严寒地区被动房室内环境与供暖能耗后评估*

薛庆雯 王昭俊 蒋逸帆

(1.哈尔滨工业大学,哈尔滨;2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,哈尔滨;3.太原理工大学,太原)

0 引言

近年来,国际能源危机和全球变暖形势日趋严峻,而我国民用建筑的碳排放量呈现持续增长的趋势[1],如果不采取更进一步的建筑节能措施,到2050年我国建筑领域碳排放量将增加50%[2]。

我国住房和城乡建设部正在大力发展近零能耗建筑,目前近零能耗建筑技术体系在我国认知度较高的是德国的被动房(passive house)技术。被动房是指通过被动式技术,如更高性能的外保温和气密性、热桥处理、高效的新风热回收、充分利用自然通风等,最大程度地降低建筑能耗需求,因地制宜利用可再生能源来满足部分能耗需求,以减少对化石燃料的依赖,降低碳排放量[3]。

被动房标准体系是基于中欧温和的气候条件和建筑特点建立的,在相似气候区建造的被动房呈现出比较好的性能。而其他气候区若要引进被动房技术,则需要对其技术路线进行思考和修正[4]。我国《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑)》[5]规定,示范项目竣工验收一年后应对其室内环境和实际能耗进行后评估。通过对示范项目进行后评估与深入研究,不断完善适合我国气候条件和建筑特点的被动房标准体系。

严寒地区冬季室外气温较低,且供暖期长达近半年,较高的供暖需求使建筑节能任务十分艰巨。本文介绍对严寒地区某被动房示范项目室内热湿环境、空气质量和供暖能耗进行后评估的结果。

1 后评估方法

1.1 建筑后评估方法简介

被动房后评估包括以下内容：

1) 室内环境参数检测。检测内容包括室内空气温度、相对湿度,外墙内表面温度,新风量,室内PM2.5浓度、CO2浓度,室内空气流速及环境噪声。检测应在暖通空调系统正常运行24 h以后进行。室内温度、相对湿度及外墙内表面温度检测时间不短于24 h,检测按照JGJ/T 132—2009《居住建筑节能检测标准》进行。新风量检测按照JGJ/T 177—2009《公共建筑节能检测标准》进行。

抽检的代表性住户应根据不同体形系数、不同楼层、不同朝向等因素进行选择。抽检数量不得少于住户总数量的10%,且不得少于3户,包括顶层、中间层和底层各至少1户,每户不少于2个房间。

2) 实际能耗评估。实际能耗根据实测数据计算,供暖、空调及照明能耗的计量以1年为1个周期,不同能源形式可根据相应的一次能源转换系数转换到一次能源。

居住建筑以单栋建筑为对象,以用户电表、气表等计量仪表的实测数据为依据,计算分析建筑能耗综合值,并与设计值进行对标。当实际值与设计值不符时,应根据实测的围护结构热工性能、新风系统参数(如新风量、新风热回收效率)结合实际使用情况,综合分析产生差别的原因,并给出改善建议。

1.2 典型建筑选取

JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[6]对不同层数的居住建筑的体形系数限值作出了规定：当建筑层数小于3层时,体形系数应小于0.55;当层数大于等于4层时,体形系数不应大于0.30。哈尔滨某被动式居住建筑示范项目层数为11层,体形系数为0.25,其平面布局及能源系统在严寒地区具有一定代表性。

该被动式居住建筑包含地上11层住宅和地下车库,总建筑面积为9 153.34 m2。住宅包含3个单元,共66户,每户使用面积约为80～90 m2。每户包含1个起居室、2个或者3个卧室、1个厨房和1个卫生间,每户的使用人数为2～4人。

为了最大限度地减少热传导损失,严寒地区被动房围护结构必须具有很好的保温性能。该建筑外墙、屋面和1层地板均采用300 mm发泡聚苯乙烯(EPS)保温。窗户和单元外门采用内充氩气的3层Low-E玻璃和具有良好隔热性能的框架。

