河南省被動式超低能耗公共建筑的冷熱需求特征

宋麗偉

被動式超低能耗建筑的概念，借鑒于歐洲超低能耗建筑“Passivhaus”的概念：其在采暖和空調季節，盡量少地依賴主動的采暖和空調措施，可維持室內的舒適環境（全年室溫維持在20～25℃，相對濕度在30～60%之間）。在不采用主動制冷的前提下的超溫/超濕的時間頻率：室內空氣溫度大于25℃的年小時數的百分比≤10%；絕對室內空氣濕度大于12g/kg的年小時數的百分比 ≤20%（有主動制冷時≤10%）。

被動式技術的五大基本特點：高標準的外墻外保溫；無熱橋設計；高性能被動式門窗；建筑具有很好的氣密性；帶高效熱回收功能的新風設備。

被動式超低能耗建筑的冬季室內得熱主要依賴于太陽照射和使用過程的發熱，如人體和設備，從而減少使用外部能源。保溫性能良好的非透明的圍護結構和品質優異的外窗，使得即使在寒冷的冬季和炎熱的夏季，室內也能維持設計溫度。“無熱橋設計”也是確保被動式超低能耗建筑高質量和舒適度的基本原則之一，它還可以防止水分積聚對保溫系統及建筑墻體造成的損害，延長建筑物的使用壽命。高效節能的熱回收綜合家居通風系統持續為被動式超低能耗建筑的室內帶來新鮮的空氣。采用高效的熱回收裝置，使得廢氣排出室內時通過與引進的室外新鮮空氣的熱交換重新進入建筑物內，實現高效全熱回收，其中顯熱回收率在75%以上。

圖1 超低能耗建筑五個基本特點

一、項目的被動式技術

項目位于河南省鄭州市二七區鄭登路與西南繞城高速交匯處向南1.5公里路西。用地面積4338.98㎡，總建筑面積3800㎡，其中一棟辦公建筑，層數為2層，局部3層，建筑1561.86㎡，項目通過德國PHI的認證。

項目的主要被動式技術措施如下：

（1）外墻外保溫：150mm厚石墨聚苯板保溫，其外墻U值為0.21W/㎡K。屋頂采用150mm厚XPS，其屋頂U值為0.21W/㎡K。

（2）高效能被動式門窗：外窗采用內充氬氣的三玻兩腔中空玻璃（5+18Ar+5+18Ar+5），傳熱系數0.91W/㎡K，采用玻璃暖邊技術，窗框采用鋁包木型材，開啟方式采用內開內倒方式。外窗氣密性為8級，水密性等級6級、抗風壓性能等級9級。在南側及東西兩側外窗設置外遮陽，外遮陽采用電動控制活動外遮陽百葉，屋頂天窗采用電動遮陽百葉。

（3）自然通風措施，建筑朝向為南偏西10度，有利于過渡季節及夏季自然通風，其中A區（公共建筑）過渡季節，在開窗的情況下，主要功能房間平均自然通風換氣次數不小于2次/h的面積比例為90%，B區B1(居住建筑）每套住宅自然通風開口面積與地面面積的比例為5%。

（4）圍護結構整體氣密性：房屋的氣密性N50≤0.6h-1，即在室內外壓差50Pa的條件下，建筑的漏風量不得大于換氣次數0.6次。

二、基于PHPP計算的能耗分析

PHPP是依據 EN ISO 13790-2008《建筑物的能量性能. 空間加熱和冷卻用能量的計算》，以月為計算單位采用穩態的計算方法，建立建筑物的熱平衡方程，求取建筑物的冷熱需求。它是將建筑物視為一個整體，建筑物內部的溫度分布均勻。

全年度熱平衡計算：全年熱需求=全年熱損失-可利用的得熱，基本公式為：

其中：QH/C為冷熱需求，kWh/m2a。QT為圍護結構傳熱冷熱損失，包括所有圍護結構（外墻、窗、地面、屋面）、熱橋傳熱損失的年度累計值，kWh/m2a。QV為通風熱損失，kWh/m2a。QS為太陽輻射得熱，冬季為正值，夏季為負值，kWh/m2a。QI為內部得熱，η為自由得熱利用系數。免費得熱：太陽得熱QS+室內得熱QI。PHPP的供暖及制冷的時長根據建筑熱平衡進行自動計算，供暖及制冷時長不僅與室外氣象參數有關，同時還從建筑參數室內的熱擾相關，所以PHPP中并無固定供暖季及供冷季。對于同一氣候分區，不同的建筑對應的供暖及制冷時長可能不相同。空調系統每日運行時間對建筑熱平衡中通過圍護結構形成的熱損失及太陽得熱并不影響，這是由于室外氣候參數確定后，相應的供暖度時數即太陽輻射強度就唯一確定了。但空調系統每日運行時間可影響通風熱損失，建筑內部的熱量，空調系統輔助設備用電量的計算，進而影響供熱功能需求以及一次能源需求。

新建超低能耗建筑采用PHPP的熱平衡計算，根據可再生一次能源(PER)需求和產量，共分為3個等級：普通級（Classic）、優級（Plus）和特級（Premium）。

