中德生态园被动房技术中心项目节能技术解析

刘 磊 于正杰 韩 飞 刘 斌 / LIU Lei，YU Zhengjie，HAN Fei，LIU Bin

ENERGIESPARENDE TECHNOLOGIEN AUS DEM PASSIVHAUS-TECHNIKZENTRUM IM DEUTSCH-CHINESISCHEN öKOPARK

ENERGY-SAVING TECHNOLOGY OF PASSIVE HOUSE TECHNOLOGY CENTER PROJECT OF SINO-GERMAN ECOPARK

中德生态园（Sino-German Ecopark）被动房技术中心于2015年3月开工建设，2016年8月完工并正式投入使用。项目占地面积4843m2，总建筑面积为13 768.6m2，其中地上建筑面积8187.15m2，地下建筑面积5 581.45m2。项目共分为地上5层，半地下一层，地下一层，功能主要包括会议（-1层）、展厅（-1层、1层、5层）、办公（2－3层）以及部分体验式公寓（4层）。该项目获得由德国被动房研究所（Passive House Institute，PHI）颁发的被动房认证，同时获得国内绿建三星认证，成为亚洲体量最大、功能最复杂的通过德国PHI权威认证的单体被动式建筑。根据项目运行能耗监测结果显示，项目每年可节约一次能耗约130万kWh，节约运行费用约55万元，减少碳排放量664t，与现行国家节能设计标准相比，节能率高达90%以上。图1为中德生态园被动房技术中心实景。

1 建筑结构特点

该项目的整个建筑设计融汇了绿色节能理念,建筑外立面采用了外挂阳台错层手法，铝板幕墙设计结合了自然流水、鹅卵石等流动曲线形态元素，使得外立面既层次丰富又富有灵动性。此外，中庭空间贯穿了所有楼层，可将自然光引入到建筑中，进一步体现了“被动优先，主动优化”的建筑理念。

该项目从建筑结构设计上充分考虑节能性，下文将从围护结构、防热桥设计、气密性构造、外遮阳技术等方面分别进行阐述。

1.1 高性能围护结构

该项目采用了高性能的围护结构，充分满足了被动式超低能耗建筑的热工性能要求，具体参数与施工情况如表1所示。

图1 中德生态园被动房技术中心

图2 外遮阳设备（室外视角）

图3 2#地源热泵机组主机

表1 建筑热物性指标

1.2 防热桥设计

该项目在设计过程中充分考虑了防热桥设计，在结合热桥特点的同时，设计严格遵守了以下原则：一是避免原则，即尽量不中断保温围护结构；二是穿透原则，即若穿透不可避免，则保温层内穿透材料热阻应尽可能高，并进行防热桥的衰减设计；三是节点原则，即建筑构件连接处的保温层必须无空缺地全面积搭接；四是几何原则，即边角尽可能设计为钝角。

防热桥设计的具体措施主要体现在以下几个方面：（1）屋顶女儿墙的两侧全部使用保温层包裹，保证了保温围护结构系统的完整性；（2）地下室梁、柱由于需要穿过被动区，需全部包裹保温材料，且柱子保温材料向外延伸；（3）所有外挑露台楼板均与主体断开，结构板和悬挑露台之间填充岩棉板；（4）系统中的各种锚固锚栓构件预先使用隔热套管或加垫层等手法。通过以上措施，几乎完全断绝了系统性的热桥问题。

1.3 气密性构造

该项目在设计之初就充分考虑了气密性的保障措施。一方面，在房间内侧连续抹灰以形成建筑的气密层；另一方面，使用连接构件来保证气密性。考虑到因热胀冷缩引起的错位、裂纹和不可避免的穿透构件，对于所有可能发生气密性破坏的节点使用胶带里外双面密封，且墙体连接节点的抹灰一直延伸到混凝土楼板并上返到墙面。高效的气密性做法，使得被动房技术中心的气密性检测N50≤0.6，达到了被动式建筑气密性指标要求。

1.4 建筑外遮阳技术

本项目采用德国外遮阳系统（图2），产品具有高效遮阳、自然采光、节能环保、双重节能、视野通透、防止眩光等特点。本项目工程遮阳面积达2000m2左右，可以将太阳能的热系数从0.5降低到0.1。项目同时配置了楼宇控制系统，可实现遮阳系统根据阳光照射状态、温度、风力等自然条件自行启闭和开闭叶片。

