智能集成热舒适系统在青岛中德生态园被动房中的应用

韩敏杰 王 平 吴明勋 司晓燕/ HAN Minjie, WANG Ping, WU Mingxun, SI Xiaoyan

INTELLIGENTES KOMFORT-SYSTEM IM PASSIVHAUS DES DEUTSCHCHINESISCHEN öKOPARKS QINGDAO

APPLICATION OF INTEGRATED THERMAL COMFORT SYSTEM IN PASSIVE HOUSE:QINGDAO SINO-GERMAN ECOPARK

随着中国经济的飞速发展，人民生活水平及生活质量的提高，环境压力与能源消耗日益增多。建筑行业作为国民经济发展的重要推动力，能源消耗占比较高，数据显示，建筑能耗占全国能源消耗总量的20%左右。推广绿色、循环、低碳、节能、创新的发展理念，已经成为建筑领域重要发展方向。

被动式房屋是国际公认的建筑节能标准，它起源于德国，其发展潜力已在德国得到了验证。热舒适系统作为一种高效的智能集成式系统，将制冷、采暖、除湿、新风、除霾、生活热水等功能集成一体，进行室内温度、湿度、洁净度处理，同时提供高效生活热水，是被动式房屋的关键技术之一，在提高室内空气品质，保证建筑室内环境的舒适性和节能环保等方面起着至关重要的作用。

1 热舒适系统对被动房整体性能的支撑作用

智能集成式热舒适系统以地下水为冷热源，利用热泵原理，根据用户的设定条件净化并引入新风，同时进行温、湿度调节，力图为被动房提供恒温、恒湿、恒氧、恒洁、恒静的室内环境，同时系统利用热回收循环提供免费的生活热水，实现能源有效回收以及高效应用，是保证被动房舒适性及节能性的重要手段。

1.1 节能

在传统建筑中，制冷采暖能耗占建筑能耗的60%以上。被动房作为一种全新节能型建筑，全年供暖供冷需求较低，与现行国家节能设计标准相比，供暖能耗降低85%以上。被动房的超低能耗一方面需要依靠建筑本身的气密性、保温性、遮阳等围护结构减少能量损失；另一方面需要尽可能利用高效可再生能源，减小一次能源消耗率。智能集成式热舒适系统正是利用可循环地下水作为冷热源，通过高效的地源热泵系统和热回收系统，集中控制室内温度、湿度以及新风，减少建筑制冷采暖和新风系统的能源消耗。

1.2 健康及舒适度

被动房的整体建筑气密性较好，室内人员活动产生的CO2，家居衣物等挥发性有机物很难自然排出室外，浓度越积越高，不利于人体健康；而建筑室内的温湿度也极大地影响了使用者的舒适度。智能集成式热舒适系统一方面可以进行空气置换，排出室内污染物，将室外新鲜富氧空气净化除霾后引入室内，保证室内含氧量和洁净度，为室内人员提供清新健康的空气，另一方面可以对新风和室内空气进行制冷、制热、除湿处理，保证室内适宜的温湿度和体感舒适。

2 中德生态园被动房住宅项目应用分析

2.1 工程基本情况

该住宅项目坐落于中德生态园区内，为被动房住宅推广示范小区，建筑面积超过11万m2，搭建了首个国内被动房BIM（Building Information Model，建筑信息模型）能耗管理平台，是国家“十三五”“近零能耗建筑技术体系及关键技术开发”重点专项课题。项目通过高保温隔热性能的非透明围护结构、保温隔热性能和气密性能优良的外窗、无热桥的设计与施工、高气密性，保证了建筑制冷和采暖的低能耗需求。下文将以该项目中应用的“Elysée water”系统为例分析集成热舒适系统在被动房中的具体应用。

2.2 整体热舒适度需求

青岛地区夏季湿热多雨，冬季风大温低，除了需要高效热回收新风系统保证室内空气品质外，还需要冬季供暖和夏季制冷设备、除湿设备进行温度和湿度调节，生活热水的需求也是重要的一部分。

（1）新风

根据《住宅设计规范》，《民用建筑供暖通风和空气调节设计规范》关于室内新风的相关设计标准，按照换气次数、单位人员新风量、排除污浊空气，3种计算方法取最大值。

（2）空调负荷

以图1所示的一套普通房型的制冷和采暖负荷的设计方案为例，介绍房屋的负荷情况。该房型可以分为11个分区，总套内面积约为122m2，根据《建筑节能气象参数标准》、《民用建筑供暖通风和空气调节设计规范》和被动房保温气密性要求的设计（刘燕 等，2008），设计院计算负荷需求如表1所示。

图1 中德生态园典型住宅户型

表1 负荷计算表

根据计算，该被动房的制冷负荷为2680.57W，制热负荷为1886.51W，单位面积制冷负荷约为22.0W/m2，制热负荷15.5W/m2，远低于普通住宅负荷（普通住宅空调负荷约180.0W/m2），约为后者的12%。冬夏季节新风负荷在总负荷中占比有所不同，夏季约为总负荷的15%，而冬季则为36%。

