河南省被动式超低能耗公共建筑的冷热需求特征

宋丽伟

被动式超低能耗建筑的概念，借鉴于欧洲超低能耗建筑“Passivhaus”的概念：其在采暖和空调季节，尽量少地依赖主动的采暖和空调措施，可维持室内的舒适环境（全年室温维持在20～25℃，相对湿度在30～60%之间）。在不采用主动制冷的前提下的超温/超湿的时间频率：室内空气温度大于25℃的年小时数的百分比≤10%；绝对室内空气湿度大于12g/kg的年小时数的百分比 ≤20%（有主动制冷时≤10%）。

被动式技术的五大基本特点：高标准的外墙外保温；无热桥设计；高性能被动式门窗；建筑具有很好的气密性；带高效热回收功能的新风设备。

被动式超低能耗建筑的冬季室内得热主要依赖于太阳照射和使用过程的发热，如人体和设备，从而减少使用外部能源。保温性能良好的非透明的围护结构和品质优异的外窗，使得即使在寒冷的冬季和炎热的夏季，室内也能维持设计温度。“无热桥设计”也是确保被动式超低能耗建筑高质量和舒适度的基本原则之一，它还可以防止水分积聚对保温系统及建筑墙体造成的损害，延长建筑物的使用寿命。高效节能的热回收综合家居通风系统持续为被动式超低能耗建筑的室内带来新鲜的空气。采用高效的热回收装置，使得废气排出室内时通过与引进的室外新鲜空气的热交换重新进入建筑物内，实现高效全热回收，其中显热回收率在75%以上。

图1 超低能耗建筑五个基本特点

一、项目的被动式技术

项目位于河南省郑州市二七区郑登路与西南绕城高速交汇处向南1.5公里路西。用地面积4338.98㎡，总建筑面积3800㎡，其中一栋办公建筑，层数为2层，局部3层，建筑1561.86㎡，项目通过德国PHI的认证。

项目的主要被动式技术措施如下：

（1）外墙外保温：150mm厚石墨聚苯板保温，其外墙U值为0.21W/㎡K。屋顶采用150mm厚XPS，其屋顶U值为0.21W/㎡K。

（2）高效能被动式门窗：外窗采用内充氩气的三玻两腔中空玻璃（5+18Ar+5+18Ar+5），传热系数0.91W/㎡K，采用玻璃暖边技术，窗框采用铝包木型材，开启方式采用内开内倒方式。外窗气密性为8级，水密性等级6级、抗风压性能等级9级。在南侧及东西两侧外窗设置外遮阳，外遮阳采用电动控制活动外遮阳百叶，屋顶天窗采用电动遮阳百叶。

（3）自然通风措施，建筑朝向为南偏西10度，有利于过渡季节及夏季自然通风，其中A区（公共建筑）过渡季节，在开窗的情况下，主要功能房间平均自然通风换气次数不小于2次/h的面积比例为90%，B区B1(居住建筑）每套住宅自然通风开口面积与地面面积的比例为5%。

（4）围护结构整体气密性：房屋的气密性N50≤0.6h-1，即在室内外压差50Pa的条件下，建筑的漏风量不得大于换气次数0.6次。

二、基于PHPP计算的能耗分析

PHPP是依据 EN ISO 13790-2008《建筑物的能量性能. 空间加热和冷却用能量的计算》，以月为计算单位采用稳态的计算方法，建立建筑物的热平衡方程，求取建筑物的冷热需求。它是将建筑物视为一个整体，建筑物内部的温度分布均匀。

全年度热平衡计算：全年热需求=全年热损失-可利用的得热，基本公式为：

其中：QH/C为冷热需求，kWh/m2a。QT为围护结构传热冷热损失，包括所有围护结构（外墙、窗、地面、屋面）、热桥传热损失的年度累计值，kWh/m2a。QV为通风热损失，kWh/m2a。QS为太阳辐射得热，冬季为正值，夏季为负值，kWh/m2a。QI为内部得热，η为自由得热利用系数。免费得热：太阳得热QS+室内得热QI。PHPP的供暖及制冷的时长根据建筑热平衡进行自动计算，供暖及制冷时长不仅与室外气象参数有关，同时还从建筑参数室内的热扰相关，所以PHPP中并无固定供暖季及供冷季。对于同一气候分区，不同的建筑对应的供暖及制冷时长可能不相同。空调系统每日运行时间对建筑热平衡中通过围护结构形成的热损失及太阳得热并不影响，这是由于室外气候参数确定后，相应的供暖度时数即太阳辐射强度就唯一确定了。但空调系统每日运行时间可影响通风热损失，建筑内部的热量，空调系统辅助设备用电量的计算，进而影响供热功能需求以及一次能源需求。

新建超低能耗建筑采用PHPP的热平衡计算，根据可再生一次能源(PER)需求和产量，共分为3个等级：普通级（Classic）、优级（Plus）和特级（Premium）。

