夏热冬暖地区被动屋节能的对比研究

刘 青

(福建省闽武建筑设计院有限公司厦门思明分公司 福建厦门 361000)

0 引言

德国被动屋是不设传统采暖设施，仅靠高效保温隔热、太阳辐射、建筑内部得热等被动技术和带有余热回收的新风装置，实现室内温度舒适的建筑。此类建筑采用各种节能技术构造最佳的建筑围护结构，能最大限度地提高建筑保温隔热性能和气密性，使热传导损失和通风热损最小化，最大限度地控制能耗全过程。PHI《被动房标准》[1]中，要求被动屋采暖一次能耗量≤15 kWh/(m2a)，一次能源总消耗量不超过120 kWh/(m2a)。而国标《近零能耗建筑技术标准》(GB/T51350-2019)[2]在德国被动屋的基础上，结合我国实际情况对近零能耗建筑、超低能耗建筑及零能耗建筑分别做了定义，其中超低能耗建筑是近零能耗建筑的初级表现形式，其室内环境参数与近零能耗建筑相同，能效指标略低于近零能耗建筑，其建筑能耗水平应较国家标准《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ75-2012[3]降低50%以上。

本文以南安被动屋为基础模型，结合我国建筑节能标准，设计计算不同工况下建筑模型的全年总负荷及一次能源用量，对比分析不同工况下的各项数据，优化暖通空调节能设计。

1 建筑模型及暖通空调设计介绍

1.1 气候分析

由于《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736-2012)[4]附录A中没有南安或泉州地区的室外空气计算参数，有参数的7个地区中，南安在地理位置上离厦门较近，所以室外空气计算参数采用厦门地区的数据。厦门属于夏热冬暖地区，冬季平均温度12～15℃，平均最低温度10～12℃，极端最低温度1.5℃。除极端最低温度外，与冬季室内舒适性16℃标准相比，室内外温差仅4～6℃，外围护结构热工性能较好情况下基本可满足舒适性要求；夏季平均温度26～28℃，平均最高温度30～32℃，极端最高温度可达38.5℃，与夏季室内舒适性26℃标准相比，室内外温差最大达12.5℃。由于夏季炎热，空调制冷是必不可少的技术设施。按德国被动屋标准，采用新风热回收系统与太阳能热水系统，满足夏季制冷需求及冬季生活供热需求。但与寒冷地区采用相同的室内舒适性标准(夏季26℃，冬季18℃)情况下，夏热冬暖地区无法实现用新风系统替代空调系统满足夏季室内舒适性要求。因此，南安被动屋采用了空调系统与新风系统并用的暖通空调设计。

1.2 建筑模型简介

以南安被动屋执行《福建省居住建筑节能设计标准》(DBJ13-62-2019)[5]65%节能标准为建筑模型，简称南安节能屋，该建筑共18层，每层层高3 m，建筑平面图如图1所示。

图1 南安节能屋标准层平面图

南安节能屋建筑围护结构构造为：

屋面类型：水泥砂浆(15.0 mm)+细石混凝土(内配筋)(40.0 mm)+挤塑聚苯板(25.0 mm)+水泥砂浆(15.0 mm)+页岩陶粒混凝土1(30.0 mm)+钢筋混凝土(100.0 mm)+水泥砂浆(20.0 mm)；外墙类型：水泥砂浆(20.0 mm)+加气混凝土砌块(B07级)(200.0 mm)+无机保温砂浆(20.0 mm)；外窗类型：非隔热金属型材(6中透光Low-E+9空气+6透明)，传热系数3.0 W/m2·K，自身遮阳系数0.46，气密性为6级，可见光透射比0.50。根据《民用建筑热工设计规范》(GB50176-2016)[6]进行热工计算，该建筑物的各项指标均满足《福建省居住建筑节能设计标准》(DBJ13-62-2019)[5]的要求，各项技术经济指标具体如表1所示。