（3）热水

热水应满足日常的厨房和浴室洗漱需求。根据该项目的实际情况，热水箱的大小可以选配100～300L。

图2 智能集成式热舒适系统产品外观

图3 系统运行原理示意

2.3 热舒适系统设计难点

（1）在分散空间小负荷条件下集成新风

由于每个空间的负荷非常小，已经超过了常规的分体式家用空调能力范围。而一般的新风系统又没有足够的空气处理能力，无法满足冷热负荷的要求。如果采用独立的管道式空调系统和新风系统，就必须要接很多风管，而建筑的过梁孔对梁的结构影响较大——过多的孔会严重影响梁的尺寸进而影响层高和造价。

独立的两套系统，对室内的气流组织要求也比较严格。在某些条件下，容易在冷热交汇的区域形成冷凝水，影响舒适性甚至会影响墙体等的表面结构。因此将新风和空气处理结合是本项目采用的一个良好的解决方案。而如何在确保新风的前提下精准控制房间的温湿度是一大挑战。

（2）热水系统的节能性设计

若使用常规的热水系统，则除了空调新风的电力消耗外，还需要消耗额外的能源如燃气或用于加热的额外电能。热泵热水器通过近年来煤改电的大力推动，渐渐被广大的用户接受，且技术也逐渐成熟。然而，将热泵热水器的技术与空调、新风系统三合一则对系统设计和控制提出了很大的挑战。

（3）系统集中控制的稳定性

建筑的集成舒适系统，尤其是对于住宅建筑而言，控制系统的稳定性是首先需要考虑的因素。热舒适系统的控制包含热泵部分控制、新风部分控制以及生活热水、新风预热装置等子系统的集中控制。新风供给控制算法和房间负荷控制算法是关键之一。同时，无论是在制冷、制热、通风模式下都必须随时提供生活热水，对系统的稳定性要求很高。

2.4 智能集成式热舒适系统

智能集成式热舒适系统是一种将制冷、采暖、除湿、新风、除霾、生活热水功能集成在一台机组上的设备系统，能在满足舒适的基础上，合理准确地进行系统集成控制和热回收（图2）。

2.4.1 工作原理和技术特点

集成式舒适设备系统采用地下浅层地热作为冷热源，将传统空调、新风、除湿机和热水器功能集成一体，整体集成智能控制。机组通过一定能耗，将室外新风净化引入，对室内空气和新风进行制冷/制热或除湿处理，为用户带来清新干爽、冷热适宜的空气体验。同时，可以提供省时不间断的生活热水（图3）。

利用青岛气候特性及水地源的便利性，冬季系统从地下水吸取热量，对室内空气和新风进行加热处理，保证室内温暖如春，同时可以高效产生生活热水；夏季，将室内多余热量排到地下，保证室内清爽舒适，同时可以利用系统热回收制取免费的生活热水。

系统控制室内空气的过程，由3个气流循环组成，即室外新风、室内污风、室内循环风。通过不同气流循环和处理，在不同季节提供不同的控制运行模式。

（1）制冷模式

青岛地区夏季白天炎热，需要高效遮阳减少热传递，晚上室外温度较高，室内人员活动产生大量热量，夜间制冷需求达到峰值，单独的通风制冷对温度调节范围有限，可以开启系统制冷模式保证室内凉爽舒适。

运行制冷模式时，室外新风经过三级过滤，通过制冷温度交换效率超过90%的热交换芯进行能量回收，在混风箱与室内回风混合并经过翅片盘管制冷后，通过风阀控制，独立送到各个房间。根据用户在控制器上的温度设定，调节各风口的独立风量调节阀，自动准确地控制各房间的温度。室内污浊空气与引入室内的新风，经过热交换芯进行高效能量回收后，排出室外（图4）。

对于该项目的家庭洗澡和做饭的生活热水需求，集成舒适系统利用地下水源冬暖夏凉的特点和冷媒系统热回收循环原理，通过套管式换热器回收需要排到地下的多余热量后，将容量为200L水箱中的水加热至45℃，即以废热回收方式提供生活热水。当水箱中的水不足时，则通过补水口进行补水，确保用户可以稳定获得45℃的生活热水；当热水充足无需加热时，将多余热量排入地下水源；当水箱中的热水用完后，则通过热泵的直接热交换保证热水的持续供应，为用户提供恒定的热水。

制冷模式下，普通住宅的多联机空调系统无法回收空调的废气热量用于加热生活用水，能源直接排放到空气中，不但浪费了能源，同时导致周边环境温度升高，进入室内的新风温度也会随之升高。集成舒适系统使用的地下水源温度较低且稳定，导热系数优于空气，大大地提升了热交换效率，使COP（Coefficient of Performance）值提升至3.5～4.6。而普通风冷式空调机组的COP值一般为2.8左右，且随着外界环境温度的增高，制冷能力会有较大的衰减。