该被动房供暖/冷系统采用顶棚辐射与置换通风相结合的方式。辐射楼板热媒管采用聚丁烯-1管(PB管),回形敷设,管道公称外径为20 mm,内径为16 mm,中心间距为250 mm。冬季集中供暖时,供水温度为30 ℃或33 ℃;夏季集中供冷时,供水温度为20 ℃。住宅室内楼板辐射供暖热水来自集中供暖系统,供冷冷水来自地源热泵,该地源热泵同时给地下室供暖。每户设有独立的分集水器,居民可以要求物业管理人员调节供水管上的阀门来调节流量,从而调节室温。

由于建筑围护结构的气密性很好,需要设置机械通风来保证室内人员的新风需求和室内空气质量。送风口设置在客厅和卧室靠近外窗的地板上,排风口设置在卫生间墙上,形成下送上回的置换通风。每户设置手动控制开关,可以个性化调节新风口开/闭。

新风系统采用集中式,新风机组安装在每个单元的地下室,每台机组负责1个单元(22户)的新风提供。新风机组为组合式,主要由预加热装置、过滤器、热回收装置、热/冷水盘管、送排风机等组成,如图1所示。预加热装置用于对新风进行预热,防止新风进入热回收装置结霜而影响换热效果。当室外温度低于5 ℃时,开启预加热装置预热新风,使其温度达到5 ℃。板式换热器用于对新风进行集中热回收,冬季室内回风与新风换热后排出室外,热回收效率(铭牌工况)为76%。过滤器用于过滤室外新风中的颗粒物。过渡季和夏季可将室外的新风直接送入室内。

图1 新风机组组成示意图

1.3 室内环境调查

笔者所在课题组对21户自愿参与调研的住户进行了入户普查[7]。根据技术导则要求[5],选择顶层和底层各1户、中间层6户进行连续跟踪调查。为了对比,课题组也对同一小区的普通住宅的室内环境参数进行了测试。测试期间,每2～3周入户间歇测试1次。

室内和室外的空气温度、相对湿度采用温湿度自记仪进行连续记录;室内空气流速采用热线风速仪进行测试,测点布置在房间中心0.1、0.6、1.1 m 3个高度处;外墙和外窗内表面温度各布置5个测点测量,取测量结果的平均值。

室内空气质量测试参数包括CO2、PM2.5、PM10浓度,新风量,此外,还测试了室内噪声。CO2、PM2.5和PM10浓度均在测试房间中央1.1 m高度处进行测量,新风量通过在住户室内送风口测风速的方法获得,为保证精度,采取划分网格取平均值的方法。

1.4 供暖能耗监测与计算

该项目供暖系统为顶棚辐射加置换通风复合系统,因此供暖能耗主要包含两部分：顶棚辐射供暖能耗和新风能耗。作为严寒地区第一个被动房示范项目,为了后评估能耗,该项目设置了能耗监测平台。监测参数包括新风机组送风温度、回风温度、新风温度、风机用电量、排风机频率、送风机频率、送风量、新风再加热热水盘管供回水温度和流量,以及辐射板的供回水温度和流量,数据采集间隔为1 h。

1) 顶棚辐射供暖能耗。

顶棚辐射供暖能耗可根据辐射板供回水温度和流量计算得到(见式(1))。该被动房有3个单元,计算得到每个单元的逐时供热量,叠加后得到整个供暖季的逐时供热量。

Q1=G1cp(tg1-th1)

(1)

式中Q1为顶棚辐射供热量,kJ/h;G1为顶棚辐射供暖系统的总流量,kg/h;cp为水的比定压热容,kJ/(kg·℃),取4.2 kJ/(kg·℃);tg1为顶棚辐射供暖系统的供水温度,℃;th1为顶棚辐射供暖系统的回水温度,℃。

2) 新风机组供暖能耗。

室外新风的处理过程为先经过预加热装置预热到5 ℃,然后经热回收装置与排风换热,再经过热水盘管加热至20 ℃送入室内。新风机组供暖总能耗包括两部分：新风处理能耗和新风输配能耗。新风处理能耗包含预加热能耗、热水盘管再加热能耗两部分,输配能耗为风机运行电耗,计算式见式(2)。

Qo=Qp+Q2+Qf

(2)

