北京市某被動式超低能耗幼兒園暖通空調系統設計

中國建筑設計研究院有限公司 韓武松 宋占壽 趙 剛

1 項目概況

該項目位于北京南五環與南六環之間，地鐵4號線清源路站西南側，緊鄰主干道興華大街，南側為富華路，西側為規劃縱一路，東側和北側為住宅區。該項目為集教學、活動、辦公及輔助用房于一體的幼兒園建筑(見圖1)，體形系數為0.3，地上3層，無地下室，建筑高度14.4 m，總建筑面積4 097 m2。

圖1 幼兒園鳥瞰圖

為打造北京市教育系統被動式超低能耗示范項目，按照LEED School金級、綠標三星、WELL Educational Facilities金級建筑標準設計，提供孩子生理、心理和行為發展相適宜的舒適幼兒園環境，為類似設計積累經驗，提供可參考的樣本，希望帶動建設低能耗教育建筑的積極性，推動我國低能耗建筑的落地。

2 超低能耗建筑技術要求

被動式超低能耗綠色建筑(以下簡稱超低能耗建筑)是指適應氣候特征和自然條件，通過保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護結構，采用高效新風熱回收技術，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，以更少的能源消耗為導向，提供舒適室內環境并能滿足綠色建筑基本要求的建筑，最大限度地降低對主動式機械供暖或制冷系統的依賴[1]。

依據《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》[1]，超低能耗公共建筑關鍵部品性能技術要求如表1所示。

表1 超低能耗公共建筑關鍵部品性能參數

3 供暖空調能耗分析

根據北京市氣候特點和幼兒園特定的環境，人員作息和設備使用方面的信息如下：1) 幼兒園每日運營時間為08:00—18:30，暖通空調設備中午不停運；2) 兒童人數為360人，教職工人數為60人。室內散熱參數的估算及負荷、能耗計算均基于以上信息。

建筑圍護結構熱工特性如下：建筑外墻為200 mm厚加氣混凝土砌塊，K=0.15 W/(m2·K)，導熱系數λ=0.16 W/(m·K)；外保溫為250 mm厚巖棉板，λ=0.044 W/(m·K)；屋面為300 mm厚EPS板(可發性聚苯乙烯板)，K=0.15 W/(m2·K)，λ=0.039 W/(m·K)，無冷熱橋。外門窗采用被動式塑鋼門窗，K=1.0 W/(m2·K)，采用三玻兩腔雙Low-E中空玻璃(充氬氣)，外窗與外墻連接采用室內側防水隔汽膜和室外側防水透汽膜密封布置，這種性能的外窗具有良好的采光、隔熱和保溫性能，利用自然采光的同時對波長不同的太陽光選擇性透射，夏季將室外太陽熱能反射，冬季將室內輻射到玻璃上的近似紅外線全部反射回室內。

幼兒園建筑的熱、冷負荷及需冷、熱量的計算結果與建筑內部人員、照明、設備散熱情況直接相關，該建筑熱工、設備及內部熱源計算參數見表2。

表2 該幼兒園項目計算參數

利用建筑能耗模擬軟件(EnergyPlus)對幼兒園逐時冷熱負荷和能耗進行計算模擬，得出該幼兒園供暖空調冷熱負荷指標：冷負荷指標為37.42 W/m2，熱負荷指標為21.24 W/m2；為達到設計建筑室內熱濕環境，需冷量為29.62 kW·h/(m2·a)，需熱量為18.64 kW·h/(m2·a)，需冷量較常規幼兒園建筑大大降低。

3.1 需冷量與冷負荷特點分析

利用軟件模擬計算幼兒園空調冷熱負荷與能耗，該幼兒園全天24 h空調冷負荷變化見圖2，最大冷負荷發生在13:00，此時冷負荷指標為37.42 W/m2。該項目冷負荷構成如圖3所示，其中太陽輻射得熱和人員負荷對整個幼兒園項目的冷負荷影響最大，分別為17.54、9.56 W/m2，占比分別為46.9%、25.5%。原因是13:00太陽輻照度最大，幼兒園老師和孩子集中在室內，人員密度較大。