（2）制热模式

青岛地区冬季室外温度较低，室内外温差较大，室内活动和设备产生热量有限，需要有单独制热措施以保证室内的适宜温度。

冬季室外温度较低，为了保证室内送风温度舒适度，同时预防热交换芯结冰，当室外新风低于-10℃时，预加热器开启，低温新风需要预热处理后再送入室内。在制热模式下，经过粉尘、细菌及颗粒物过滤的室外新风由热交换芯换热后，与室内回风混合，混合后空气通过翅片盘管加温再由风阀控制，独立送到各个房间。制热模式下同样可以通过温度控制器以及独立风量调节阀，自动准确控制各房间的温度，并回收排气废热（图5）。

图4 夏季制冷循环气流

图5 冬季预加热制热循环气流

普通的高效热交换新风系统，热交换效率（显热）为60%左右，一般不具备新风预热功能。以青岛地区为例，当冬季室外温度为-7℃，室内温度为20℃时，送入室内的新风温度将会低于9℃，人体明显感觉较冷，新风的舒适性较差。而采用智能集成式系统后，由于高达93%的热交换效率（显热），在同样的工况下送到混风段的新风温度将会上升至18℃左右，再和空调回风混合并通过翅片盘管的制热后，送风温度将达到35℃以上，不但提高了新风的送风舒适性，同时显著降低了空调的能耗。

制热模式下，在房间的设定温度达到要求时，通过变频压缩机多余的功率加热生活用水。若房间仍然需要进行制热，而热水水箱中的水温不够或是需要补水时，系统优先加热生活热水；若家庭需要生活热水而热水水箱中的水已全部用完，则系统满负荷加热生活用水。

（3）新风模式

春秋季节，室内外温差较小，可以不进行制冷制热，仅开启新风模式进行空气置换。 系统的旁通功能，可以使空气不经过热交换芯，最大限度地节能运行。

引进机组的室外新风经过3级过滤，直接通过风阀送入室内，保证室内空气含氧量和空气品质。旁通模式可以根据室外环境温度和设定的温度差异自动开启，气流不通过热交换芯，减小气流风阻从而实现节能，同时可保护热交换芯，延长其使用寿命，减少更换频率。

系统通过套管式换热器对生活热水进行加热，并通过另外一个套管式换热器和地下水进行冷量交换。

（4）除湿模式

过渡季节或潮湿夏季，相对湿度较大，人体容易感觉闷热，为了保证室内舒适度需要进行湿度控制处理。

在低温（14～22℃）、高湿（相对湿度70%～95%）的环境下，传统通过制冷方式进行除湿的方式，容易造成房间温度过低（≤16℃），从而导致温控停机，影响除湿效果。集成舒适系统中配备了再热盘管，使除湿后的空气再度升温，在保证除湿效果的基础上，保证了室内温度的舒适性。

在进行除湿时，冷凝侧的多余热量通过套管热回收，进行生活用水的加热，从而不间断地提供生活热水。

2.4.2 应用数据分析

该项目的设计新风量与回风量之比为1:2。额定制冷时，室内回风温度为27/19℃, 新风进风温度为35/24℃， 混风温度为29.6/21.1℃。对比无新风工况与有新风工况，系统的制冷量之比为1:1.43，即当开启新风的时候，系统的制冷能力增加约43%。系统的EER（Energy Efficiency Ratio，能效比）之比为1:1.05，可知新风对EER的影响并没有对制冷能效的影响大。

额定制热时，室内侧回风温度为20/15℃，新风进风温度为7/6℃，混风温度为15.5/12.2℃。对比无新风与有新风的工况，制热能力大致不变，但是COP比为1:1.2。

值得注意的是，系统在各工况下的性能与控制逻辑密切相关。如控制目标是蒸发温度，或是冷凝温度，抑或是出风温度，都直接影响到能力的输出。

在热水供给能力方面，如图6所示。热泵制热水能力与地源进水温度密切相关。夏季（30℃）制热水的能力约比冬季（5℃）高80%。而冬季恰恰对热水的需求量最大，因此在制热水能力无法满足家庭的需求时，同时提供其他的热水选项作为热泵之外的辅助热源也是一个可选择的方案，如电辅助加热、燃气辅助加热、太阳能加热等。本案例的系统采用了可选配的电辅助加热。

3 结语

在中国，人们对被动房的兴趣和发展日益增长，而热舒适环境是被动房最关键的需求之一。系统的集成化是热舒适系统的趋势——将新风、制冷、制热、通风、除湿以及热水功能集成，可以有效减少设备数量，降低安装的难度，并实现能源的回收优化。其中，控制系统对于功能的实现和系统的稳定性至关重要，需要特别注意。

图6 不同工况下的热水供给能力

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 住宅设计规范: GB 50096-2011[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[2] 中国建筑科学院. 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范: GB50736-2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2012.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑节能气象参数标准: JGJ / T346-2014[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2015.

[4] 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,[ER/OL](2015-11-10)[2018-06-07]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201511/t20151113_225589.html.

[5] 青岛市公用建筑设计研究院有限公司. 被动房住宅推广示范小区项目[Z],2017.

[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．