2 机电系统设计

2.1 冷热源

该项目采用了地埋管地源热泵系统。根据专业公司出具的岩土热响应测试报告显示，项目所在区域地质以花岗岩为主，地埋管区域的综合导热系数为2.97W/（m·K），岩土体平均初始温度为15.6℃，有利于夏季向地下岩土释放热量以及冬季从地下岩土抽取热量。

冷热源采用两台高能效地埋管地源热泵机组，机组名义制冷工况和规定条件下的COP（Coefficient of Performance，能效比）＞5.0，名义制热工况下的COP＞4.0。机组采用双压缩机，内部设四通阀，可实现冬夏季模式切换。两台地源热泵机组均位于地下二层的热泵机房，分别为新风热回收机组和室内冷梁系统提供冷热源，采用温湿度独立控制系统，机组分别提供高低温冷冻水，最大限度提高机组效率。

其中，1#冷水机组为涡旋式机组，额定制冷量为133kW，额定制热量135kW，可提供制冷季7℃/12℃的空调冷水和供暖季45℃／40℃的空调热水，主要服务于新风热回收机组和首层地板辐射供暖系统机组采用部分热回收式，可以制备生活热水。2#冷水机组为螺杆式机组，额定制冷量为330kW，额定制热量265kW，可提供制冷季16℃／19℃的空调冷水和供暖季45℃／40℃的空调热水，主要服务于末端冷梁系统。图3为2#螺杆式地源热泵机组主机。

该项目空调系统末端为主动式冷梁和部分干式风机盘管。制冷季冷梁的供回水温度为17℃／20℃。为了解决冷水机组出水温度和末端冷梁需求温度不匹配的问题，机房内设置蓄冷罐进行混水，可对供水温度进行调节，满足末端冷梁的温度需求。同时为达到过渡季节能的目的，机房内设置免费冷却换热器，直接利用地源侧循环水，通过板式换热器制备空调冷水。

图4 空调水系统原理

图5 主动式冷梁工作原理示意

图6 主动式冷梁控制原理示意

表2 房间空调末端形式

2.2 空调水系统

空调水系统采用二级泵两管制变流量系统。一级泵采用一机对一泵的方式，即1#冷水机组对应1台室内侧循环泵，2#机组对应2台室内侧循环泵，一用一备。考虑到1层入口大厅处为高大空间，因此增设了地板辐射供暖系统进行辅助供暖。对应于新风热回收机组、1层地板辐射系统和室内冷梁、干式风盘末端分别设置2台二级泵，均为一用一备。机房内设蓄冷罐，可以稳定供水温度。在机房冷水供回水总管之间设置了压差控制的电动旁通调节阀。空调冷水系统全楼竖向不分区，为异程式系统。图4为空调水系统原理图。

2.3 空调末端

空调末端设备的选取考虑了各房间的功能，具体形式如表2所示。

其中，主动式冷梁的工作原理为：新风机组集中处理后的一次风经过接管送入室内冷梁内，通过喷嘴高速喷出，在喷嘴附近产生负压，以诱导吸入室内二次回风。室内二次回风通过冷梁内的水盘管冷却或加热后，与一次风混合，最后由条缝型风口送入室内（图5）。一次风承担室内的全部潜热负荷，因此室内冷梁是干工况运行，健康卫生，空气品质较高。冷梁房间内设置房间温湿度控制器和防结露开关。房间温湿度控制器可以设定房间温度值和测量实际室内温度值，根据实际温差信号控制冷梁水阀的通断，以此调节房间的温度。冷梁供水管入口段装设防结露开关，防结露开关可以设定相对湿度控制值。当防结露开关探测到水管表面的相对湿度到达预设的控制值时，输出信号至房间温湿度控制器，房间温湿度控制器输出信号关闭水阀切断供水，防止水管结露（图6）。