表1 热工性能指标3

1.3 暖通空调系统

南安节能屋基础工况设计一套多联机空调和新风系统。屋面集中设置太阳能热水，如遇阴天下雨等太阳能不够时，由主机启动制热模式供热。

2 模拟工况节能计算与分析

2.1 概述

以下分析比较以65%节能建筑模型-南安节能屋为参照建筑，外围护结构参数等同于南安节能屋各外围护结构参数，如表1所示；建筑平面图如图1所示。

空调能耗模拟计算采用软件：鸿业全年负荷计算及能耗分析软件V4.0。

室外气象参数(参照厦门)如表2所示。

表2 室外气象参数

南安节能屋室内主要用电设备：多联机系统、新风机、热水器、电视机、洗衣机、饮水机、冰箱、微波炉、排油烟机、消毒碗柜、卫生间排气扇、灯具等。

2.2 暖通空调设计工况

(1)节能屋基本工况

室内设计参数：夏季：温度26℃，湿度：55%～65%；

冬季：温度16℃，湿度：55%～65%；

新风量：30 m2/(h·p)。

(2)低能耗工况

室内设计参数：夏季：温度28℃，湿度：55%～65%；

冬季：温度16℃，湿度：55%～65%；

新风量：30 m2/(h·p)；

夏季增加风扇辅助通风。

(3)超低能耗工况

室内设计参数：夏季：温度28℃，湿度：55%～65%；

冬季：温度16℃，湿度：55%～65%；

新风量：30 m2/(h·p)；

夏季增加风扇辅助通风，且以全热交换器替代新风机(新风排风全热回收效率60%以上)。

2.3 各工况负荷及能耗对比

统计各工况负荷及能耗对比如表3所示，各工况参数、增加设备回收期对比如表4所示。

表3 各工况负荷及能耗对比

表4 各工况参数、增加设备回收期对比

2.4 数据说明

建筑一次能源用量 = 供暖年能耗 + 制冷年能耗 + 空调设备用能 + 新风设备用能 + 热水制备用能 + 照明用能 + 家用设备及其它用能。

热水制备用能、照明用能、家用设备及其它用能均由电气专业提供能耗数据。

供暖年能耗、制冷年能耗、空调设备用能及新风设备用能，由“鸿业全年负荷计算及能耗分析软件V4.0”计算得出《全年能耗报表》中摘得。

各负荷值由“鸿业全年负荷计算及能耗分析软件V4.0”计算得出《全年负荷报表》中摘得。

供暖/制冷年能耗指空调提供全年总热/冷负荷所需能耗。

空调/新风设备用能指启动多联机系统/新风机所需全年能耗。

2.5 数据分析

(1)全年负荷分析对比

全年总冷负荷：节能屋基本工况下，夏季室内设计温度为26℃，在低能耗工况下，夏季室内设计温度调高2℃(室内设计温度提高到28℃)，增加辅助通风设备(风扇)提高舒适性，较基本工况全年总冷负荷降低23.4%；在调高室内设计温度2℃情况下，再增加新风全热回收装置(全热交换器)(超低能耗工况)，较基本工况全年总冷负荷降低34.3%。

全年总热负荷：由于节能屋建筑围护结构采取防冷、热桥构造设计，且室内外温差不大，因此节能屋冬季可以不考虑采暖，仅靠建筑外围护结构保温隔热及太阳辐射、建筑内部得热等，就可以维持室内舒适温度。此点从基本工况下全年总热负荷约等于全年总新风热负荷可以看出，即全年总热负荷=全年总新风热负荷-室内显热负荷。而超低能耗工况时冬季热负荷取理论值，由基本工况下的全年总热负荷减掉全热交换器热回收的60%新风热负荷得出，即：A-0.6D，因此超低能耗工况与另外两种工况的全年总热负荷相差较大。在低能耗工况下，夏季室内设计温度相比基本工况调高2℃，全年总热负荷增加17.8%。理论上，总热负荷数值应该不变，因计算软件在过渡季节取冬夏季室内设计温度平均值进行负荷计算，所以热负荷有所增加。

全年新风总负荷：低能耗工况下，全年新风总负荷较基本工况降低17.4%；超低能耗工况增加了全热交换器，较基本工况全年新风总负荷降低68.6%。

由此可见，夏季室内设计温度提高2℃，可明显降低新风冷负荷，且空调系统增加热回收装置，无论在夏季或冬季，节能效果都十分显著。

(2)建筑一次能源用量分析对比

南安节能屋基本工况建筑一次能源用量是84.777 kWh/(m2a)；

低能耗工况(辅助通风)一次能源用量是76.104 kWh/(m2a);

超低能耗工况(带热回收)一次能源用量是70.673 kWh/(m2a);

提高夏季室内设计温度2℃(低能耗工况)，建筑一次能源用量降低了10.2%；再增加新风热回收装置(超低能耗工况)，建筑一次能源用量降低了16.6%。

由此可见，新风热回收装置在节能减排中的重要性。

(3)增加设备后的回收期

提高夏季室内设计温度2℃(低能耗工况)时，室内各主要房间增加风扇，使室内空气对流，提高整体舒适性。由此所增加的成本与该工况下节约的电费相比，增加风扇的成本回收期约为5.5年。

超低能耗工况时，室内各主要房间增加风扇，且新风系统由全热交换器替代新风机，排风进行热回收，新风进行热交换，新风排风全热回收效率60%以上，增加风扇及替换全热交换器的成本回收期约为3.4年。

3 结语

(1)低能耗工况：夏季室内设计温度调高2℃，辅以电风扇对流通风，给人在室内的舒适感与室内设计温度未调高2℃时的舒适感基本一致的情况下，前者冷负荷大幅减小，空调耗能减小，建筑一次能源用量降低，节能明显，是非常可行的一种节能设计。而成本上增加设备(风扇)的回收期需5.5年。超低能耗工况：新风有组织的供给，是满足室内舒适度的一个基本要求，而新风负荷占比总负荷又比较大(23%～31%)，增加新风热交换设备后全年新风总负荷降低的比率比低能耗工况还要低51.2%，建筑一次能源用量降低了16.6%。新风采取热回收措施，节能效果非常显著。且其增加设备(风扇+全热交换器)的回收期仅为3.4年。

(2)以《福建省居住建筑节能设计标准》(DBJ13-62-2019)[5]65%节能标准为建筑模型，设计两种工况下的节能减排效果都比较显著，说明德国被动屋模型根据我国实际情况调整后的节能建筑模型，在夏热冬暖地区具有普遍推广的价值。本文仅讨论了暖通空调设计方面的节能优势，尤其是实施热回收措施，不仅成本回收期较短，还大大降低了能耗，带来经济效益的同时，切实起到了节能减排的作用，实现了资源的节约和可持续性发展。暖通设计师应积极配合建筑等相关专业，优化改进建筑模型及节能设计，采用合理的能源方案，充分利用可再生能源，广泛应用热回收系统，推广适合我国地域气候的节能建筑，促进节能减排、低碳经济，为2050年实现碳中和增砖添瓦。