北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司  王  穎

       【摘  要】本文基于百子灣保障房項(xiàng)目公租房地塊4#樓實(shí)際工程設(shè)計(jì)，闡述寒冷（北京）地區(qū)超低能耗居住建筑的能耗及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)，適合的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，研究寒冷（北京）地區(qū)超低能耗建筑的供暖需求、供冷需求以及全年能耗分析，根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，提出供暖供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及技術(shù)措施，廚衛(wèi)通風(fēng)解決方案，中庭空調(diào)通風(fēng)解決方案。保證室內(nèi)舒適度的前提下，變革傳統(tǒng)供暖方式，采用高能效比熱泵技術(shù)，利用可再生能源，高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，為住戶提供清潔新風(fēng)，并滿足供暖、供冷需求，使室內(nèi)達(dá)到人體舒適度要求。

       【關(guān)鍵詞】超低能耗居住建筑 高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng) 供熱需求 供冷需求 一次能源需求

Abstract:The design of baiziwan low-income housing public rental housing project building block 4# residential project engineering based on this cold (Beijing) design method of the energy consumption and air conditioning system in passive ultra-low energy consumption of residential building. According to local meteorological parameters, selection of indoor design parameters for the research on the cold (Beijing) and the demand analysis of the cold energy consumption area of low energy consumption building heating demand, supply, heating and cooling system put forward design scheme and technical measures, kitchen ventilation solutions, air conditioning ventilation in atrium solutions. Guarantee the indoor comfort, change the traditional way of heating, the energy efficiency ratio of heat pump technology, the use of renewable energy, efficient heat recovery ventilation system, providing clean fresh air for residents, and to meet the heating and cooling demand, make indoor to human comfort requirements.
Keywords:passive ultra-low energy consumption residential building, high efficiency heat recovery fresh air system, heating demand, cooling demand, primary energy demand

0 引  言

       超低能耗綠色建筑是指適應(yīng)氣候特征和自然條件，通過(guò)保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用高效熱回收技術(shù)，最大程度地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適室內(nèi)環(huán)境并能滿足綠色建筑基本要求的建筑^[1]。

       國(guó)家“十二五”期間，在新型城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中，遵循控制能耗總量的原則，緊緊圍繞綠色建筑、節(jié)能減排這個(gè)主題全方位展開(kāi)技術(shù)研究。超低能耗建筑的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：更加節(jié)能、更加舒適、更好空氣品質(zhì)、更高質(zhì)量保證。住建部“十三五”發(fā)展規(guī)劃要求，北方寒冷地區(qū)，京津冀重點(diǎn)區(qū)域城市積極開(kāi)展超低能耗建筑、近零能耗建筑建設(shè)示范，結(jié)合氣候條件和資源稟賦情況，探索實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑的不同技術(shù)路徑，總結(jié)形成符合我國(guó)國(guó)情的超低能耗建筑設(shè)計(jì)、施工及材料、產(chǎn)品支撐體系。《北京市推動(dòng)超低能耗建筑發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2016-2018年）》的發(fā)展目標(biāo)，三年內(nèi)建設(shè)不少于30萬(wàn)平方米的超低能耗示范建筑，建造標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)內(nèi)同類(lèi)建筑領(lǐng)先水平，爭(zhēng)取建成超低能耗建筑發(fā)展的典范。

       超低能耗建筑中如何解決建筑所需的較低供暖供冷需求是根本，如何做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得能耗較少，需要研究和變革傳統(tǒng)技術(shù)和方式，應(yīng)充分利用可再生能源，采用高效空氣能熱泵技術(shù)。

1 項(xiàng)目概況與技術(shù)目標(biāo)

       1.1 項(xiàng)目概況

       百子灣保障房項(xiàng)目公租房地塊4#樓，由北京市保障性住房建設(shè)投資中心建設(shè)，地處北京市朝陽(yáng)區(qū)百子灣地區(qū)，首層為配套商業(yè)，二至六層為居住建筑，有中庭貫穿各層，住戶29戶。二至六層做超低能耗示范設(shè)計(jì)，其建筑面積為1300 m²，每戶建筑面積約35m²，體形系數(shù)為0.35，見(jiàn)圖1。

