張 震 李峻煒 王 覺 孫慧琳 劉 磊 曹馨勻

(1.中國建筑西南設計研究院有限公司,成都;2.青島海信日立空調系統有限公司,青島;3.中德生態園被動房技術有限公司,青島;4.青島理工大學,青島)

0 引言

建筑領域節能是我國實現碳中和、碳達峰目標的重要環節,各省市政府不斷推出政策來加快建設和發展超低能耗建筑[1-2]。超低能耗建筑技術體系的核心是實現被動技術的最大化利用,減少建筑本身的冷熱需求,同時優先應用可再生能源,期望以少量或零能耗的方式為建筑供暖、供冷和照明提供能源[3]。在使運行能耗最小化的同時,超低能耗住宅能給住戶提供比常規住房更好的室內空氣質量(IAQ)和室內舒適環境[4]。已有學者對超低能耗建筑的定義和政策[5-6]、關鍵技術在不同氣候區的適應性[7-11]、不同功能的超低能耗建筑的運行效果[12-14]、人員行為在超低能耗建筑中的重要性[15-16]等進行了探討。然而,現有研究有以下不足:1) 現有研究主要集中在北方傳統住宅中的集中供暖系統的優化設計,而關于超低能耗住宅項目中暖通空調系統的設計經驗和技術細節等信息非常有限,尤其是結合當地氣候條件、當地居民的舒適需求和用能習慣,超低能耗住宅中的暖通空調系統設計應如何改進等信息,現有文獻中少有提及;2) 住宅中人員行為多樣、家庭情況復雜,長期實測數據收集較為困難,目前國內關于超低能耗建筑運行效果的探討主要集中于辦公、學校等公共建筑,針對超低能耗住宅的實際運行效果缺乏討論。由于具有節約能源、優質室內環境的雙重優勢,超低能耗建筑正面臨規?；?、區域化發展的趨勢,分享和探討這種技術體系的設計經驗和運行效果尤為重要。

本文以“中德·綠色公元”小區住宅為例,介紹住宅的被動式超低能耗技術方案,并著重分析在這種被動式超低能耗技術方案下配套的暖通空調設計方案,包括冷熱源系統設計、新風系統及廚房通風系統設計、機房的設置等方面的技術要點,同時分析項目運行效果,旨在為同類建筑的暖通空調設計提供技術經驗。

1 氣候特征分析

青島地處山東半島東南部、北溫帶季風區域,屬于我國五大氣候分區中的寒冷地區。受海洋東南季風和海流影響,青島呈現明顯的海洋性氣候,夏季濕熱、冬季寒冷[17]。根據GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》的規定,青島計算供暖期為99 d,供暖度日數(HDD18)為2 401 ℃·d;夏季海洋性氣候明顯,比較涼爽,空調度日數(CDD26)為22 ℃·d,相對較小。根據JGJ/T 346—2014《建筑節能氣象參數標準》得知,青島最潮濕的月份為7月,平均干濕球溫度差為1.93 ℃;最干燥的月份為10月,平均干濕球溫度差為3.85 ℃。

2 項目概況與圍護結構技術要點

中德被動式超低能耗住宅推廣示范小區坐落于青島市黃島區,占地面積約為37 559 m2,總建筑面積為68 731.07 m2,其中地上建筑面積為43 707.48 m2。本文研究的案例建筑為6層(6層以上為閣樓層),層高為3 m,戶型為140 m2和160 m22種,且均為精裝修。

項目設計采用了高性能的圍護結構,同時東、西、南朝向的外窗上部均設置金屬電動百葉遮陽簾,夏季降低太陽輻射得熱,減少空調負荷,外圍護結構的保溫措施、傳熱系數、熱惰性指標見表1。同時項目對關鍵部位如門窗洞口、管道穿墻洞口、風井等部位進行了氣密性處理,建筑室內外50 Pa壓差下換氣次數N50=0.5 h-1。同時加強了對建筑陽臺、墻角、屋頂等圍護結構熱橋薄弱環節的保溫,防止其結露、發霉,提高室內居住舒適性及健康性的同時,減少建筑熱損失,降低建筑能耗。