圖2 全天冷負荷隨時間變化

圖3 冷負荷構成分析

3.2 需熱量與熱負荷特點分析

通過分析計算，該幼兒園供暖熱負荷的構成如圖4所示，圍護結構散熱形成的供暖熱負荷為19.63 W/m2，通風形成的供暖熱負荷為10.14 W/m，合計為29.77 W/m2，建筑內部熱源得熱為8.53 W/m2，得到冬季供暖熱負荷指標為21.24 W/m2。冬季供暖需熱量構成如圖5所示，太陽輻射、人體、照明和設備的得熱量，可以補償冬季供暖熱負荷的58%，其中太陽輻射得熱和人員得熱占比最大，占總得熱量的42%，計算供暖期需熱量為18.64 kW·h/(m2·a)。

圖4 熱負荷構成分析

4 供暖空調系統設計

該項目建筑面積4 097 m2，系統夏季空調總冷負荷153.4 kW，冬季空調總熱負荷87 kW。

超低能耗建筑輔助供暖供冷應優先利用可再生能源，減少一次能源的使用?？稍偕茉粗饕ㄌ柲?、地熱能、空氣熱能及生物質燃料等[2]，但是LEED中不認為地熱能是可再生能源。結合相關綠色建筑設計標準對可再生能源的要求，該項目采用超低溫空氣源熱泵為幼兒園提供冷熱源，水專業利用太陽能熱水系統，電氣專業利用光伏發電以滿足LEED的要求。

結合項目特點，區分房間朝向，對系統進行分區控制：南北各設置2套空氣源熱泵機組，每套制冷量40 kW、制熱量45 kW，超低溫空氣源熱泵機組提供空調供暖冷熱水，熱泵機組與水泵放置于屋頂，夏季供/回水溫度為7 ℃/12 ℃，冬季供/回水溫度為45 ℃/40 ℃。熱泵機組的制冷性能系數COP為3.4，綜合負荷部分性能系數IPLV達3.7，滿足相關國標中節能評價限值的要求，并同時滿足美國ASHRAE 90.1-2010空氣源熱泵性能標準，設置于屋頂有利于換熱。

該項目設置風機盤管+轉輪全熱回收新風系統+低溫輻射地板供暖系統。供暖空調末端裝置可獨立啟停的主要功能房間達到95%，可實現獨立溫濕度調節和啟?？刂?。

4.1 供暖系統

冬季玻璃的冷輻射和熱空氣上浮作用疊加，會使人員活動區體感溫度較低，導致人員的熱舒適性感受大打折扣。從生理學上來說，人體各部位的溫度不同，頭部較高、足部較低，人體腳底血液循環相對頭部差，腳暖頭涼更符合人體的舒適性要求，是較為適合人體的室內溫度分布。幼兒園孩子平均身高在1.3 m以下，經常與墻壁、地面身體接觸，采用低溫熱水地面輻射供暖系統特別符合幼兒園孩子的人體熱舒適要求和生理特點，更加貼合孩子的活動特點和身心健康需求。

在分集水器總管上設置1個自動溫控閥，控制整個用戶或區域的室內溫度[3]，夏季關閉。該項目每間教室設置1個控制室內溫度的感溫裝置，與設在室內分水器入口的溫控閥連接控制，滿足每間教室個性化熱環境調節需求。室內熱水地板輻射供暖分集水器設在衛生間，方便操作檢修。感溫裝置的位置與建筑及室內精裝設計配合確定，溫控面板設于教室內墻距地1.5 m高度處(或與室內照明開關并排設置)，避開太陽照射及其他發熱體。

4.2 空調水系統

空調水系統為兩管制?？諝庠礋岜脵C組集成空調側自帶水泵及膨脹罐，選用1臺電子水處理儀，起緩蝕、除銹、脫色和超凈過濾的作用。系統南北區域各2臺機組均獨立出管，水管均為異程布置。各主分支處設靜態平衡閥，各支路回水管上設手動調節閥，調節水力平衡。立管和水平干管最高點設自動排氣閥，最低點設泄水閥。

空調末端采用風機盤管+新風的形式，冷熱水均由屋頂空氣源熱泵機組提供，設自動轉換閥，通過自動轉換實現夏季送冷水、冬季送熱水。空調水變流量運行，各末端系統的流量隨需求側負荷和室外氣象條件變化而變化。