       1.2 技術(shù)指標(biāo)

       作為北京市超低能耗居住建筑示范項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)之初，首先需要確定一個(gè)要達(dá)到的能耗指標(biāo)。由于目前尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，參照《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）》^[1]和河北省地標(biāo)《被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB13(J)/T177-2015 ^[2]，確定的能耗指標(biāo)和氣密性指標(biāo)見(jiàn)表1，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表2。

       超低能耗居住建筑既要保證氣密性指標(biāo)，又要保證人員衛(wèi)生要求，供給足夠的新風(fēng)量，最大限度的利用室內(nèi)發(fā)熱量，降低供熱供冷需求，還需確定新風(fēng)熱回收設(shè)備的效率和通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)電力需求的技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表3。

2 寒冷（北京）地區(qū)超低能耗居住建筑能耗分析

       2.1 全年能耗計(jì)算輸入?yún)?shù)的確定

       與傳統(tǒng)住宅的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)過(guò)程相同，首先需要進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。而根據(jù)超低能耗建筑的特點(diǎn)，為了最大限度的降低一次能源需求，需要進(jìn)行建筑的全年能耗計(jì)算分析。北京的氣候分區(qū)屬于寒冷B區(qū)，冬季寒冷，需供熱；夏季炎熱，需供冷。供暖供冷計(jì)算方式按照計(jì)算天數(shù)供暖期供冷期連續(xù)計(jì)算冷熱需求，冬季計(jì)算天數(shù)為163天，夏季計(jì)算天數(shù)為92天。輸入?yún)?shù)包括室內(nèi)室外設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、換氣參數(shù)、內(nèi)部發(fā)熱源參數(shù)等，見(jiàn)表4。通風(fēng)系統(tǒng)平均換氣次數(shù)是按新風(fēng)設(shè)備在一天24小時(shí)內(nèi)不同的運(yùn)行時(shí)間不同的換氣次數(shù)得出的平均值；小時(shí)人流量是考慮每人每天進(jìn)出8次，每天16小時(shí)的活動(dòng)時(shí)間計(jì)算得出，屬于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值。

       由于首層是配套商業(yè)，僅按一般節(jié)能公共建筑設(shè)計(jì)，二層住戶與首層商業(yè)房間樓板的傳熱溫差按冬季臨室溫度為15℃取值，各戶與樓梯間之間的隔墻也按冬季臨室溫度15℃取值，夏季時(shí)則分別按室外逐時(shí)溫差的0.2倍和0.5倍取值。

       住宅用電設(shè)備包括冰箱、電視、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、計(jì)算機(jī)、顯示器和其他隨機(jī)用品，通過(guò)各設(shè)備散熱量數(shù)據(jù)計(jì)算得出設(shè)備散熱密度，即年均得熱密度，為3.05 W/m²。

       2.2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)選擇

       建筑的超低能耗主要是靠外圍護(hù)結(jié)構(gòu)超強(qiáng)的保溫隔熱性能和更高的氣密性能獲得的。4#樓采用外墻外保溫系統(tǒng)，保溫層連續(xù)完整，不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)熱橋，外保溫系統(tǒng)的連接錨栓采用阻斷熱橋措施。還應(yīng)具有包繞整個(gè)供暖體積的連續(xù)完整的氣密層。外窗的氣密性不低于8級(jí)，水密性不低于6級(jí)，抗風(fēng)壓不低于9級(jí)。寒冷地區(qū)的供暖能耗在全年建筑總能耗中占主導(dǎo)地位，太陽(yáng)輻射可降低冬季供暖能耗，但也會(huì)增加夏季空調(diào)能耗，因此，寒冷地區(qū)的東、西、南向的外窗均應(yīng)考慮遮陽(yáng)措施。表6 的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)取值，作為本樓超低能耗的保障。

       2.3 全年能耗計(jì)算結(jié)果及分析

       2.3.1 能耗計(jì)算結(jié)果

       全年能耗計(jì)算采用BEED軟件。得出整棟樓熱負(fù)荷、冷負(fù)荷、供暖需求、供冷需求、一次能源消耗量和通風(fēng)系統(tǒng)電力需求及二氧化碳排放量等計(jì)算結(jié)果。見(jiàn)表7，表8。