图7 新风热回收机组夏季工况运行模式

图8 新风热回收机组过渡季节工况运行模式

图9 新风热回收机组冬季工况运行模式

图10 空气处理焓湿图

表3 新风机组夏季工况

2.4 新风系统

本项目新风系统共设3台新风热回收机组，包括主楼和报告厅新风系统共两台全热回收机组以及卫生间排风单独设置的显热回收机组。

根据人员新风量需求，主楼新风机组设计风量为20 000 m3/ h，报告厅新风机组新风量为10 000 m3/ h，两台机组均进行全热回收设计。全热回收机组采用转轮和板式两级热回收换热器，热回收效率可达85%，且板式换热器可实现新风除湿后的再生功能，减少了常规除湿后采用电加热或盘管加热等方式的再生能耗，可实现包括夏季除湿、冬季制热及过渡季节全新风等不同工况模式的切换。图7～9为新风热回收机组运行模式原理。

根据青岛室外气象条件，详细工况参数见表3、4及图10。

为了充分回收室内的热量，卫生间排风单独设置了热回收机组。考虑到转轮全热回收会违反卫生防疫要求，因此选择送排风不直接接触的显热交换器，考虑到冬夏季室内外温差（冬季温差为27.2℃，夏季为3.4℃），新风经过风机会有1℃的温升，因此在实际运行过程中，仅在冬季采用显热回收，夏季卫生间排风直接排到室外。图11为新风原理图。

本项目合理地进行气流组织设计，新风直接送入各房间内，排风不直接经管道排出室外，而是先由房间排到中庭，再由中庭或公共空间集中收集后经新风热回收机组热回收后排出室外。该种方式使排风充分流经公共区域，有效地改善了公共区域的冷热环境品质。

表4 新风机组冬季工况

表5 能耗碳排放设计指标

图11 新风系统示意

图12 屋面光伏及太阳能热水布置实景

2.5 电气节能

该项目采用高效照明和节能设计。各主要功能房间的功率密度分别为：办公室6W/m2，会议室7W/m2，车库1W/m2；照明控制方式为：办公室、会议室、储藏室及各设备机房等房间采用现场开关控制，而车库、楼梯间及公共区间采用声、光、时序等控制方式，从而达到节能和安全的目的。

3 可再生能源利用

该项目采用了地热能及太阳能等可再生能源，地热能解决采暖及制冷的冷热源需求，太阳能提供发电及生活热水。光伏发电模式为自发自用，多余电量并入市政电网。

屋面共布置200块多晶硅电池组件（图12），光伏总装机容量约为52kWp，年均发电量为48 623kWh，占被动房技术中心过去一年总用电量的10%～15%。热水系统采用太阳能集热器+地源热泵冷凝余热回收+电辅热互补性系统，提供4层公寓2.3t的生活热水日最大需求量。

4 建筑运行数据分析

被动房的设计和施工是否有效，建筑运行过程中是否实现超低能耗的目标，需要经过一个长期的数据监测、统计与分析的过程。下文选取该项目在2017年4月1日至2018年3月31日之间的供冷供热量、运行能耗、室内外温湿度、室内外PM2.5以及室内CO2实际运行监测数据进行了分析。表5为该项目能耗和碳排放相关设计指标与德国被动房设计标准及65%公共建筑节能标准的对比数据。

4.1 供冷供热量

该项目供冷季为历年7月1日～9月30日，供暖季为历年11月16日～次年3月31日。

如图13所示，该项目在2017年4月1日至2018年3月31日全年，供冷季供冷量为19.8万kWh，折合单位面积年供冷量为14.38kWh/（m2·a），供暖季供热量为19.9万kWh，折合单位面积年供热量为14.48kWh/（m2·a），单位面积冷热量均显著低于国家65%公共建筑节能标准，充分验证了被动式节能设计的优越性。

图13 逐月供冷/供热量（2017.4.1～2018.3.31）

图14 全年日耗电量统计（2017.4.1～2018.3.31）

图15 各部分能耗百分比

图16 青岛市同类型公共建筑能耗统计对比

图17 室内外温度（2017.4.1～2018.3.31）

表6 空调系统平均COP

4.2 运行耗电量

从图14可见，该建筑能耗高峰值出现在2017年7月7日，耗能2 884.28kWh；低谷值出现在2017年4月16日，耗能408.38kWh。建筑全年总耗电为38.35万kWh，折合单位建筑面积耗电27.86kWh/（m2·a）。

