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    China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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    寒冷(北京)地區超低能耗居住建筑能耗分析及空調系統設計

    • 作者:
    • 中國暖通空調網
    • 發布時間:
    • 2020-01-03

    北京市建筑設計研究院有限公司  王  穎

           【摘  要】本文基于百子灣保障房項目公租房地塊4#樓實際工程設計,闡述寒冷(北京)地區超低能耗居住建筑的能耗及空調系統設計方法。根據當地室外氣象參數,適合的室內設計參數,研究寒冷(北京)地區超低能耗建筑的供暖需求、供冷需求以及全年能耗分析,根據本項目特點,提出供暖供冷系統設計方案及技術措施,廚衛通風解決方案,中庭空調通風解決方案。保證室內舒適度的前提下,變革傳統供暖方式,采用高能效比熱泵技術,利用可再生能源,高效熱回收新風系統,為住戶提供清潔新風,并滿足供暖、供冷需求,使室內達到人體舒適度要求。

           【關鍵詞】超低能耗居住建筑 高效熱回收新風系統 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氣候特征和自然條件,通過保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護結構,采用高效熱回收技術,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環境并能滿足綠色建筑基本要求的建筑[1]。

           國家“十二五”期間,在新型城鎮化建設過程中,遵循控制能耗總量的原則,緊緊圍繞綠色建筑、節能減排這個主題全方位展開技術研究。超低能耗建筑的優勢主要表現在:更加節能、更加舒適、更好空氣品質、更高質量保證。住建部“十三五”發展規劃要求,北方寒冷地區,京津冀重點區域城市積極開展超低能耗建筑、近零能耗建筑建設示范,結合氣候條件和資源稟賦情況,探索實現超低能耗建筑的不同技術路徑,總結形成符合我國國情的超低能耗建筑設計、施工及材料、產品支撐體系?!侗本┦型苿映湍芎慕ㄖl展行動計劃(2016-2018年)》的發展目標,三年內建設不少于30萬平方米的超低能耗示范建筑,建造標準達到國內同類建筑領先水平,爭取建成超低能耗建筑發展的典范。

           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,如何做好系統設計使得能耗較少,需要研究和變革傳統技術和方式,應充分利用可再生能源,采用高效空氣能熱泵技術。

    1 項目概況與技術目標

           1.1 項目概況

           百子灣保障房項目公租房地塊4#樓,由北京市保障性住房建設投資中心建設,地處北京市朝陽區百子灣地區,首層為配套商業,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計,其建筑面積為1300 m2,每戶建筑面積約35m2,體形系數為0.35,見圖1。

    圖1百子灣保障房項目公租房地塊4#樓

           1.2 技術指標

           作為北京市超低能耗居住建筑示范項目,在設計之初,首先需要確定一個要達到的能耗指標。由于目前尚無國家標準,參照《被動式超低能耗綠色建筑技術導則(試行)(居住建筑)》[1]和河北省地標《被動式低能耗居住建筑節能設計標準》DB13(J)/T177-2015 [2],確定的能耗指標和氣密性指標見表1,室內環境參數見表2。

    表1 能耗指標和氣密性指標

           超低能耗居住建筑既要保證氣密性指標,又要保證人員衛生要求,供給足夠的新風量,最大限度的利用室內發熱量,降低供熱供冷需求,還需確定新風熱回收設備的效率和通風系統的通風電力需求的技術指標,見表3。

    表3 關鍵設備性能參數

    2 寒冷(北京)地區超低能耗居住建筑能耗分析

           2.1 全年能耗計算輸入參數的確定

           與傳統住宅的暖通空調設計過程相同,首先需要進行負荷計算。而根據超低能耗建筑的特點,為了最大限度的降低一次能源需求,需要進行建筑的全年能耗計算分析。北京的氣候分區屬于寒冷B區,冬季寒冷,需供熱;夏季炎熱,需供冷。供暖供冷計算方式按照計算天數供暖期供冷期連續計算冷熱需求,冬季計算天數為163天,夏季計算天數為92天。輸入參數包括室內室外設計參數、設備參數、換氣參數、內部發熱源參數等,見表4。通風系統平均換氣次數是按新風設備在一天24小時內不同的運行時間不同的換氣次數得出的平均值;小時人流量是考慮每人每天進出8次,每天16小時的活動時間計算得出,屬于經驗統計值。

           由于首層是配套商業,僅按一般節能公共建筑設計,二層住戶與首層商業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,夏季時則分別按室外逐時溫差的0.2倍和0.5倍取值。

