北京市某被动式超低能耗幼儿园暖通空调系统设计

中国建筑设计研究院有限公司 韩武松 宋占寿 赵 刚

1 项目概况

该项目位于北京南五环与南六环之间，地铁4号线清源路站西南侧，紧邻主干道兴华大街，南侧为富华路，西侧为规划纵一路，东侧和北侧为住宅区。该项目为集教学、活动、办公及辅助用房于一体的幼儿园建筑(见图1)，体形系数为0.3，地上3层，无地下室，建筑高度14.4 m，总建筑面积4 097 m2。

图1 幼儿园鸟瞰图

为打造北京市教育系统被动式超低能耗示范项目，按照LEED School金级、绿标三星、WELL Educational Facilities金级建筑标准设计，提供孩子生理、心理和行为发展相适宜的舒适幼儿园环境，为类似设计积累经验，提供可参考的样本，希望带动建设低能耗教育建筑的积极性，推动我国低能耗建筑的落地。

2 超低能耗建筑技术要求

被动式超低能耗绿色建筑(以下简称超低能耗建筑)是指适应气候特征和自然条件，通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构，采用高效新风热回收技术，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，以更少的能源消耗为导向，提供舒适室内环境并能满足绿色建筑基本要求的建筑，最大限度地降低对主动式机械供暖或制冷系统的依赖[1]。

依据《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》[1]，超低能耗公共建筑关键部品性能技术要求如表1所示。

表1 超低能耗公共建筑关键部品性能参数

3 供暖空调能耗分析

根据北京市气候特点和幼儿园特定的环境，人员作息和设备使用方面的信息如下：1) 幼儿园每日运营时间为08:00—18:30，暖通空调设备中午不停运；2) 儿童人数为360人，教职工人数为60人。室内散热参数的估算及负荷、能耗计算均基于以上信息。

建筑围护结构热工特性如下：建筑外墙为200 mm厚加气混凝土砌块，K=0.15 W/(m2·K)，导热系数λ=0.16 W/(m·K)；外保温为250 mm厚岩棉板，λ=0.044 W/(m·K)；屋面为300 mm厚EPS板(可发性聚苯乙烯板)，K=0.15 W/(m2·K)，λ=0.039 W/(m·K)，无冷热桥。外门窗采用被动式塑钢门窗，K=1.0 W/(m2·K)，采用三玻两腔双Low-E中空玻璃(充氩气)，外窗与外墙连接采用室内侧防水隔汽膜和室外侧防水透汽膜密封布置，这种性能的外窗具有良好的采光、隔热和保温性能，利用自然采光的同时对波长不同的太阳光选择性透射，夏季将室外太阳热能反射，冬季将室内辐射到玻璃上的近似红外线全部反射回室内。

幼儿园建筑的热、冷负荷及需冷、热量的计算结果与建筑内部人员、照明、设备散热情况直接相关，该建筑热工、设备及内部热源计算参数见表2。

表2 该幼儿园项目计算参数

利用建筑能耗模拟软件(EnergyPlus)对幼儿园逐时冷热负荷和能耗进行计算模拟，得出该幼儿园供暖空调冷热负荷指标：冷负荷指标为37.42 W/m2，热负荷指标为21.24 W/m2；为达到设计建筑室内热湿环境，需冷量为29.62 kW·h/(m2·a)，需热量为18.64 kW·h/(m2·a)，需冷量较常规幼儿园建筑大大降低。

3.1 需冷量与冷负荷特点分析

利用软件模拟计算幼儿园空调冷热负荷与能耗，该幼儿园全天24 h空调冷负荷变化见图2，最大冷负荷发生在13:00，此时冷负荷指标为37.42 W/m2。该项目冷负荷构成如图3所示，其中太阳辐射得热和人员负荷对整个幼儿园项目的冷负荷影响最大，分别为17.54、9.56 W/m2，占比分别为46.9%、25.5%。原因是13:00太阳辐照度最大，幼儿园老师和孩子集中在室内，人员密度较大。