表1 外圍護結構保溫措施、傳熱系數及熱惰性指標

3 暖通空調系統優化設計

3.1 負荷計算

該項目采用德國被動房規劃設計軟件PHPP(passive house planning package)計算建筑能耗,通過建立物理模型,輸入氣象條件、圍護結構參數、冷熱源機組及輸配系統參數、建筑生活用電等參數,計算建筑能耗值。PHPP軟件是由德國被動房協會PHI(Passive House Institute)開發的、對節能項目進行規劃設計與評估的一個計算軟件,該軟件根據ISO 13790標準建立了傳熱計算模型,不僅能夠進行準確的能量需求計算,還可以對建筑的整體能效進行評估,因此PHPP是被動房、近零能耗建筑及其他節能建筑實施過程中的一個理想的規劃設計工具[18]。經計算,該項目年供暖需求為9 kW·h/(m2·a),年供冷需求為21 kW·h/(m2·a),一次能源需求為60 kW·h/(m2·a)。

3.2 冷熱源系統設計

3.2.1系統設計

該項目主要冷熱源需求為供暖、制冷、生活熱水?？紤]到超低能耗建筑指標需求、青島地方政府對可再生能源使用的鼓勵政策及周邊被動房體驗中心項目中地源熱泵系統良好的使用效果這3個原因,該項目冷熱源方案確定采用地源熱泵供冷供熱。地源熱泵系統原理圖見圖1。根據第三方檢測機構對地塊檢測后提供的《地源熱泵地勘及巖土體熱響應試驗報告》可知,地塊的土壤平均溫度為15.65 ℃,單孔雙U地埋管每延米換熱量為54 W/m,滿足設計要求。

圖1 系統原理圖

該項目以單元為負荷單位設置地埋孔并設置一個對應的專用地源側水泵房,每個單元內共用地源側水系統,各單元地源側系統相互獨立。地埋孔總數為233個,每個孔有效深度為102 m。整體式水地源熱泵新風機組均置于戶內。機組名義工況為:制冷工況,冷水進/出水溫度12 ℃/7 ℃,源側進/出水溫度25 ℃/30 ℃;制熱工況,熱水進/出水溫度40 ℃/45 ℃,源側進/出水溫度10 ℃/5 ℃。地源側水系統豎向通過專用管道井接入各戶,并在入戶支管設置壓力無關型區域控制閥,使各戶流量分配滿足使用要求。每個單元機房水泵處各設置一個總水表,每戶各設置一個分戶水表,且每個總水表對應一個電表來統計機房耗電量,通過分戶水表與總水表的比值再乘以電表統計的耗電量來統計各戶用電費用。

3.2.2機組選擇

該項目選用了專為低能耗建筑研發的整體式水地源熱泵新風機組,是集新風、空調、除濕、生活熱水于一體的集成系統,設備選型參數見表2,設備示意圖見圖2。該機組額定性能系數(COP)≥4.1;顯熱換熱效率≥75%,全熱換熱效率≥70%;進風口過濾等級不低于G4+F7,采用PM2.5高效過濾網H11;新風及排風管路設置保溫氣密電動閥,并與機組內新風機及排風機聯動;新、排風機及壓縮機均采用無級變頻控制,可根據室內溫度、濕度、揮發性有機化合物(VOC)及CO2濃度實現變頻控制,每個房間可以單獨控制溫濕度;可實現就地控制及遠程控制,并能通過變頻調節壓縮機的轉速滿足室內的負荷變化,以達到節能的目的。

圖2 設備示意圖

表2 設備選型參數

該項目在建筑方案階段預留了整體式水地源熱泵新風機組的位置,見圖3。設備應設置在靠近外墻專用機房、廚房專用區域或陽臺,盡量減小室外新風進入室內的管道的長度,降低輸送損耗;并且機房需要增加保溫、消聲、減振措施。

3.3 通風系統設計

3.3.1通風量計算

超低能耗建筑通風系統設計的重點在于新風氣流組織設計及精細化的風量設計。超低能耗建筑的氣流組織設計與傳統建筑不同,它是以戶為對象整體考慮送回風設計,將不同功能房間對送風量和排風量的要求聯系在一起,實現氣流在戶內一定區域內的整體流通,以達到減小風量、降低通風能耗、同時降低施工成本(減少風管、風口)的目的。

