夏熱冬暖地區(qū)被動(dòng)屋節(jié)能的對(duì)比研究

劉 青

(福建省閩武建筑設(shè)計(jì)院有限公司廈門(mén)思明分公司 福建廈門(mén) 361000)

0 引言

德國(guó)被動(dòng)屋是不設(shè)傳統(tǒng)采暖設(shè)施，僅靠高效保溫隔熱、太陽(yáng)輻射、建筑內(nèi)部得熱等被動(dòng)技術(shù)和帶有余熱回收的新風(fēng)裝置，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度舒適的建筑。此類(lèi)建筑采用各種節(jié)能技術(shù)構(gòu)造最佳的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，能最大限度地提高建筑保溫隔熱性能和氣密性，使熱傳導(dǎo)損失和通風(fēng)熱損最小化，最大限度地控制能耗全過(guò)程。PHI《被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)》[1]中，要求被動(dòng)屋采暖一次能耗量≤15 kWh/(m2a)，一次能源總消耗量不超過(guò)120 kWh/(m2a)。而國(guó)標(biāo)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51350-2019)[2]在德國(guó)被動(dòng)屋的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況對(duì)近零能耗建筑、超低能耗建筑及零能耗建筑分別做了定義，其中超低能耗建筑是近零能耗建筑的初級(jí)表現(xiàn)形式，其室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與近零能耗建筑相同，能效指標(biāo)略低于近零能耗建筑，其建筑能耗水平應(yīng)較國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ75-2012[3]降低50%以上。

本文以南安被動(dòng)屋為基礎(chǔ)模型，結(jié)合我國(guó)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)計(jì)算不同工況下建筑模型的全年總負(fù)荷及一次能源用量，對(duì)比分析不同工況下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)。

1 建筑模型及暖通空調(diào)設(shè)計(jì)介紹

1.1 氣候分析

由于《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50736-2012)[4]附錄A中沒(méi)有南安或泉州地區(qū)的室外空氣計(jì)算參數(shù)，有參數(shù)的7個(gè)地區(qū)中，南安在地理位置上離廈門(mén)較近，所以室外空氣計(jì)算參數(shù)采用廈門(mén)地區(qū)的數(shù)據(jù)。廈門(mén)屬于夏熱冬暖地區(qū)，冬季平均溫度12～15℃，平均最低溫度10～12℃，極端最低溫度1.5℃。除極端最低溫度外，與冬季室內(nèi)舒適性16℃標(biāo)準(zhǔn)相比，室內(nèi)外溫差僅4～6℃，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較好情況下基本可滿足舒適性要求；夏季平均溫度26～28℃，平均最高溫度30～32℃，極端最高溫度可達(dá)38.5℃，與夏季室內(nèi)舒適性26℃標(biāo)準(zhǔn)相比，室內(nèi)外溫差最大達(dá)12.5℃。由于夏季炎熱，空調(diào)制冷是必不可少的技術(shù)設(shè)施。按德國(guó)被動(dòng)屋標(biāo)準(zhǔn)，采用新風(fēng)熱回收系統(tǒng)與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，滿足夏季制冷需求及冬季生活供熱需求。但與寒冷地區(qū)采用相同的室內(nèi)舒適性標(biāo)準(zhǔn)(夏季26℃，冬季18℃)情況下，夏熱冬暖地區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)用新風(fēng)系統(tǒng)替代空調(diào)系統(tǒng)滿足夏季室內(nèi)舒適性要求。因此，南安被動(dòng)屋采用了空調(diào)系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)并用的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)。

1.2 建筑模型簡(jiǎn)介

以南安被動(dòng)屋執(zhí)行《福建省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ13-62-2019)[5]65%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)為建筑模型，簡(jiǎn)稱(chēng)南安節(jié)能屋，該建筑共18層，每層層高3 m，建筑平面圖如圖1所示。

圖1 南安節(jié)能屋標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

南安節(jié)能屋建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造為：

屋面類(lèi)型：水泥砂漿(15.0 mm)+細(xì)石混凝土(內(nèi)配筋)(40.0 mm)+擠塑聚苯板(25.0 mm)+水泥砂漿(15.0 mm)+頁(yè)巖陶?；炷?(30.0 mm)+鋼筋混凝土(100.0 mm)+水泥砂漿(20.0 mm)；外墻類(lèi)型：水泥砂漿(20.0 mm)+加氣混凝土砌塊(B07級(jí))(200.0 mm)+無(wú)機(jī)保溫砂漿(20.0 mm)；外窗類(lèi)型：非隔熱金屬型材(6中透光Low-E+9空氣+6透明)，傳熱系數(shù)3.0 W/m2·K，自身遮陽(yáng)系數(shù)0.46，氣密性為6級(jí)，可見(jiàn)光透射比0.50。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176-2016)[6]進(jìn)行熱工計(jì)算，該建筑物的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《福建省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ13-62-2019)[5]的要求，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具體如表1所示。

表1 熱工性能指標(biāo)3

1.3 暖通空調(diào)系統(tǒng)