图2 全天冷负荷随时间变化

图3 冷负荷构成分析

3.2 需热量与热负荷特点分析

通过分析计算，该幼儿园供暖热负荷的构成如图4所示，围护结构散热形成的供暖热负荷为19.63 W/m2，通风形成的供暖热负荷为10.14 W/m，合计为29.77 W/m2，建筑内部热源得热为8.53 W/m2，得到冬季供暖热负荷指标为21.24 W/m2。冬季供暖需热量构成如图5所示，太阳辐射、人体、照明和设备的得热量，可以补偿冬季供暖热负荷的58%，其中太阳辐射得热和人员得热占比最大，占总得热量的42%，计算供暖期需热量为18.64 kW·h/(m2·a)。

图4 热负荷构成分析

4 供暖空调系统设计

该项目建筑面积4 097 m2，系统夏季空调总冷负荷153.4 kW，冬季空调总热负荷87 kW。

超低能耗建筑辅助供暖供冷应优先利用可再生能源，减少一次能源的使用。可再生能源主要包括太阳能、地热能、空气热能及生物质燃料等[2]，但是LEED中不认为地热能是可再生能源。结合相关绿色建筑设计标准对可再生能源的要求，该项目采用超低温空气源热泵为幼儿园提供冷热源，水专业利用太阳能热水系统，电气专业利用光伏发电以满足LEED的要求。

结合项目特点，区分房间朝向，对系统进行分区控制：南北各设置2套空气源热泵机组，每套制冷量40 kW、制热量45 kW，超低温空气源热泵机组提供空调供暖冷热水，热泵机组与水泵放置于屋顶，夏季供/回水温度为7 ℃/12 ℃，冬季供/回水温度为45 ℃/40 ℃。热泵机组的制冷性能系数COP为3.4，综合负荷部分性能系数IPLV达3.7，满足相关国标中节能评价限值的要求，并同时满足美国ASHRAE 90.1-2010空气源热泵性能标准，设置于屋顶有利于换热。

该项目设置风机盘管+转轮全热回收新风系统+低温辐射地板供暖系统。供暖空调末端装置可独立启停的主要功能房间达到95%，可实现独立温湿度调节和启停控制。

4.1 供暖系统

冬季玻璃的冷辐射和热空气上浮作用叠加，会使人员活动区体感温度较低，导致人员的热舒适性感受大打折扣。从生理学上来说，人体各部位的温度不同，头部较高、足部较低，人体脚底血液循环相对头部差，脚暖头凉更符合人体的舒适性要求，是较为适合人体的室内温度分布。幼儿园孩子平均身高在1.3 m以下，经常与墙壁、地面身体接触，采用低温热水地面辐射供暖系统特别符合幼儿园孩子的人体热舒适要求和生理特点，更加贴合孩子的活动特点和身心健康需求。

在分集水器总管上设置1个自动温控阀，控制整个用户或区域的室内温度[3]，夏季关闭。该项目每间教室设置1个控制室内温度的感温装置，与设在室内分水器入口的温控阀连接控制，满足每间教室个性化热环境调节需求。室内热水地板辐射供暖分集水器设在卫生间，方便操作检修。感温装置的位置与建筑及室内精装设计配合确定，温控面板设于教室内墙距地1.5 m高度处(或与室内照明开关并排设置)，避开太阳照射及其他发热体。

4.2 空调水系统

空调水系统为两管制。空气源热泵机组集成空调侧自带水泵及膨胀罐，选用1台电子水处理仪，起缓蚀、除锈、脱色和超净过滤的作用。系统南北区域各2台机组均独立出管，水管均为异程布置。各主分支处设静态平衡阀，各支路回水管上设手动调节阀，调节水力平衡。立管和水平干管最高点设自动排气阀，最低点设泄水阀。

空调末端采用风机盘管+新风的形式，冷热水均由屋顶空气源热泵机组提供，设自动转换阀，通过自动转换实现夏季送冷水、冬季送热水。空调水变流量运行，各末端系统的流量随需求侧负荷和室外气象条件变化而变化。