超低能耗建筑是高氣密性的建筑,在關閉門窗的情況下,居民已不能通過外門窗空氣滲透得到足夠的新鮮空氣,同時考慮到居民的舒適體驗和系統能耗,在供暖和供冷季都不提倡通過開窗來獲取新風,所以住宅中單獨設置了新風和排風系統。將臥室、起居室、廚房設置為送風區域,餐廳設置為回風區域,衛生間設置為排風區域,排風量比新風量略小,維持主要功能房間內的微正壓。

該項目新風量按照30 m3/(人·h)(160 m2戶型按照5人考慮,新風量為150 m3/h;140 m2戶型按照4人考慮,新風量為120 m3/h)選取,滿足相關設計規范對衛生的要求;同時各戶使用的整體式水地源熱泵新風機組負擔新風負荷和其他室內全部負荷,其中熱回收段負擔部分新風負荷,起到新風預熱預冷作用。根據通風系統的質量流量平衡原則和負擔的負荷需求,選擇的通風系統設計風量及其負擔的送排風區域見表3。

表3 通風系統設計風量 m3/h

3.3.2通風系統氣流組織設計

被動式超低能耗建筑只在臥室、起居室區域送風,過道、餐廳作為溢流區,浴室、廚房、衛生間作為回風區,住宅戶內通風系統氣流組織示意圖見圖4。這種氣流組織方式可以保證臥室、起居室、餐廳等主要功能房間的空氣質量,同時當關閉臥室門時,室內多余的氣流可通過溢流口進入起居室、餐廳的公共區域,保證室內氣壓不過大。注意風管走向應便于精裝吊頂遮蓋,與結構專業配合穿梁留洞。

圖4 住宅戶內通風系統氣流組織示意圖

3.3.3廚房通風系統的設計

居住類建筑廚房應設置獨立的排油煙補風系統,以降低廚房排油煙導致的冷熱負荷。設置獨立補風系統時,補風引入口應設保溫密閉型電動風閥,且電動風閥應與排油煙機聯動;廚房宜安裝閉門器,避免廚房通風影響其他房間的氣流組織和送排風平衡;應對補風管道尺寸進行校核,避免補風口流速過高造成的噪聲問題,補風管道應保溫,防止結露;補風口盡可能設置在灶臺附近,縮短補風距離,補風系統不應影響油煙排放效果。

4 運行效果分析

為了獲取建筑真實運行數據及對各系統運行進行評估分析,小區內的住宅建立了完善的建筑能耗監測系統。系統可以實現對建筑照明、插座、暖通空調、生活熱水和其他用電系統設備的耗電量進行計量,同時對空調設備冷水側、冷卻水側的供回水溫度、流量、供冷供熱量進行計量。各能耗計量設備經標定后接入系統,所有計量設備具有數據遠傳功能,按照設定頻率,將采集到的參數上傳至中央能耗監測平臺,滿足建筑能耗監管的基本要求。

本文用于數據分析的室內環境參數采集內容包括2#樓中間層典型戶(供暖面積為122.63 m2)的室內溫度、濕度、CO2濃度、PM2.5濃度,數據采集時間為供冷季2021年8月11—20日、供暖季2022年1月16—25日;耗電量參數采集內容包括2#樓整體式水地源熱泵新風機組耗電量、地源側水泵耗電量,數據采集時間為2021年11月1日至2022年3月31日、2022年7月1日至9月30日,由于部分住戶未入住,因此采用其他用戶耗電的平均值對缺失數據進行了估算。數據采集時項目入住率為50%左右。

4.1 室內溫濕度分析

4.1.1供冷季分析

典型戶型供冷季室內外監測溫濕度對比如圖5所示,室內溫濕度取各個房間室內平均值進行分析。供冷季監測期間室外溫度在27～34 ℃之間變化,室內溫度基本位于25～26 ℃之間;室外相對濕度在76%～90%之間變化,室內相對濕度基本位于50%～60%之間。由以上監測分析可知,供冷季室內溫濕度參數穩定,且均處于舒適區間,室內熱環境良好。

圖5 典型戶型供冷季監測溫濕度

4.1.2供暖季分析

典型戶型供暖季室內外監測溫濕度對比如圖6所示,室內溫濕度取各個房間室內平均值進行分析。供暖季監測期間室外溫度在-2.9～2.7 ℃之間變化,室內溫度位于21.2～21.8 ℃之間;室外相對濕度在56%～81%之間變化,室內相對濕度位于40%～46%之間。由以上監測分析可知,供暖季室內溫濕度參數穩定,且均處于舒適區間,室內熱環境良好。