该项目全年能耗中各部分电耗占比如图15。全年分项能耗中，地源热泵系统（含地源热泵机组及水泵）能耗占比最大，为9.56kWh/（m2·a），占全年总能耗34%；新风系统能耗为3.92kWh/（m2·a），占全年总能耗14%；整个空调系统的能耗为13.49kWh/（m2·a），占建筑全年总能耗48%。空调系统COP如表6所示。

《青岛市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗公示》中与本建筑功能相近且同样以电力为唯一外来能源的公共建筑共108座，通过对每座建筑的单位面积年能耗进行计算，其平均单位面积年电耗为53.83kWh/（m2·a）。将其与本建筑单位面积能耗进行比较，可得本建筑单位面积年电耗仅为同地区同类型建筑平均单位面积年电耗的52%，充分验证了该建筑的低能耗特性（图16）。

4.3 室内外环境数据分析

建筑室外内的温湿度、PM2.5以及CO2浓度，直接或间接地影响着人体的舒适度和健康。

4.3.1 室内外温度

从全年室内外温度监测数据（图17）可见，室内温度最高值为26.69℃，最低值为18.91℃，均值为22.78℃。全年室外平均温度波动在25℃左右，室内平均温度波动在4℃左右。

4.3.2 室内外湿度

通过对全年室内外相对湿度监测数据（图18）统计，可见室内相对湿度室最高值为67.7%，最低值为18.77%，均值为49.97%。全年来看，室外夏季湿度大冬季湿度小，室内相对始终维持在30%～60%适宜范围左右。

图18 室内外湿度（2017.4.1～2018.3.31）

图19 室内外PM2.5（2017.4.1～2018.3.31）

图20 室内CO2（2017.4.1～2018.3.31）

4.3.3 室内外PM2.5

建筑室外PM2.5的主要来自于自然和人为因素，自然因素包括土壤扬尘、植物花粉、孢子、细菌等，人为因素包括机动车尾汽排放、工业生产等。室内PM2.5变化主要受人为活动和室内污染源的影响，人们往往忽略了室内PM2.5的浓度。

从该项目全年室内外PM2.5监测数据（图19）可见，室内PM2.5浓度最高值为22.32μg/mä，最低值为2.03μg/mä，均值为5.36μg/mä。室内PM2.5指数低于国家规定标准值35μg/mä。

4.3.4 室内 CO2浓度

全年室内CO2浓度监测数据如图20所示，室内CO2浓度最高值为568.90ppm，最低值为366.35ppm，均值为476.14ppm。室内CO2浓度低于国家标准值1000ppm。

5 结语

综上，中德生态园被动房技术中心项目单位面积建筑能耗仅为青岛市同类公共建筑平均值的52%，并在保证项目低能耗的同时提供了舒适的室内环境的舒适性，是一座具有示范意义的低能耗公共建筑。该案例为对北方公共建筑实现超低能耗提供了以下几点启示：（1）将绿色节能理念贯穿于建筑形式设计，并选用高性能的围护结构材料；（2）采用高能效的冷热源机组和空调机组；（3）利用空调机组热回收提升节能效果；（4）对灯具及其他设备进行智能管理，避免用电浪费；（5）因地制宜，充分利用可再生能源。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑)的通知[ER/OL](2015-11-10)[2018-06-07]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201511/t20151113_225589.html.

[2] 河北省住房和城乡建设厅. 被动式低能耗居住建筑节能设计标准DB13(J)/T177－2015[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.

[3] 赵士玉. 走进被动房——被动房概述与案例[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2016.

[4] 赵士玉. 被动式建筑典范——青岛中德生态园被动房技术中心项目解析[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2017.

[5] 贝特霍尔德·考夫曼，沃尔夫冈·菲斯特. 德国被动房设计和施工指南[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2015.

[6] 青岛被动屋工程技术有限公司. 青岛中德生态园被动房技术中心2017制冷季能耗与环境监测分析报告[R]. 2017．

[7] 青岛被动屋工程技术有限公司. 青岛中德生态园被动房技术中心2017～2018采暖季能耗与环境监测分析报告[R]. 2018．