       2.3.2 結(jié)果分析

       能耗構(gòu)成分析詳見(jiàn)圖2~5。分析其構(gòu)成可以引導(dǎo)我們找到著重解決的方向。從熱負(fù)荷和供暖需求構(gòu)成分析中可看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱占比2/3，通風(fēng)失熱占比1/3。其中，外墻、外窗和通風(fēng)傳熱是巨大的。因此，著重解決外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱和通風(fēng)傳熱是超低能耗建筑降低供暖需求的主要方向，因而需要對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和氣密性換氣次數(shù)提出要求。在滿足人體衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)需求的前提下盡可能減小通風(fēng)傳熱并將排風(fēng)中的熱量極大限度回收，需采用高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，熱回收效率需持續(xù)提高。傳統(tǒng)建筑計(jì)算冬季熱負(fù)荷時(shí)不扣除人體和設(shè)備、燈光等的得熱量，并以穩(wěn)態(tài)傳熱原理進(jìn)行計(jì)算，供熱量是保守的。而超低能耗建筑的理念就是最大限度的降低供暖需求，則需將所有得熱量扣除后得出最小供暖需求量。

       對(duì)冷負(fù)荷和供冷需求構(gòu)成分析的結(jié)果，除了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱外，外窗的太陽(yáng)輻射熱以及人體和設(shè)備的散熱量也是占比較多的。夏季著重解決的方向則是降低外窗太陽(yáng)輻射熱和設(shè)備得熱。

       結(jié)果與設(shè)計(jì)之初確定的技術(shù)指標(biāo)相比，滿足指標(biāo)要求，同時(shí)也滿足文獻(xiàn) [3] 對(duì)北京市公共租賃房的技術(shù)指標(biāo)要求。指標(biāo)計(jì)算結(jié)果中，供暖、供冷需求是輸出端的需求，終端能耗量是輸入端折合成的耗電量，一次能源需求是耗費(fèi)自然界的一次能源的量。這里，供暖、空調(diào)及通風(fēng)一次能源消耗量是體現(xiàn)超低能耗居住建筑在保證一定舒適度和衛(wèi)生質(zhì)量的前提下所必需的關(guān)鍵數(shù)值，是超低能耗建筑特別需要控制的。

       計(jì)算結(jié)果表明，所有輸入?yún)?shù)都是預(yù)設(shè)的數(shù)值，實(shí)際工程中采用的材料、產(chǎn)品、設(shè)備的性能參數(shù)必須嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)值控制，這是建造成功的超低能耗建筑的必要前提。

       2.4 各戶型各層冷熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

       4#樓二至六層每層6戶，有D1，D2，D3三種戶型，每戶建筑面積約35m²；各戶圍合一個(gè)面積為289m²的中庭。各戶型各層逐時(shí)綜合最大冷、熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)看出，每戶的綜合最大冷、熱負(fù)荷值都在0.5~1kW左右。

3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       3.1 問(wèn)題的提出

       能耗計(jì)算結(jié)果顯示，超低能耗建筑的冷、熱需求非常小，冬夏季在滿足戶內(nèi)人員新風(fēng)衛(wèi)生條件的前提下，只需輔助供給極少量冷、熱。這就提出一個(gè)問(wèn)題，是不是還需要采用傳統(tǒng)的住宅散熱器或地板輻射供暖、分體空調(diào)供冷的方式。80年代，美國(guó)加州大學(xué)伯克利學(xué)院研究近零能耗建筑，提出采用供給30℃以下水溫的供暖系統(tǒng)。這需要解決從哪獲得30℃水，是否仍然需要采用化石能源？有沒(méi)有新技術(shù)、新能源可以替代？