圖6 典型戶型供暖季監測溫濕度

4.2 室內空氣質量分析

4.2.1室內CO2濃度分析

由于超低能耗建筑密閉性較好,當外窗關閉時,新風系統成為室內外空氣的主要交換通道,因此CO2濃度是室內空氣質量及舒適性的重要標準之一。

根據GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》對人員密集場所CO2體積分數控制值的要求,該住宅項目屬于人員長期停留區域,室內CO2體積分數控制值為900×10-6。對該項目典型戶型進行連續10天監測,監測結果如圖7所示。從圖中可以看到,新風機組正常開啟后冬季有4天室內CO2體積分數超過900×10-6,主要是因為周末家庭人員短暫聚集,室內人員數量超過設計值,新風量不足導致室內CO2體積分數短時增大,這種情況可以通過短暫開窗等方式補給新風?？傮w來講,監測時間段內室內CO2體積分數平均值夏季為771×10-6,冬季為865×10-6,均在我國GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》的允許范圍內。取室外CO2體積分數為400×10-6,夏季室內CO2體積分數超出室外371×10-6,冬季室內CO2體積分數超出室外465×10-6,根據歐洲標準EN 13779:2007,該項目冬夏季室內空氣質量均達到歐洲Ⅱ級標準(優等Good)。

圖7 典型戶型室內監測CO2體積分數

4.2.2室內PM2.5濃度分析

隨著人們對PM2.5影響人體健康認識的逐漸深入,室內PM2.5濃度已成為評價室內環境質量的重要指標之一。對于建筑中人員長期停留的房間,參考世界衛生組織第三個過渡期目標值,室內PM2.5質量濃度24 h平均值不宜超過37. 5 μg/m3,這與歐美現行室內空氣質量要求的限值相當。

在室外空氣質量不理想時,新風熱回收系統設置低阻高效的空氣凈化裝置,不僅可為室內提供更加潔凈的新鮮空氣,也可有效地降低室外污染天氣對室內空氣質量的影響,同時也可減緩熱回收裝置因積塵造成的換熱效率下降。該項目室內PM2.5監測值如圖8所示,夏季PM2.5質量濃度平均值為11.1 μg/m3,冬季PM2.5質量濃度平均值為27.3 μg/m3,均在限值范圍內。

圖8 典型戶型室內監測PM2.5質量濃度

4.3 全年供暖、供冷需求分析

為了了解該項目實際運行年供暖需求及年供冷需求情況,在2021年11月至2022年3月供暖季、2022年7—9月供冷季期間,對2#樓整個樓棟住戶的整體式水地源熱泵新風機組、地源側水泵耗電量進行了監測和分析,結果如表4、5所示。根據監測結果,同時考慮機組及水泵實際運行效率(由于入住率較低,系統末端開啟率低,冬季系統平均運行效率約為2.00,夏季系統平均運行效率約為2.76),換算得到實際年供暖需求約為32.2 kW·h/(m2·a),年供冷需求約為14.5 kW·h/(m2·a)。

表4 2#樓年供暖需求分析

表5 2#樓年供冷需求分析

實際測量得到的年供暖需求比PHPP能耗模擬計算得到的年供暖需求高23.3 kW·h/(m2·a),而年供冷需求比PHPP能耗模擬計算得到的年供冷需求低6.5 kW·h/(m2·a)。參考歐洲相關超低能耗住宅的運行監測結果[19-21],分析實測值與能耗模擬值差異的原因主要是人員行為和模擬設置之間的差異。結合該項目住宅人員行為的特點,供暖實測值大于模擬值的原因主要歸結為以下幾個方面:

1) PHPP能耗模擬計算過程中設置了符合設計要求的氣密性指標。該項目竣工后對門窗關閉時的建筑整體氣密性指標進行了測試驗證,氣密性水平符合設計要求。但在實際運行時,氣密性指標并不是恒定的,與人員行為有很大關系。雖然設置了新風系統,但是由于習慣、心理需求等原因,我國居民冬季仍習慣于開窗通風,導致大量沒有經過預熱的冷風侵入室內,大幅增加了供暖能耗。

2) 我國居民的飲食習慣和德國有很大不同,烹飪時油煙量較大。雖然前期設計階段已經根據正常需求設置了廚房補風量,但是不同家庭烹飪習慣不同,當大功率的抽油煙機長時間運行時,仍需通過加大新風量來補風,增加了供暖能耗。