式中Qo为新风机组供暖总能耗,kJ/h;Qp为新风预加热能耗,kJ/h;Q2为新风供热量,kJ/h;Qf为新风机运行电耗,kJ/h。

其中,热水盘管加热新风的能耗由回水温度和流量数据计算得到,见式(3)。3个单元分别设置新风机组,叠加整个供暖季的逐时热量,即可得到供暖季再热盘管的供热量。

Q2=G2cp(tg2-th2)

(3)

式中G2为加热新风的热水流量,kg/h;tg2为加热新风的供水温度,℃;th2为加热新风的回水温度,℃。

3) 供暖总能耗。

供暖总能耗Q为顶棚辐射供暖能耗与新风机组供暖总能耗之和：

Q=Q1+Qo

(4)

2 后评估结果与分析

2.1 室内环境

1) 室内热环境。

表1给出了室内热环境参数测试统计结果。由表1可见,该被动房的供暖季平均室温为25.5 ℃,普通住宅平均室温为23.6 ℃,被动房室温高于普通住宅,且高于相关标准要求的舒适范围18～24 ℃[8-10]。

表1 被动房和普通住宅室内热环境参数统计结果

调研发现个别住户在室内出现过热现象时,通过间歇开窗来调节室温。严寒地区冬季室内外温差可达到30～50 ℃,开窗不仅会增加冷风渗透量,导致供暖能耗增加,室外冷空气产生的吹风感还会影响人体热舒适,而且还有可能导致外围护结构表面结露而影响围护结构使用寿命。分析过热的原因是,被动房供暖需求低,前期负荷预测时拟采用生物质锅炉,但后期实际采用了集中供热系统,供热量偏大。

被动房室内相对湿度的平均值为31.3%,普通住宅为34.8%,均满足热舒适标准要求的30%～60%,但接近标准下限值。造成室内湿度偏低的部分原因是室温偏高,如果降低被动房室温,相对湿度会有所上升。假设在室内含湿量(6.34 g/kg)不变的情况下,室内空气温度由25.5 ℃降到20.0 ℃,相对湿度将从31.3%升高到43.3%。被动房和普通住宅室内空气流速分别为0.05、0.06 m/s,均满足热舒适标准不大于0.15 m/s的要求。

被动房外墙内表面温度为23.4 ℃,仅比室温低2.1 ℃;而普通住宅外墙表面温度比室温低5.1 ℃。外窗是外围护结构隔热相对薄弱的环节,被动房外窗内表面温度分布在19.40～24.80 ℃,平均值为21.60 ℃,普通住宅外窗内表面温度分布在14.80～19.00 ℃,平均值为16.60 ℃。可见,由于被动房外围护结构热工性能提升,使得被动房外窗和外墙内表面温度明显高于普通住宅。当外围护结构内表面温度与室温差值较小时,可以有效避免冷辐射带来的不舒适感,提高室内人体体感温度,即操作温度(operative temperature)。操作温度是综合室内空气温度与平均辐射温度得到的加权平均值,ISO 7730[8]将其作为室内热环境的评价指标。因此,保温性能较好的被动房可以有效降低外围护结构带来的冷辐射,从而提高室内热舒适性。

图2显示了室内温湿度与外墙内表面温度的连续测试结果,选取2015年12月25—27日的数据进行分析。

图2 室内热环境参数连续测试结果

测试期间室外温度为-24.2～-14.2 ℃,被动房室温为26.3～27.8 ℃,平均值为26.8 ℃,温度波动仅为1.5 ℃,说明被动房室温受室外温度影响非常小。普通住宅室温为18.9～24.1 ℃,受室外温度影响较大。被动房室内相对湿度为24.1%～36.8%,平均值为33.3%。可以看到,白天人员活动量比较大的时候,相对湿度较大,夜间相对湿度较小。由此可知,被动房室内相对湿度受人员活动影响较大。被动房外墙内表面温度为23.6～25.1 ℃,与室温的差值仅为1.7～3.0 ℃。