5 高效新風熱回收系統與室內氣流組織

按照LEED School金級和WELL Educational Facilities金級要求，該項目教室的設計新風量需比ASHRAE 62.1-2013的規定值提高30%，即幼兒園教室新風量不小于28 m3/(人·h)×(1+30%)=37 m3/(人·h)，走道、門廳等公共區域新風量不小于1.5 m3/(m2·h)。

超低能耗建筑應優先利用高效新風熱回收系統滿足室內供冷或供暖要求，不用或少用輔助供暖供冷系統[1]。該項目在幼兒園屋頂設置屋頂式熱回收新風機組(帶旁通)回收排風冷熱量，帶冷熱盤管，為活動區域提供新風，保持室內衛生和正壓。顯熱換熱效率不應低于75%，全熱換熱效率不應低于70%。降低新風負荷，可實現過渡季全新風工況，當室外溫濕度適宜時，新風可經旁通管直接進入室內(疫情期間運行策略相同)，不經過熱回收裝置，降低能耗；合理采用變頻控制技術，以節省能源，降低運行能耗。與室外連接的排風與進風管上安裝電動密閉型保溫閥，開啟時先開電動風閥后啟動風機，停機順序相反，保證建筑的氣密性。新風機組在送風口處設置新風監控裝置，安裝風量傳感器、風量控制閥，監控實際新風量與設計值的偏差，超過15%報警，保障教室空氣新鮮、溫濕環境合適，給孩子們營造一個身心健康的學習生活環境。

室內空氣質量監測與聯動做法如下：

1) 在教室內部安裝空氣監測裝置，監測1.2～1.8 m高度處的顆粒物、CO2或臭氧中至少2種污染物，測量間隔不應超過1 h。每層樓設置1塊不小于15 cm×13 cm的屏幕，實時顯示每間教室的室內環境參數，包括溫度、相對濕度、CO2濃度。

2) 主要功能房間中人員密度較高(人員密度超過0.25人/m2)，且隨時間變化大的區域在距地面0.9～1.8 m的位置設置CO2傳感器，并與通風系統聯動。

3) 對室內甲醛進行監控，實現超標實時報警。

新風系統時刻保持室內空氣健康、含氧量充足，并維持較低的CO2含量，提升教室內空氣質量。對教室內的CO2濃度進行監測，并與新風系統聯動。教室設置獨立控制面板，控制面板和遙控器可以單獨控制室內溫度、送風風速等參數。幼兒園教室、音體室等人員密集場所設置CO2濃度探測儀進行室內空氣質量的檢測，根據室內CO2濃度聯動變頻新風機組[4]。機組內設置空氣過濾凈化器(F7或MERV13以上)，以提高室內的空氣質量。每層至少選取1個具有代表性的教室設置顆粒物濃度監測傳感設備，使得室內PM2.5年均質量濃度不高于25 μg/m3，且PM10年均質量濃度不高于50 μg/m3。風機盤管回風管道預留空間，以便將來安裝碳吸收器或具有活性炭的組合式過濾器，風機盤管選型也應滿足上述要求。

設計主風道風速宜小于3 m/s，送風口風速不宜大于1.5 m/s；新風管道在吊頂空間允許的情況下建議將方管換成截面面積相同的圓管，降低管道的沿程阻力。

新風管線太長會造成不必要的送風壓力損失，增加風機功耗，送風管道可不延伸至房間深處，進入房間邊緣處即可，采用側送側回的氣流組織，用送風百葉調整角度以滿足將新風送入室內的需求。每個新風口送風風速為3 m/s，送風口位置在門上方(距地高度2.8 m)，回風口在側下方(即教室為新風區，走廊為過流區)。對幼兒園教室溫度場和速度場進行CFD模擬(軟件為Airpak)，驗證新風是否可以均勻分布于整個教室，結果如圖6和圖7所示。