3) 項目運行監測時,住戶入住率較低,僅為近50%,監測住戶相鄰房間空置不供暖,隔墻之間的傳熱導致了供暖能耗的增加。

和供暖情境不同,夏季制冷能耗實測值小于模擬值,分析出現這種情況的原因主要是空調運行時長的差異。模擬中空調為每天24 h運行,而居民實際空調運行時間主要和居民在室時間和使用習慣有關,一般居民在室期間才會開啟空調,也有部分居民習慣在夏季優先開啟風扇降溫,居民每天實際運行空調時間短于24 h,所以制冷能耗低。

經計算,2#樓全年供暖耗電量約為72 791 kW·h,折算到單位供暖面積年耗電量約為16.08 kW·h/(m2·a),因此典型住戶年供暖費用約為1 085元(青島居民電價為0.55元/(kW·h))。根據《青島西海岸新區關于調整居民集中供熱價格的通知》,居民供熱價格為30.40元/m2(供暖面積),計算得到該戶集中供暖費用約為3 727元。和普通住宅集中供暖費用相比,超低能耗住宅中住戶的供暖費用每年可減少70.9%,用戶既可以享受到舒適的室內環境,又可以繳納較低的供暖費用,既舒適又節能。

綜合而言,本文通過實際住宅中的監測運行數據對超低能耗建筑設計方案、暖通空調系統的設計方案進行了驗證,證明了在北方寒冷地區,被動式超低能耗住宅不僅可以營造舒適的室內熱濕環境、提供良好的室內空氣質量,還可以實現較低的運行能耗。此外,政府目前在大力提倡建筑電氣化、零碳供暖等碳減排技術[22],北方供暖方式的轉型也是建筑領域的挑戰之一。北方傳統集中供暖的熱源主要是燃煤[23]。超低能耗建筑技術體系中通過地源熱泵和熱回收新風系統進行供暖,能源消耗主要是電力。在碳減排的目標下,超低能耗住宅的供暖方式符合國家對建筑全面電氣化的倡導,可作為替代傳統鍋爐供暖的可行方式之一。

5 結論

本文以青島地區中德被動式超低能耗住宅推廣示范小區為例,介紹了被動式超低能耗住宅的被動設計和暖通空調系統的設計方案,著重介紹了冷熱源系統、通風系統、機房設置等方面的設計細節,同時應用實測數據分析了系統運行效果。本文的研究為探尋超低能耗住宅的實現方案,尤其是暖通空調系統的設計提供了技術經驗。本文主要設計經驗及結論總結如下。

1) 超低能耗建筑被動設計需注重建筑氣密性、高效非透明外圍護結構使用、高性能門窗選擇,確定各個環節執行嚴格準確的性能化設計。

2) 在暖通空調系統設計方面,總結出以下經驗:① 采用了整體式水地源熱泵新風機組,集新風、空調、生活熱水于一體,滿足住戶的冷熱用能需求;② 由于風機及壓縮機均設置在戶內,在建筑方案階段需要考慮將設備設置在專用機房內,同時做好機組自身及出風口的消聲隔音處理;③ 新風氣流要保證從臥室、起居室區域溢流至過道、餐廳區域,最后從衛生間排至室外;④ 應設計配套的智能控制及能源管理系統,使機組能源系統能夠高效運行。

3) 通過對典型住戶冬夏季室內監測數據分析可知,冬夏季室內熱濕環境及空氣質量均滿足設計要求。實際測量得到的年供暖需求比PHPP能耗模擬計算得到的年供暖需求高23.3 kW·h/(m2·a),而年供冷需求比PHPP能耗模擬計算得到的年供冷需求低6.5 kW·h/(m2·a)。

4) 項目年供暖需求與年供冷需求的實測值與能耗模擬值差異的原因主要是人員行為和模擬設置之間的差異。從用戶角度考慮,超低能耗住宅住戶的供暖費用可比集中供熱每年減少70.9%,住戶既可以享受到舒適的室內環境,又可以繳納較低的供暖費用,既舒適又節能。此外,超低能耗住宅的能源消耗主要是電力,符合國家建筑全面電氣化的碳減排規劃,這種供暖方式可作為替代傳統鍋爐供暖的可行方式之一。