           住宅用電設備包括冰箱、電視、洗衣機、洗碗機、計算機、顯示器和其他隨機用品,通過各設備散熱量數據計算得出設備散熱密度,即年均得熱密度,為3.05 W/m2。

    表4 ?4#樓居住部分能耗計算輸入參數

           2.2 外圍護結構熱工性能參數選擇

           建筑的超低能耗主要是靠外圍護結構超強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,保溫層連續完整,不出現結構熱橋,外保溫系統的連接錨栓采用阻斷熱橋措施。還應具有包繞整個供暖體積的連續完整的氣密層。外窗的氣密性不低于8級,水密性不低于6級,抗風壓不低于9級。寒冷地區的供暖能耗在全年建筑總能耗中占主導地位,太陽輻射可降低冬季供暖能耗,但也會增加夏季空調能耗,因此,寒冷地區的東、西、南向的外窗均應考慮遮陽措施。表6 的外圍護結構的熱工性能參數取值,作為本樓超低能耗的保障。

    表6 ?4#樓外圍護結構熱工性能參數(傳熱系數單位為(W/㎡.k))

           2.3 全年能耗計算結果及分析

           2.3.1 能耗計算結果

           全年能耗計算采用BEED軟件。得出整棟樓熱負荷、冷負荷、供暖需求、供冷需求、一次能源消耗量和通風系統電力需求及二氧化碳排放量等計算結果。見表7,表8。

    表7 能耗計算結果  表8 終端能耗量、一次能源需求及二氧化碳排放量計算結果

           2.3.2 結果分析

           能耗構成分析詳見圖2~5。分析其構成可以引導我們找到著重解決的方向。從熱負荷和供暖需求構成分析中可看出,圍護結構失熱占比2/3,通風失熱占比1/3。其中,外墻、外窗和通風傳熱是巨大的。因此,著重解決外圍護結構的傳熱和通風傳熱是超低能耗建筑降低供暖需求的主要方向,因而需要對外圍護結構傳熱系數和氣密性換氣次數提出要求。在滿足人體衛生標準需求的前提下盡可能減小通風傳熱并將排風中的熱量極大限度回收,需采用高效熱回收新風系統,熱回收效率需持續提高。傳統建筑計算冬季熱負荷時不扣除人體和設備、燈光等的得熱量,并以穩態傳熱原理進行計算,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。

           對冷負荷和供冷需求構成分析的結果,除了圍護結構的傳熱外,外窗的太陽輻射熱以及人體和設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輻射熱和設備得熱。

           結果與設計之初確定的技術指標相比,滿足指標要求,同時也滿足文獻 [3] 對北京市公共租賃房的技術指標要求。指標計算結果中,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自然界的一次能源的量。這里,供暖、空調及通風一次能源消耗量是體現超低能耗居住建筑在保證一定舒適度和衛生質量的前提下所必需的關鍵數值,是超低能耗建筑特別需要控制的。

           計算結果表明,所有輸入參數都是預設的數值,實際工程中采用的材料、產品、設備的性能參數必須嚴格按照預設值控制,這是建造成功的超低能耗建筑的必要前提。

    圖2 熱負荷構成分析圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3供暖需求構成分析圖

           2.4 各戶型各層冷熱負荷計算結果統計

           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;各戶圍合一個面積為289m2的中庭。各戶型各層逐時綜合最大冷、熱負荷計算結果統計看出,每戶的綜合最大冷、熱負荷值都在0.5~1kW左右。

    3 通風空調系統設計

           3.1 問題的提出

           能耗計算結果顯示,超低能耗建筑的冷、熱需求非常小,冬夏季在滿足戶內人員新風衛生條件的前提下,只需輔助供給極少量冷、熱。這就提出一個問題,是不是還需要采用傳統的住宅散熱器或地板輻射供暖、分體空調供冷的方式。80年代,美國加州大學伯克利學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。這需要解決從哪獲得30℃水,是否仍然需要采用化石能源?有沒有新技術、新能源可以替代?

           科學技術發展到今天,地源熱泵技術、空氣源熱泵技術、太陽能供暖供冷技術、高效熱回收技術等一系列新技術和新設備,使得解決這些問題成為可能。暖通空調設計需要改變傳統的主動供暖系統方式,正是遵循了超低能耗建筑的“被動優先,主動優化”的總原則,充分回收室內排風中的熱量,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 空調系統形式確定

           本樓地下車庫小區聯通,無地埋管空間,屋面面積也較小,沒有設置太陽能集熱板的足夠空間,地源熱泵技術和太陽能技術都無法采用。本樓的空調系統形式選擇為集中高效新風熱回收系統加戶內新風冷熱源一體機(以下簡稱“一體機”)的空氣源熱泵空調系統。

    圖6 高效新風熱回收系統平面布置
    圖7 戶內冷熱源一體機空調系統平面布置

           3.2.1 高效新風熱回收系統及運行

           如圖6所示,由于每戶面積較小,考慮經濟技術原因,采用了每層集中處理新風的方式,每層設置新風凈化系統。采用帶冷熱源熱回收新風機組,顯熱回收效率不低于75%,排風量為新風量的90%~100%,COP值為2.8。熱回收新風機組設置在每層的中庭通廊吊頂內。中庭內設置豎向新風、排風豎井,并伸出屋面,從屋面采風、排風。