2) 室内空气质量。

表2显示了间歇入户测试得到的室内空气质量参数(CO2、PM2.5、PM10浓度)及噪声的测试结果。德国被动房标准要求居住建筑主要房间的新风量不小于20～30 m3/(人·h),我国近零能耗标准规定新风量应满足30 m3/(人·h)的要求。假设平均每户有3个人,则根据德国标准每户新风量应不小于60～90 m3/h,根据我国标准应不小于90 m3/h。实测的所有住户的新风量分布在76～114 m3/h,平均值为96.9 m3/h,满足德国和我国被动房标准要求。

表2 被动房室内外空气质量参数统计结果

我国《室内空气质量标准》[11]规定室内CO2日均体积分数的限值为1 000×10-6,测试期间被动房室内CO2日均体积分数的平均值为732×10-6,所有住户的日均体积分数均低于限值。说明被动房机械通风可以提供足够的新风,有效稀释室内污染物。普通住宅有4户(50%)室内CO2体积分数超过1 000×10-6,最大值为1 654×10-6,说明室内新风量不足,从而在一定程度上也反映其他气态污染物浓度有超标的风险。室内CO2主要是由人员呼吸产生,因此户间差异主要是室内人员数量不同、活动量不同导致的。

测试期间PM10平均质量浓度为112 μg/m3,高于我国《室内空气质量标准》[11]规定的限值100 μg/m3;PM2.5平均质量浓度为92 μg/m3,超过我国《建筑通风效果测试与评价标准》[12]规定的限值75 μg/m3。由于测试选取的住户均无明显室内颗粒物源,可以推断室内超标主要是由于哈尔滨冬季室外雾霾严重引起的。普通住宅密闭性较差,室外空气直接通过门窗缝隙渗透进入室内,冬季室外雾霾更容易影响室内空气质量,存在PM2.5浓度超标的现象[13]。但是由于普通住宅整体的换气次数较小,室外新风携带的颗粒物总量也较少。该项目新风系统采用的是中效过滤器,其对粒径小于2.5 μm的颗粒的过滤效率仅为30%左右。当室外雾霾严重时,颗粒物将随新风系统进入室内。因此,针对严寒地区供暖季燃煤需求大产生的环境问题,过滤器作为一种建筑干预措施,其对细颗粒物的过滤效率有待提高。

检测得到的住户A声级噪声平均值为31.8 dB,符合标准要求。该建筑临街布置,主要的噪声来自于室外街道,新风系统采用集中式,机组布置在地下1层机房,因此新风机产生的噪声很小,不同楼层之间室内噪声无明显差别。

2.2 供暖能耗

1) 供暖能耗计算结果。

哈尔滨供暖期为10月20日至次年4月20日,整个供暖期间室外平均温度为-7.37 ℃,日平均最低气温达-31 ℃。图3显示了供暖季逐日室外温度和对应的供暖能耗变化。由图3可知,供暖前期和末期,室外温度相对较高,供暖能耗较低,供暖中期室外温度降低,供暖能耗急剧增加。

图3 供暖期间逐日室外温度变化和被动房的供暖能耗

表3汇总了供暖季10月20日至次年4月20日各月的供暖能耗和总能耗。从表3可以看出,12月和1月的供暖能耗最高。整个供暖季的总能耗为423 036.08 kW·h,该被动房实际供暖面积为9 153.34 m2,计算得到单位面积供暖年耗热量为46.22 kW·h/(m2·a)。

表3 供暖季各月供暖能耗及供暖总能耗 kW·h

图4显示了各项供暖能耗的大小和占比,可以看出,顶棚辐射能耗占比为46%,新风预热能耗占比为30%,新风系统热水盘管再加热能耗占比为22%,风机能耗占比为2%。该被动房顶棚辐射主要承担围护结构负荷,新风机组仅承担新风负荷。可见,严寒地区被动房新风负荷占比超过一半,其中新风预热能耗最大。这是由于严寒地区冬季较低的室外空气温度造成的,预热装置需要将室外温度加热至5 ℃。经过预热设备,新风进入热回收装置与排风换热,最后经过再加热热水盘管加热至20 ℃。