图2 项目PHPP计算能耗结果：达到PHI的classic的标准。

图3 建筑能耗分析结果

三、气候特点对于冷热需求的影响

PHPP能耗计算采用的室外环境参数：月度室外干球温度的平均值和平均辐射强度。下表为PHI提供的郑州全年室外计算温度和太阳辐射量。

图4 月度室外干球温度的平均值和太阳辐射

1.夏季室外空气焓值

夏季当室内温度为25℃，相对湿度为55%时，室内空气焓值为53.36kJ/kg。根据郑州典型年室外空气焓值变化图，当室外焓值低于50kJ/kg，是可以通过加强通风带走室内的余热余湿，6月8日～至9月5日室外焓值大部分时间高于室内焓值，即加强通风也无法消除室内余热余湿，且新风会带进大量的湿热，因此必须开启空调系统。同时，因超低能耗建筑墙体和外窗的传热极低，内表面和室内温差小，室内温度有较好的稳定性，在5月～6月上旬和9月上旬～10月上旬这两个时间段内，大部分时间可利用机械或自然通风，带走室内的余热余湿，尤其应加强夜间通风。

图5 夏季室外空气焓值变化曲线

2.室外空气湿度的影响

当夏季室内25℃，相对湿度为60%时，空气含湿量为12g/kg。根据PHI《德国超低能耗建筑标准》内部得湿：住宅人员散湿100g/ (人·h)，夏天散湿量大于冬季。人体散湿量在夏季会形成室内除湿能耗，然而冬季人体散湿会增加空气含湿量。根据郑州夏季室外空气含湿量图形，含湿量大于15～25g/kg时间段处于7月～9月初，自然通风或新风系统，如无除湿措施会大量导致除湿需求。本项目的新风机组采用全热回收，夏季显热效率：77.3%，潜热效率72.6%，可以阻挡大部分新风的含湿量，显著减小除湿能耗。冬季11月15日～3月15日，新风含湿量基本小于5g/kg，新风需要适度加湿。

图6 夏季室外空气含湿量变化曲线

3.冬季室外平均温度的影响

根据冷需求柱状图，该项目热需求发生在11月～3月，11月和3月热需求远远小于12、1、2三个月。该建筑外墙和地面的热量损失，主要发生在这4个月内，尤其是12月、1月、2月份。可以判断，冬季制热需求主要为11月底至来年3月初。

图7 冷需求柱状图

4.太阳辐射的影响

通过外窗冬季热损失和辐射得热量比较，北、东、西三方向外窗的辐射得热较小，但南向和水平天窗得热量较大，尤其是南向外窗，得热远远超过热损失，总体上冬季外窗的辐射得热大于热损失，冬季太阳得热占总体得热的53%，内部的热占22%，靠自然得热，可满足本项目冬季3/4的热需求，冬季有明显的节能效果。

图8 冬季太阳辐射得热与外窗的传热比较

四、夏季建筑的冷需求特点

图9 全年冷需求

（1）超低能耗建筑5月和9月的冷需求较不明显，在5月底和9月初。冷需求的时间大为缩短，这与当地普通建筑有明显的不同，郑州地区一般公共建筑5月和9月也有明显的冷需求。显然，冷需求的特征与围护结构的被动式特点（如热惰性值较大）有关。6月和8月大部分时间处于冷需求，其中7月全月处于峰值。

（2）太阳辐射得热：北向外窗全年太阳辐射值变化不大（夏季升值不大），即北向外窗在满足采光的情况下可尽量减小面积以节省造价。南向外窗夏季本来属得热量较大，但因为采用了外遮阳措施，太阳辐射得热无明显升高甚至略减（说明外遮阳在夏季减少太阳得热，起到重要作用）。各方向的外窗于太阳辐射量夏季明显高于其他三季，水平面（屋面天窗）太阳辐射量明显高于其他各方向，天窗采用了外遮阳措施。

（3）除湿需求在6～8三个月中，主要发生在7月和8月，项目所在地进入高温高湿的桑拿天较多，除湿需求明显。制冷需求中，显热所占的比例，6月份为91%（天气属于干热），7月、8月份分别为66%和69%（属于湿热天气）。夏季空调显热能耗需求为10.2kWh/m2a（占整个冷需求的71%），潜热能耗需求为4.2kWh/m2a需求，（占29%）。夏季高温高湿的天气使得潜热冷需求所占的比例较大，主要是新风除湿。

冬季建筑的热需求特点：

根据建筑冬季热损失和得热的占比，可以得出，冬季主要的热损失来自于：最大热损失外窗（14.9kWh/㎡a），外墙（10.5kWh/㎡a），屋面（6.5kWh/㎡a），地面（6.1kWh/㎡a)。而得热主要来自于被动式的手段：太阳得热（20.9kWh/㎡a），内部得热（11.6kWh/㎡a），得热的占比远大于供热设备，良好的围护结构和气密性对于被动式得热起到了关键作用。

图10 建筑冬季热损和得热占比

五、结语

项目所在地河南省的气候特点，如夏季室外空气的焓值，空气的相对湿度，太阳辐射等因素，都会对建筑的冷热需求产生直接影响。和普通建筑相比，采用被动式的技术会大幅地降低相同气候条件下超低能耗公共建筑的冷热需求，进而降低建筑的能耗。