       科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，地源熱泵技術(shù)、空氣源熱泵技術(shù)、太陽(yáng)能供暖供冷技術(shù)、高效熱回收技術(shù)等一系列新技術(shù)和新設(shè)備，使得解決這些問(wèn)題成為可能。暖通空調(diào)設(shè)計(jì)需要改變傳統(tǒng)的主動(dòng)供暖系統(tǒng)方式，正是遵循了超低能耗建筑的“被動(dòng)優(yōu)先，主動(dòng)優(yōu)化”的總原則，充分回收室內(nèi)排風(fēng)中的熱量，充分利用可再生能源做輔助的供暖供冷，最大限度減少化石能源的使用。

       3.2 空調(diào)系統(tǒng)形式確定

       本樓地下車(chē)庫(kù)小區(qū)聯(lián)通，無(wú)地埋管空間，屋面面積也較小，沒(méi)有設(shè)置太陽(yáng)能集熱板的足夠空間，地源熱泵技術(shù)和太陽(yáng)能技術(shù)都無(wú)法采用。本樓的空調(diào)系統(tǒng)形式選擇為集中高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)加戶內(nèi)新風(fēng)冷熱源一體機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“一體機(jī)”）的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

       3.2.1 高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)及運(yùn)行

       如圖6所示，由于每戶面積較小，考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)原因，采用了每層集中處理新風(fēng)的方式，每層設(shè)置新風(fēng)凈化系統(tǒng)。采用帶冷熱源熱回收新風(fēng)機(jī)組，顯熱回收效率不低于75%，排風(fēng)量為新風(fēng)量的90%~100%，COP值為2.8。熱回收新風(fēng)機(jī)組設(shè)置在每層的中庭通廊吊頂內(nèi)。中庭內(nèi)設(shè)置豎向新風(fēng)、排風(fēng)豎井，并伸出屋面，從屋面采風(fēng)、排風(fēng)。

       各層熱回收新風(fēng)機(jī)組向豎井取風(fēng)、排風(fēng)，新風(fēng)機(jī)組進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置G4/H11等級(jí)的過(guò)濾器，有效控制室外污染物及PM_2.5濃度，為室內(nèi)提供更加潔凈的新鮮空氣，有效減小霧霾天氣對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。熱回收新風(fēng)機(jī)組處理后的新風(fēng)通過(guò)送風(fēng)管送至每戶一體機(jī)；每戶衛(wèi)生間設(shè)置回風(fēng)口，各戶回風(fēng)管在中庭回廊匯合后接至熱回收新風(fēng)機(jī)組回風(fēng)口。同時(shí)，中庭設(shè)置送回風(fēng)口，給中庭送風(fēng)。與豎向風(fēng)豎井相連的進(jìn)排風(fēng)管道安裝密閉閥門(mén)，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，確保進(jìn)排風(fēng)管路密閉閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

       在中庭設(shè)置熱回收新風(fēng)機(jī)組的控制面板，每戶設(shè)置溫度、CO₂傳感器，機(jī)組根據(jù)各戶室內(nèi)溫度、CO₂濃度參數(shù)自動(dòng)變風(fēng)量運(yùn)行。熱回收材料應(yīng)用高分子納米材質(zhì)的全熱交換芯體，可與衛(wèi)生間排風(fēng)進(jìn)行全熱熱交換。既能有效的杜絕衛(wèi)生間有害氣體和異味，又可以最大限度的應(yīng)用室內(nèi)排氣中的熱量進(jìn)行全熱回收。衛(wèi)生間集中排風(fēng)全熱熱交換的控制運(yùn)行分為使用和未使用兩種模式。衛(wèi)生間未使用模式，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)設(shè)定值，判斷需要室外空氣進(jìn)行置換時(shí)，衛(wèi)生間的排氣扇與新風(fēng)一體機(jī)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的空氣置換及風(fēng)壓平衡，此時(shí)衛(wèi)生間排氣裝置處于從動(dòng)狀態(tài)；衛(wèi)生間使用模式時(shí)，衛(wèi)生間排氣扇會(huì)引導(dǎo)一體機(jī)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)送風(fēng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的空氣置換和風(fēng)壓平衡，此時(shí)衛(wèi)生間排氣裝置處于主動(dòng)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。這樣的氣流組織模式，可最大程度控制室內(nèi)污染空氣區(qū)域的負(fù)壓狀態(tài)，進(jìn)而避免室內(nèi)污濁污染空氣對(duì)其他區(qū)域的污染，同時(shí)又最大程度的保證了建筑整體能源效率。