           各層熱回收新風機組向豎井取風、排風,新風機組進風口處設置G4/H11等級的過濾器,有效控制室外污染物及PM2.5濃度,為室內提供更加潔凈的新鮮空氣,有效減小霧霾天氣對室內空氣品質的影響。熱回收新風機組處理后的新風通過送風管送至每戶一體機;每戶衛生間設置回風口,各戶回風管在中庭回廊匯合后接至熱回收新風機組回風口。同時,中庭設置送回風口,給中庭送風。與豎向風豎井相連的進排風管道安裝密閉閥門,當通風系統處于關閉狀態時,確保進排風管路密閉閥處于關閉狀態。

           在中庭設置熱回收新風機組的控制面板,每戶設置溫度、CO2傳感器,機組根據各戶室內溫度、CO2濃度參數自動變風量運行。熱回收材料應用高分子納米材質的全熱交換芯體,可與衛生間排風進行全熱熱交換。既能有效的杜絕衛生間有害氣體和異味,又可以最大限度的應用室內排氣中的熱量進行全熱回收。衛生間集中排風全熱熱交換的控制運行分為使用和未使用兩種模式。衛生間未使用模式,室內設計參數根據各項指標設定值,判斷需要室外空氣進行置換時,衛生間的排氣扇與新風一體機聯動啟動,實現室內的空氣置換及風壓平衡,此時衛生間排氣裝置處于從動狀態;衛生間使用模式時,衛生間排氣扇會引導一體機聯動啟動送風,實現室內的空氣置換和風壓平衡,此時衛生間排氣裝置處于主動驅動狀態。這樣的氣流組織模式,可最大程度控制室內污染空氣區域的負壓狀態,進而避免室內污濁污染空氣對其他區域的污染,同時又最大程度的保證了建筑整體能源效率。

           3.2.2 戶內空調系統形式

           如圖7所示,每戶內設置一套新風冷熱源一體機,作為輔助的供暖供冷系統。室內機吊裝于吊頂內,室外機設置在陽臺處空調板上。熱回收新風機組送風管接入一體機內。戶內設置送風管和回風管,臥室及起居室設置送風口,起居室的另一角設置回風口,并保證室內氣流組織的合理性。

           空調系統運行中需要特別重視控制要求,才能更好的獲得節能效果。當熱回收新風機組處理量能夠承擔室內冷熱負荷時,室內一體機不運行,室內送風為直流式;當不能承擔時,一體機啟動,機內閥門動作,送風風量加大,戶內回風啟動,形成新風及循環送風系統,直至室內溫度達到設計要求,一體機停止工作。

           3.2.3 廚房通風設計

           每戶廚房設置獨立的排油煙補風口。補風從室外直接引入,風道入口處設置保溫密閉電動風閥,電動風閥與排油煙機聯動,排油煙機未開啟時,應關閉嚴密不漏風,排油煙機啟動時,應與補風口連鎖開啟,達到風量平衡。補風口設置在灶臺附近下部,縮短補風距離。

    4 結束語

           超低能耗建筑設計,應注重氣候、環境的適應性設計、一體化設計和性能化設計。為實現超低能耗的目標,需根據不同氣候區的特點,確定圍護結構的性能,盡量利用被動式建筑設計手段,降低建筑對主動式建筑環境和能源設備的依賴,暖通空調系統僅作為輔助手段,需要對設計方案權衡優化,因此在方案階段就要求暖通、建筑物理專業設計人員參與到設計中。

           超低能耗建筑設計,需要準確的建筑負荷及能效預測,全年能耗計算的準確性相當重要,基礎數據的取值需要準確。需要改變傳統的供暖方式,充分利用可再生能源,利用熱泵技術。還需要熱泵能效大幅提高,還需要研發適用范圍更廣的新產品。

           超低能耗建筑需要特別注重氣密性。設計時,宜盡可能減少管道穿墻和樓板,穿越處必須采取密封措施。管道穿越外圍護結構時,預留套管與管道間的縫隙采用巖棉密實封堵,套管周邊200mm再用密封帶(防水隔氣材料)與結構墻專用密封膠粘接密封。風管宜采用高氣密性的風管,需特別注意做好新風管道負壓段和排風管道正壓段以及接口易漏氣的部位的密封。

    參考文獻

           [1] 住房和城鄉建設部.被動式超低能耗綠色建筑技術導則(試行)(居住建筑)[S].北京,2015
           [2] 住房和城鄉建設部科技發展促進中心.DB13(J)/T177-2015被動式低能耗居住建筑節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2015:15-16
           [3] 北京市住房和城鄉建設委員會.北京市超低能耗建筑示范工程項目及獎勵資金管理暫行辦法[S].北京,2017,附件1

           備注:本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會(2018年10月23~27日,中國·三門峽)論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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