圖6 教室送風口處豎向截面溫度分布

圖7 教室送風口處豎向截面風速矢量圖

由圖6可以看出，新風送風溫度24 ℃左右，人員活動區溫度均在25～26 ℃，豎向溫度梯度在2 ℃以內，溫度場分布很均勻，滿足設計要求。由圖7可以看出：側送風口風速為3 m/s，在教室內風速場分布均勻，除送風口附近外，教室內風速在0.15～0.65 m/s之間波動；同側下部回風使人員處在回流區，新風在整個教室的流動狀態與流體力學中層流的流動類似，氣流互不干涉，保證了新鮮空氣快速到達教室內各處，新風空氣齡短。幼兒園內孩子活動范圍主要在高度1.6 m以下，這個范圍內平均風速約0.3 m/s，溫度為25～26 ℃，無明顯吹風感。可見室內新風溫度、流速分布均滿足設計要求，室內氣流組織較好。

通過對室內空調、供暖系統進行氣流組織分析，無短路或惡化傳熱等問題；衛生間等區域設置排風，保證負壓，避免衛生間等區域的空氣和污染物擴散到室內其他空間或室外活動場所?？照{氣流組織合理，氣流流向路線清晰，無氣流短路，無效送風量大大減少，運行費用降低，節能效果顯著。

6 衛生間通風分析

該項目共3層，其中1～3層衛生間總建筑面積分別為104.14、88.37、58.50 m2，衛生間使用面積為251.01 m2，每層凈高為4.2 m，按照設計規范要求衛生間換氣次數大于10 h-1，則可知衛生間為達到換氣次數要求所需要的總排風量為10 542.42 m3/h。

北京市夏、冬季空氣調節室外計算溫度分別為33.5、-9.9 ℃，夏、冬季空氣密度分別為1.158 2、1.311 2 kg/m3。新風造成的單位面積得熱量按式(1)計算。

(1)

式中q為某時刻新風造成的單位面積得熱量，W/m2；c為空氣比熱容，取1.001 kJ/(kg·℃)；V為風量，m3/h；ρcm為空氣密度，kg/m3；ti為室內計算溫度，供暖期取20 ℃，制冷期取26 ℃；to為空氣調節室外計算溫度，℃；R為新風機組顯熱交換效率，冬季取75%，夏季取70%；A為面積，m2。

按照式(1)可計算出新風造成的能耗與負荷，如表3所示。

表3 新風造成的能耗與負荷

由于衛生間獨立排風所產生的額外冷熱量對整棟建筑所造成的能耗與負荷結果見表4。

在常規系統中，常見的衛生間排風系統所產生的能耗在超低能耗建筑中占比較大，特別是在熱負荷和需熱量中占比約1/3。衛生間局部排風系統風量較大，使用者是否會按照設計要求及時開關換氣扇不可預估。被動式建筑氣密性非常好，當衛生間排風系統啟動時，應審慎考慮排風系統與新風系統的聯動關系。大量未經熱回收的空氣被排到室外，對建筑能效不利。

為此，把衛生間通風納入建筑整體通風，即幼兒園的送風口設置在教室，回風口設置在走道，走道作為溢流區。衛生間與教室作整體排風，該排風與室外新風進行換熱，新風量為排風量的80%，保證衛生間負壓。但需要保證新風機的有效換氣率及換熱芯的高分子膜材料換熱不換質，衛生間排風不會串味，全熱回收量70%。

衛生間排風也作熱回收處理，衛生間熱回收機組為板翅式全熱回收機(高分子膜阻隔氣流)，自帶粗效過濾器。衛生間外墻新風設置電動密閉風閥，連鎖啟停。每個衛生間設獨立的排風熱回收。排風經熱回收后導入排風豎井，借助屋頂無動力風帽排到室外，環保高效節能。每層衛生間排風熱回收設置定時啟停裝置，避免長期運行導致不必要的新風引入。

衛生間通風直接關系到室內環境和超低能耗建筑目標的實現，應著重處理好衛生間通風問題。

7 結語

隨著全球推動實現碳達峰、碳中和的目標，未來綠色低碳轉型是趨勢[5]，不斷探索超低能耗技術必將有越來越多的超低能耗建筑落地，可降低能源消耗、提高社會及經濟效益，對人類社會健康發展具有深遠的意義。該項目被動式超低能耗幼兒園建筑的實施，為類似設計積累經驗、提供可參考的樣本，希望帶動建設低能耗教育建筑的積極性。