夏熱冬暖地區被動屋節能的對比研究

劉 青

(福建省閩武建筑設計院有限公司廈門思明分公司 福建廈門 361000)

0 引言

德國被動屋是不設傳統采暖設施，僅靠高效保溫隔熱、太陽輻射、建筑內部得熱等被動技術和帶有余熱回收的新風裝置，實現室內溫度舒適的建筑。此類建筑采用各種節能技術構造最佳的建筑圍護結構，能最大限度地提高建筑保溫隔熱性能和氣密性，使熱傳導損失和通風熱損最小化，最大限度地控制能耗全過程。PHI《被動房標準》[1]中，要求被動屋采暖一次能耗量≤15 kWh/(m2a)，一次能源總消耗量不超過120 kWh/(m2a)。而國標《近零能耗建筑技術標準》(GB/T51350-2019)[2]在德國被動屋的基礎上，結合我國實際情況對近零能耗建筑、超低能耗建筑及零能耗建筑分別做了定義，其中超低能耗建筑是近零能耗建筑的初級表現形式，其室內環境參數與近零能耗建筑相同，能效指標略低于近零能耗建筑，其建筑能耗水平應較國家標準《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》JGJ75-2012[3]降低50%以上。

本文以南安被動屋為基礎模型，結合我國建筑節能標準，設計計算不同工況下建筑模型的全年總負荷及一次能源用量，對比分析不同工況下的各項數據，優化暖通空調節能設計。

1 建筑模型及暖通空調設計介紹

1.1 氣候分析

由于《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB50736-2012)[4]附錄A中沒有南安或泉州地區的室外空氣計算參數，有參數的7個地區中，南安在地理位置上離廈門較近，所以室外空氣計算參數采用廈門地區的數據。廈門屬于夏熱冬暖地區，冬季平均溫度12～15℃，平均最低溫度10～12℃，極端最低溫度1.5℃。除極端最低溫度外，與冬季室內舒適性16℃標準相比，室內外溫差僅4～6℃，外圍護結構熱工性能較好情況下基本可滿足舒適性要求；夏季平均溫度26～28℃，平均最高溫度30～32℃，極端最高溫度可達38.5℃，與夏季室內舒適性26℃標準相比，室內外溫差最大達12.5℃。由于夏季炎熱，空調制冷是必不可少的技術設施。按德國被動屋標準，采用新風熱回收系統與太陽能熱水系統，滿足夏季制冷需求及冬季生活供熱需求。但與寒冷地區采用相同的室內舒適性標準(夏季26℃，冬季18℃)情況下，夏熱冬暖地區無法實現用新風系統替代空調系統滿足夏季室內舒適性要求。因此，南安被動屋采用了空調系統與新風系統并用的暖通空調設計。

1.2 建筑模型簡介

以南安被動屋執行《福建省居住建筑節能設計標準》(DBJ13-62-2019)[5]65%節能標準為建筑模型，簡稱南安節能屋，該建筑共18層，每層層高3 m，建筑平面圖如圖1所示。

圖1 南安節能屋標準層平面圖

南安節能屋建筑圍護結構構造為：

屋面類型：水泥砂漿(15.0 mm)+細石混凝土(內配筋)(40.0 mm)+擠塑聚苯板(25.0 mm)+水泥砂漿(15.0 mm)+頁巖陶?；炷?(30.0 mm)+鋼筋混凝土(100.0 mm)+水泥砂漿(20.0 mm)；外墻類型：水泥砂漿(20.0 mm)+加氣混凝土砌塊(B07級)(200.0 mm)+無機保溫砂漿(20.0 mm)；外窗類型：非隔熱金屬型材(6中透光Low-E+9空氣+6透明)，傳熱系數3.0 W/m2·K，自身遮陽系數0.46，氣密性為6級，可見光透射比0.50。根據《民用建筑熱工設計規范》(GB50176-2016)[6]進行熱工計算，該建筑物的各項指標均滿足《福建省居住建筑節能設計標準》(DBJ13-62-2019)[5]的要求，各項技術經濟指標具體如表1所示。