圖2 項目PHPP計算能耗結果：達到PHI的classic的標準。

圖3 建筑能耗分析結果

三、氣候特點對于冷熱需求的影響

PHPP能耗計算采用的室外環境參數：月度室外干球溫度的平均值和平均輻射強度。下表為PHI提供的鄭州全年室外計算溫度和太陽輻射量。

圖4 月度室外干球溫度的平均值和太陽輻射

1.夏季室外空氣焓值

夏季當室內溫度為25℃，相對濕度為55%時，室內空氣焓值為53.36kJ/kg。根據鄭州典型年室外空氣焓值變化圖，當室外焓值低于50kJ/kg，是可以通過加強通風帶走室內的余熱余濕，6月8日～至9月5日室外焓值大部分時間高于室內焓值，即加強通風也無法消除室內余熱余濕，且新風會帶進大量的濕熱，因此必須開啟空調系統。同時，因超低能耗建筑墻體和外窗的傳熱極低，內表面和室內溫差小，室內溫度有較好的穩定性，在5月～6月上旬和9月上旬～10月上旬這兩個時間段內，大部分時間可利用機械或自然通風，帶走室內的余熱余濕，尤其應加強夜間通風。

圖5 夏季室外空氣焓值變化曲線

2.室外空氣濕度的影響

當夏季室內25℃，相對濕度為60%時，空氣含濕量為12g/kg。根據PHI《德國超低能耗建筑標準》內部得濕：住宅人員散濕100g/ (人·h)，夏天散濕量大于冬季。人體散濕量在夏季會形成室內除濕能耗，然而冬季人體散濕會增加空氣含濕量。根據鄭州夏季室外空氣含濕量圖形，含濕量大于15～25g/kg時間段處于7月～9月初，自然通風或新風系統，如無除濕措施會大量導致除濕需求。本項目的新風機組采用全熱回收，夏季顯熱效率：77.3%，潛熱效率72.6%，可以阻擋大部分新風的含濕量，顯著減小除濕能耗。冬季11月15日～3月15日，新風含濕量基本小于5g/kg，新風需要適度加濕。

圖6 夏季室外空氣含濕量變化曲線

3.冬季室外平均溫度的影響

根據冷需求柱狀圖，該項目熱需求發生在11月～3月，11月和3月熱需求遠遠小于12、1、2三個月。該建筑外墻和地面的熱量損失，主要發生在這4個月內，尤其是12月、1月、2月份?？梢耘袛?，冬季制熱需求主要為11月底至來年3月初。

圖7 冷需求柱狀圖

4.太陽輻射的影響

通過外窗冬季熱損失和輻射得熱量比較，北、東、西三方向外窗的輻射得熱較小，但南向和水平天窗得熱量較大，尤其是南向外窗，得熱遠遠超過熱損失，總體上冬季外窗的輻射得熱大于熱損失，冬季太陽得熱占總體得熱的53%，內部的熱占22%，靠自然得熱，可滿足本項目冬季3/4的熱需求，冬季有明顯的節能效果。

圖8 冬季太陽輻射得熱與外窗的傳熱比較

四、夏季建筑的冷需求特點

圖9 全年冷需求

（1）超低能耗建筑5月和9月的冷需求較不明顯，在5月底和9月初。冷需求的時間大為縮短，這與當地普通建筑有明顯的不同，鄭州地區一般公共建筑5月和9月也有明顯的冷需求。顯然，冷需求的特征與圍護結構的被動式特點（如熱惰性值較大）有關。6月和8月大部分時間處于冷需求，其中7月全月處于峰值。

（2）太陽輻射得熱：北向外窗全年太陽輻射值變化不大（夏季升值不大），即北向外窗在滿足采光的情況下可盡量減小面積以節省造價。南向外窗夏季本來屬得熱量較大，但因為采用了外遮陽措施，太陽輻射得熱無明顯升高甚至略減（說明外遮陽在夏季減少太陽得熱，起到重要作用）。各方向的外窗于太陽輻射量夏季明顯高于其他三季，水平面（屋面天窗）太陽輻射量明顯高于其他各方向，天窗采用了外遮陽措施。

（3）除濕需求在6～8三個月中，主要發生在7月和8月，項目所在地進入高溫高濕的桑拿天較多，除濕需求明顯。制冷需求中，顯熱所占的比例，6月份為91%（天氣屬于干熱），7月、8月份分別為66%和69%（屬于濕熱天氣）。夏季空調顯熱能耗需求為10.2kWh/m2a（占整個冷需求的71%），潛熱能耗需求為4.2kWh/m2a需求，（占29%）。夏季高溫高濕的天氣使得潛熱冷需求所占的比例較大，主要是新風除濕。

冬季建筑的熱需求特點：

根據建筑冬季熱損失和得熱的占比，可以得出，冬季主要的熱損失來自于：最大熱損失外窗（14.9kWh/㎡a），外墻（10.5kWh/㎡a），屋面（6.5kWh/㎡a），地面（6.1kWh/㎡a)。而得熱主要來自于被動式的手段：太陽得熱（20.9kWh/㎡a），內部得熱（11.6kWh/㎡a），得熱的占比遠大于供熱設備，良好的圍護結構和氣密性對于被動式得熱起到了關鍵作用。

圖10 建筑冬季熱損和得熱占比

五、結語

項目所在地河南省的氣候特點，如夏季室外空氣的焓值，空氣的相對濕度，太陽輻射等因素，都會對建筑的冷熱需求產生直接影響。和普通建筑相比，采用被動式的技術會大幅地降低相同氣候條件下超低能耗公共建筑的冷熱需求，進而降低建筑的能耗。