5 高效新风热回收系统与室内气流组织

按照LEED School金级和WELL Educational Facilities金级要求，该项目教室的设计新风量需比ASHRAE 62.1-2013的规定值提高30%，即幼儿园教室新风量不小于28 m3/(人·h)×(1+30%)=37 m3/(人·h)，走道、门厅等公共区域新风量不小于1.5 m3/(m2·h)。

超低能耗建筑应优先利用高效新风热回收系统满足室内供冷或供暖要求，不用或少用辅助供暖供冷系统[1]。该项目在幼儿园屋顶设置屋顶式热回收新风机组(带旁通)回收排风冷热量，带冷热盘管，为活动区域提供新风，保持室内卫生和正压。显热换热效率不应低于75%，全热换热效率不应低于70%。降低新风负荷，可实现过渡季全新风工况，当室外温湿度适宜时，新风可经旁通管直接进入室内(疫情期间运行策略相同)，不经过热回收装置，降低能耗；合理采用变频控制技术，以节省能源，降低运行能耗。与室外连接的排风与进风管上安装电动密闭型保温阀，开启时先开电动风阀后启动风机，停机顺序相反，保证建筑的气密性。新风机组在送风口处设置新风监控装置，安装风量传感器、风量控制阀，监控实际新风量与设计值的偏差，超过15%报警，保障教室空气新鲜、温湿环境合适，给孩子们营造一个身心健康的学习生活环境。

室内空气质量监测与联动做法如下：

1) 在教室内部安装空气监测装置，监测1.2～1.8 m高度处的颗粒物、CO2或臭氧中至少2种污染物，测量间隔不应超过1 h。每层楼设置1块不小于15 cm×13 cm的屏幕，实时显示每间教室的室内环境参数，包括温度、相对湿度、CO2浓度。

2) 主要功能房间中人员密度较高(人员密度超过0.25人/m2)，且随时间变化大的区域在距地面0.9～1.8 m的位置设置CO2传感器，并与通风系统联动。

3) 对室内甲醛进行监控，实现超标实时报警。

新风系统时刻保持室内空气健康、含氧量充足，并维持较低的CO2含量，提升教室内空气质量。对教室内的CO2浓度进行监测，并与新风系统联动。教室设置独立控制面板，控制面板和遥控器可以单独控制室内温度、送风风速等参数。幼儿园教室、音体室等人员密集场所设置CO2浓度探测仪进行室内空气质量的检测，根据室内CO2浓度联动变频新风机组[4]。机组内设置空气过滤净化器(F7或MERV13以上)，以提高室内的空气质量。每层至少选取1个具有代表性的教室设置颗粒物浓度监测传感设备，使得室内PM2.5年均质量浓度不高于25 μg/m3，且PM10年均质量浓度不高于50 μg/m3。风机盘管回风管道预留空间，以便将来安装碳吸收器或具有活性炭的组合式过滤器，风机盘管选型也应满足上述要求。

设计主风道风速宜小于3 m/s，送风口风速不宜大于1.5 m/s；新风管道在吊顶空间允许的情况下建议将方管换成截面面积相同的圆管，降低管道的沿程阻力。

新风管线太长会造成不必要的送风压力损失，增加风机功耗，送风管道可不延伸至房间深处，进入房间边缘处即可，采用侧送侧回的气流组织，用送风百叶调整角度以满足将新风送入室内的需求。每个新风口送风风速为3 m/s，送风口位置在门上方(距地高度2.8 m)，回风口在侧下方(即教室为新风区，走廊为过流区)。对幼儿园教室温度场和速度场进行CFD模拟(软件为Airpak)，验证新风是否可以均匀分布于整个教室，结果如图6和图7所示。