图4 各项供暖能耗占比

2) 供暖能耗与我国标准值比对。

被动房通过被动式的建筑设计降低供暖和供冷的需求,在此基础上,利用可再生能源,实现超低能耗、近零能耗。近零能耗标准[14]以现行65%节能设计标准为基础,给出了相对节能水平,如表4所示。严寒和寒冷地区,低能耗建筑是指以65%节能建筑[6]为基准,能耗降低25%～30%的节能建筑[15];超低能耗建筑是现阶段不借助可再生能源,仅依靠被动式节能技术实现降低建筑能耗50%以上;近零能耗居住建筑是指在超低能耗建筑的基础上,借助可再生能源降低建筑能耗70%～75%以上。

表4 严寒地区不同节能标准能耗限值

这里需要区分超低能耗建筑和近零能耗建筑的概念,这两类建筑的建筑本体技术措施和指标相同,二者的区别只是借助可再生能源替代矿物能源的程度不同。超低能耗建筑对可再生能源的利用率不作要求,除节能水平外,均满足近零能耗建筑要求。严寒地区超低能耗建筑的年供暖限值为30 kW·h/(m2·a),而近零能耗建筑限值为18 kW·h/(m2·a)[13]。

该项目采用的可再生能源形式为地源热泵,但是其在该项目中的利用率较低。原因是严寒地区建筑的热负荷相较冷负荷大很多,考虑到冷热平衡,夏季地源热泵作为整个建筑的冷源,而冬季地源热泵仅承担该建筑地下室的供暖负荷,建筑主体的供暖仍采用集中供暖系统。因此,从建筑耗热量的角度,该被动房的供暖能耗应与超低能耗的要求进行比对。

由于测试期间的室外温度和室内温度均与设计值不同,若与标准值进行比对,需要对能耗进行修正。下面从室外气候和室内温度2个方面对供暖总能耗进行修正,修正公式见式(5)、(6)。

(5)

(6)

式(5)、(6)中Es1为经气候修正后的能耗,kW·h/(m2·a);Ec为实际运行能耗,kW·h/(m2·a);tn为实测平均室温,℃,取25.5 ℃;tws为设计室外温度,℃,取-8.5 ℃;tw为实测室外平均温度,℃,取-7.37 ℃;Es2为经室温修正后的能耗,kW·h/(m2·a);tns为设计室内温度,℃,取20 ℃。

哈尔滨典型年供暖季室外平均温度为-8.5 ℃,测试期间室外平均温度为-7.37 ℃,用典型年室外温度对实测的室外温度进行修正,得到经气候修正后的供暖能耗Es1为47.81 kW·h/(m2·a);室内较高的温度会造成供暖能耗偏高,供暖季平均室温为25.5 ℃,超过标准规定的20 ℃,用设计室温对实测的室温进行修正后,得到修正后的供暖能耗Es2为40.08 kW·h/(m2·a)。显然,年供暖运行能耗超过超低能耗建筑要求的30 kW·h/(m2·a),能耗偏差为33.6%。根据后评估要求,实测能耗大于设计值时,需要对影响能耗的因素进行全局分析与进一步优化。

3 结论

对严寒地区首个被动房示范项目的室内环境和供暖能耗进行了后评估,得到以下结论：

1) 被动房围护结构内表面温度与空气温度的差值较小,说明良好的保温可以有效避免冷辐射。冬季供暖室内温度超过24 ℃,室温偏高不仅不舒适,而且造成能源浪费,因此需要适当降低供暖温度。

2) 被动房机械通风可以保证室内的新风量,稀释室内CO2浓度。室内PM10和PM2.5均存在超标现象,说明目前的新风系统对细颗粒的过滤效率不满足要求。因此后续需要对过滤器的设计效率进行重点研究,以保证室内PM10及PM2.5达标。

3) 被动房实际供暖运行能耗为46.22 kW·h/(m2·a),其中顶棚辐射能耗占比为46%,新风机组能耗占比为54%。用典型年气象参数和室内设计温度修正后的供暖能耗为40.08 kW·h/(m2·a),超过我国超低能耗建筑年供暖耗热量指标(30 kW·h/(m2·a)),能耗偏差为33.6%,需要对影响能耗的因素进行全局分析与进一步优化。