       3.2.2 戶內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)形式

       如圖7所示，每戶內(nèi)設(shè)置一套新風(fēng)冷熱源一體機(jī)，作為輔助的供暖供冷系統(tǒng)。室內(nèi)機(jī)吊裝于吊頂內(nèi)，室外機(jī)設(shè)置在陽(yáng)臺(tái)處空調(diào)板上。熱回收新風(fēng)機(jī)組送風(fēng)管接入一體機(jī)內(nèi)。戶內(nèi)設(shè)置送風(fēng)管和回風(fēng)管，臥室及起居室設(shè)置送風(fēng)口，起居室的另一角設(shè)置回風(fēng)口，并保證室內(nèi)氣流組織的合理性。

       空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中需要特別重視控制要求，才能更好的獲得節(jié)能效果。當(dāng)熱回收新風(fēng)機(jī)組處理量能夠承擔(dān)室內(nèi)冷熱負(fù)荷時(shí)，室內(nèi)一體機(jī)不運(yùn)行，室內(nèi)送風(fēng)為直流式；當(dāng)不能承擔(dān)時(shí)，一體機(jī)啟動(dòng)，機(jī)內(nèi)閥門(mén)動(dòng)作，送風(fēng)風(fēng)量加大，戶內(nèi)回風(fēng)啟動(dòng)，形成新風(fēng)及循環(huán)送風(fēng)系統(tǒng)，直至室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，一體機(jī)停止工作。

       3.2.3 廚房通風(fēng)設(shè)計(jì)

       每戶廚房設(shè)置獨(dú)立的排油煙補(bǔ)風(fēng)口。補(bǔ)風(fēng)從室外直接引入，風(fēng)道入口處設(shè)置保溫密閉電動(dòng)風(fēng)閥，電動(dòng)風(fēng)閥與排油煙機(jī)聯(lián)動(dòng)，排油煙機(jī)未開(kāi)啟時(shí)，應(yīng)關(guān)閉嚴(yán)密不漏風(fēng)，排油煙機(jī)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)與補(bǔ)風(fēng)口連鎖開(kāi)啟，達(dá)到風(fēng)量平衡。補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置在灶臺(tái)附近下部，縮短補(bǔ)風(fēng)距離。

4 結(jié)束語(yǔ)

       超低能耗建筑設(shè)計(jì)，應(yīng)注重氣候、環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)和性能化設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)超低能耗的目標(biāo)，需根據(jù)不同氣候區(qū)的特點(diǎn)，確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能，盡量利用被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)手段，降低建筑對(duì)主動(dòng)式建筑環(huán)境和能源設(shè)備的依賴(lài)，暖通空調(diào)系統(tǒng)僅作為輔助手段，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案權(quán)衡優(yōu)化，因此在方案階段就要求暖通、建筑物理專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員參與到設(shè)計(jì)中。

       超低能耗建筑設(shè)計(jì)，需要準(zhǔn)確的建筑負(fù)荷及能效預(yù)測(cè)，全年能耗計(jì)算的準(zhǔn)確性相當(dāng)重要，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的取值需要準(zhǔn)確。需要改變傳統(tǒng)的供暖方式，充分利用可再生能源，利用熱泵技術(shù)。還需要熱泵能效大幅提高，還需要研發(fā)適用范圍更廣的新產(chǎn)品。

       超低能耗建筑需要特別注重氣密性。設(shè)計(jì)時(shí)，宜盡可能減少管道穿墻和樓板，穿越處必須采取密封措施。管道穿越外圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，預(yù)留套管與管道間的縫隙采用巖棉密實(shí)封堵，套管周邊200mm再用密封帶（防水隔氣材料）與結(jié)構(gòu)墻專(zhuān)用密封膠粘接密封。風(fēng)管宜采用高氣密性的風(fēng)管，需特別注意做好新風(fēng)管道負(fù)壓段和排風(fēng)管道正壓段以及接口易漏氣的部位的密封。

參考文獻(xiàn)

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)（2018年10月23～27日，中國(guó)·三門(mén)峽）論文集。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。