图6 教室送风口处竖向截面温度分布

图7 教室送风口处竖向截面风速矢量图

由图6可以看出，新风送风温度24 ℃左右，人员活动区温度均在25～26 ℃，竖向温度梯度在2 ℃以内，温度场分布很均匀，满足设计要求。由图7可以看出：侧送风口风速为3 m/s，在教室内风速场分布均匀，除送风口附近外，教室内风速在0.15～0.65 m/s之间波动；同侧下部回风使人员处在回流区，新风在整个教室的流动状态与流体力学中层流的流动类似，气流互不干涉，保证了新鲜空气快速到达教室内各处，新风空气龄短。幼儿园内孩子活动范围主要在高度1.6 m以下，这个范围内平均风速约0.3 m/s，温度为25～26 ℃，无明显吹风感。可见室内新风温度、流速分布均满足设计要求，室内气流组织较好。

通过对室内空调、供暖系统进行气流组织分析，无短路或恶化传热等问题；卫生间等区域设置排风，保证负压，避免卫生间等区域的空气和污染物扩散到室内其他空间或室外活动场所。空调气流组织合理，气流流向路线清晰，无气流短路，无效送风量大大减少，运行费用降低，节能效果显著。

6 卫生间通风分析

该项目共3层，其中1～3层卫生间总建筑面积分别为104.14、88.37、58.50 m2，卫生间使用面积为251.01 m2，每层净高为4.2 m，按照设计规范要求卫生间换气次数大于10 h-1，则可知卫生间为达到换气次数要求所需要的总排风量为10 542.42 m3/h。

北京市夏、冬季空气调节室外计算温度分别为33.5、-9.9 ℃，夏、冬季空气密度分别为1.158 2、1.311 2 kg/m3。新风造成的单位面积得热量按式(1)计算。

(1)

式中q为某时刻新风造成的单位面积得热量，W/m2；c为空气比热容，取1.001 kJ/(kg·℃)；V为风量，m3/h；ρcm为空气密度，kg/m3；ti为室内计算温度，供暖期取20 ℃，制冷期取26 ℃；to为空气调节室外计算温度，℃；R为新风机组显热交换效率，冬季取75%，夏季取70%；A为面积，m2。

按照式(1)可计算出新风造成的能耗与负荷，如表3所示。

表3 新风造成的能耗与负荷

由于卫生间独立排风所产生的额外冷热量对整栋建筑所造成的能耗与负荷结果见表4。

在常规系统中，常见的卫生间排风系统所产生的能耗在超低能耗建筑中占比较大，特别是在热负荷和需热量中占比约1/3。卫生间局部排风系统风量较大，使用者是否会按照设计要求及时开关换气扇不可预估。被动式建筑气密性非常好，当卫生间排风系统启动时，应审慎考虑排风系统与新风系统的联动关系。大量未经热回收的空气被排到室外，对建筑能效不利。

为此，把卫生间通风纳入建筑整体通风，即幼儿园的送风口设置在教室，回风口设置在走道，走道作为溢流区。卫生间与教室作整体排风，该排风与室外新风进行换热，新风量为排风量的80%，保证卫生间负压。但需要保证新风机的有效换气率及换热芯的高分子膜材料换热不换质，卫生间排风不会串味，全热回收量70%。

卫生间排风也作热回收处理，卫生间热回收机组为板翅式全热回收机(高分子膜阻隔气流)，自带粗效过滤器。卫生间外墙新风设置电动密闭风阀，连锁启停。每个卫生间设独立的排风热回收。排风经热回收后导入排风竖井，借助屋顶无动力风帽排到室外，环保高效节能。每层卫生间排风热回收设置定时启停装置，避免长期运行导致不必要的新风引入。

卫生间通风直接关系到室内环境和超低能耗建筑目标的实现，应着重处理好卫生间通风问题。

7 结语

随着全球推动实现碳达峰、碳中和的目标，未来绿色低碳转型是趋势[5]，不断探索超低能耗技术必将有越来越多的超低能耗建筑落地，可降低能源消耗、提高社会及经济效益，对人类社会健康发展具有深远的意义。该项目被动式超低能耗幼儿园建筑的实施，为类似设计积累经验、提供可参考的样本，希望带动建设低能耗教育建筑的积极性。