表1 熱工性能指標3

1.3 暖通空調系統

南安節能屋基礎工況設計一套多聯機空調和新風系統。屋面集中設置太陽能熱水，如遇陰天下雨等太陽能不夠時，由主機啟動制熱模式供熱。

2 模擬工況節能計算與分析

2.1 概述

以下分析比較以65%節能建筑模型-南安節能屋為參照建筑，外圍護結構參數等同于南安節能屋各外圍護結構參數，如表1所示；建筑平面圖如圖1所示。

空調能耗模擬計算采用軟件：鴻業全年負荷計算及能耗分析軟件V4.0。

室外氣象參數(參照廈門)如表2所示。

表2 室外氣象參數

南安節能屋室內主要用電設備：多聯機系統、新風機、熱水器、電視機、洗衣機、飲水機、冰箱、微波爐、排油煙機、消毒碗柜、衛生間排氣扇、燈具等。

2.2 暖通空調設計工況

(1)節能屋基本工況

室內設計參數：夏季：溫度26℃，濕度：55%～65%；

冬季：溫度16℃，濕度：55%～65%；

新風量：30 m2/(h·p)。

(2)低能耗工況

室內設計參數：夏季：溫度28℃，濕度：55%～65%；

冬季：溫度16℃，濕度：55%～65%；

新風量：30 m2/(h·p)；

夏季增加風扇輔助通風。

(3)超低能耗工況

室內設計參數：夏季：溫度28℃，濕度：55%～65%；

冬季：溫度16℃，濕度：55%～65%；

新風量：30 m2/(h·p)；

夏季增加風扇輔助通風，且以全熱交換器替代新風機(新風排風全熱回收效率60%以上)。

2.3 各工況負荷及能耗對比

統計各工況負荷及能耗對比如表3所示，各工況參數、增加設備回收期對比如表4所示。

表3 各工況負荷及能耗對比

表4 各工況參數、增加設備回收期對比

2.4 數據說明

建筑一次能源用量 = 供暖年能耗 + 制冷年能耗 + 空調設備用能 + 新風設備用能 + 熱水制備用能 + 照明用能 + 家用設備及其它用能。

熱水制備用能、照明用能、家用設備及其它用能均由電氣專業提供能耗數據。

供暖年能耗、制冷年能耗、空調設備用能及新風設備用能，由“鴻業全年負荷計算及能耗分析軟件V4.0”計算得出《全年能耗報表》中摘得。

各負荷值由“鴻業全年負荷計算及能耗分析軟件V4.0”計算得出《全年負荷報表》中摘得。

供暖/制冷年能耗指空調提供全年總熱/冷負荷所需能耗。

空調/新風設備用能指啟動多聯機系統/新風機所需全年能耗。

2.5 數據分析

(1)全年負荷分析對比

全年總冷負荷：節能屋基本工況下，夏季室內設計溫度為26℃，在低能耗工況下，夏季室內設計溫度調高2℃(室內設計溫度提高到28℃)，增加輔助通風設備(風扇)提高舒適性，較基本工況全年總冷負荷降低23.4%；在調高室內設計溫度2℃情況下，再增加新風全熱回收裝置(全熱交換器)(超低能耗工況)，較基本工況全年總冷負荷降低34.3%。

全年總熱負荷：由于節能屋建筑圍護結構采取防冷、熱橋構造設計，且室內外溫差不大，因此節能屋冬季可以不考慮采暖，僅靠建筑外圍護結構保溫隔熱及太陽輻射、建筑內部得熱等，就可以維持室內舒適溫度。此點從基本工況下全年總熱負荷約等于全年總新風熱負荷可以看出，即全年總熱負荷=全年總新風熱負荷-室內顯熱負荷。而超低能耗工況時冬季熱負荷取理論值，由基本工況下的全年總熱負荷減掉全熱交換器熱回收的60%新風熱負荷得出，即：A-0.6D，因此超低能耗工況與另外兩種工況的全年總熱負荷相差較大。在低能耗工況下，夏季室內設計溫度相比基本工況調高2℃，全年總熱負荷增加17.8%。理論上，總熱負荷數值應該不變，因計算軟件在過渡季節取冬夏季室內設計溫度平均值進行負荷計算，所以熱負荷有所增加。

全年新風總負荷：低能耗工況下，全年新風總負荷較基本工況降低17.4%；超低能耗工況增加了全熱交換器，較基本工況全年新風總負荷降低68.6%。

由此可見，夏季室內設計溫度提高2℃，可明顯降低新風冷負荷，且空調系統增加熱回收裝置，無論在夏季或冬季，節能效果都十分顯著。

(2)建筑一次能源用量分析對比

南安節能屋基本工況建筑一次能源用量是84.777 kWh/(m2a)；

低能耗工況(輔助通風)一次能源用量是76.104 kWh/(m2a);

超低能耗工況(帶熱回收)一次能源用量是70.673 kWh/(m2a);

提高夏季室內設計溫度2℃(低能耗工況)，建筑一次能源用量降低了10.2%；再增加新風熱回收裝置(超低能耗工況)，建筑一次能源用量降低了16.6%。

由此可見，新風熱回收裝置在節能減排中的重要性。

(3)增加設備后的回收期

提高夏季室內設計溫度2℃(低能耗工況)時，室內各主要房間增加風扇，使室內空氣對流，提高整體舒適性。由此所增加的成本與該工況下節約的電費相比，增加風扇的成本回收期約為5.5年。

超低能耗工況時，室內各主要房間增加風扇，且新風系統由全熱交換器替代新風機，排風進行熱回收，新風進行熱交換，新風排風全熱回收效率60%以上，增加風扇及替換全熱交換器的成本回收期約為3.4年。

3 結語

(1)低能耗工況：夏季室內設計溫度調高2℃，輔以電風扇對流通風，給人在室內的舒適感與室內設計溫度未調高2℃時的舒適感基本一致的情況下，前者冷負荷大幅減小，空調耗能減小，建筑一次能源用量降低，節能明顯，是非?？尚械囊环N節能設計。而成本上增加設備(風扇)的回收期需5.5年。超低能耗工況：新風有組織的供給，是滿足室內舒適度的一個基本要求，而新風負荷占比總負荷又比較大(23%～31%)，增加新風熱交換設備后全年新風總負荷降低的比率比低能耗工況還要低51.2%，建筑一次能源用量降低了16.6%。新風采取熱回收措施，節能效果非常顯著。且其增加設備(風扇+全熱交換器)的回收期僅為3.4年。

(2)以《福建省居住建筑節能設計標準》(DBJ13-62-2019)[5]65%節能標準為建筑模型，設計兩種工況下的節能減排效果都比較顯著，說明德國被動屋模型根據我國實際情況調整后的節能建筑模型，在夏熱冬暖地區具有普遍推廣的價值。本文僅討論了暖通空調設計方面的節能優勢，尤其是實施熱回收措施，不僅成本回收期較短，還大大降低了能耗，帶來經濟效益的同時，切實起到了節能減排的作用，實現了資源的節約和可持續性發展。暖通設計師應積極配合建筑等相關專業，優化改進建筑模型及節能設計，采用合理的能源方案，充分利用可再生能源，廣泛應用熱回收系統，推廣適合我國地域氣候的節能建筑，促進節能減排、低碳經濟，為2050年實現碳中和增磚添瓦。