南安節(jié)能屋基礎(chǔ)工況設(shè)計(jì)一套多聯(lián)機(jī)空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)。屋面集中設(shè)置太陽(yáng)能熱水，如遇陰天下雨等太陽(yáng)能不夠時(shí)，由主機(jī)啟動(dòng)制熱模式供熱。

2 模擬工況節(jié)能計(jì)算與分析

2.1 概述

以下分析比較以65%節(jié)能建筑模型-南安節(jié)能屋為參照建筑，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)等同于南安節(jié)能屋各外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示；建筑平面圖如圖1所示。

空調(diào)能耗模擬計(jì)算采用軟件：鴻業(yè)全年負(fù)荷計(jì)算及能耗分析軟件V4.0。

室外氣象參數(shù)(參照廈門(mén))如表2所示。

表2 室外氣象參數(shù)

南安節(jié)能屋室內(nèi)主要用電設(shè)備：多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、新風(fēng)機(jī)、熱水器、電視機(jī)、洗衣機(jī)、飲水機(jī)、冰箱、微波爐、排油煙機(jī)、消毒碗柜、衛(wèi)生間排氣扇、燈具等。

2.2 暖通空調(diào)設(shè)計(jì)工況

(1)節(jié)能屋基本工況

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：夏季：溫度26℃，濕度：55%～65%；

冬季：溫度16℃，濕度：55%～65%；

新風(fēng)量：30 m2/(h·p)。

(2)低能耗工況

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：夏季：溫度28℃，濕度：55%～65%；

冬季：溫度16℃，濕度：55%～65%；

新風(fēng)量：30 m2/(h·p)；

夏季增加風(fēng)扇輔助通風(fēng)。

(3)超低能耗工況

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：夏季：溫度28℃，濕度：55%～65%；

冬季：溫度16℃，濕度：55%～65%；

新風(fēng)量：30 m2/(h·p)；

夏季增加風(fēng)扇輔助通風(fēng)，且以全熱交換器替代新風(fēng)機(jī)(新風(fēng)排風(fēng)全熱回收效率60%以上)。

2.3 各工況負(fù)荷及能耗對(duì)比

統(tǒng)計(jì)各工況負(fù)荷及能耗對(duì)比如表3所示，各工況參數(shù)、增加設(shè)備回收期對(duì)比如表4所示。

表3 各工況負(fù)荷及能耗對(duì)比

表4 各工況參數(shù)、增加設(shè)備回收期對(duì)比

2.4 數(shù)據(jù)說(shuō)明

建筑一次能源用量 = 供暖年能耗 + 制冷年能耗 + 空調(diào)設(shè)備用能 + 新風(fēng)設(shè)備用能 + 熱水制備用能 + 照明用能 + 家用設(shè)備及其它用能。

熱水制備用能、照明用能、家用設(shè)備及其它用能均由電氣專(zhuān)業(yè)提供能耗數(shù)據(jù)。

供暖年能耗、制冷年能耗、空調(diào)設(shè)備用能及新風(fēng)設(shè)備用能，由“鴻業(yè)全年負(fù)荷計(jì)算及能耗分析軟件V4.0”計(jì)算得出《全年能耗報(bào)表》中摘得。

各負(fù)荷值由“鴻業(yè)全年負(fù)荷計(jì)算及能耗分析軟件V4.0”計(jì)算得出《全年負(fù)荷報(bào)表》中摘得。

供暖/制冷年能耗指空調(diào)提供全年總熱/冷負(fù)荷所需能耗。

空調(diào)/新風(fēng)設(shè)備用能指啟動(dòng)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)/新風(fēng)機(jī)所需全年能耗。

2.5 數(shù)據(jù)分析

(1)全年負(fù)荷分析對(duì)比

全年總冷負(fù)荷：節(jié)能屋基本工況下，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26℃，在低能耗工況下，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度調(diào)高2℃(室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度提高到28℃)，增加輔助通風(fēng)設(shè)備(風(fēng)扇)提高舒適性，較基本工況全年總冷負(fù)荷降低23.4%；在調(diào)高室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度2℃情況下，再增加新風(fēng)全熱回收裝置(全熱交換器)(超低能耗工況)，較基本工況全年總冷負(fù)荷降低34.3%。

全年總熱負(fù)荷：由于節(jié)能屋建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取防冷、熱橋構(gòu)造設(shè)計(jì)，且室內(nèi)外溫差不大，因此節(jié)能屋冬季可以不考慮采暖，僅靠建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱及太陽(yáng)輻射、建筑內(nèi)部得熱等，就可以維持室內(nèi)舒適溫度。此點(diǎn)從基本工況下全年總熱負(fù)荷約等于全年總新風(fēng)熱負(fù)荷可以看出，即全年總熱負(fù)荷=全年總新風(fēng)熱負(fù)荷-室內(nèi)顯熱負(fù)荷。而超低能耗工況時(shí)冬季熱負(fù)荷取理論值，由基本工況下的全年總熱負(fù)荷減掉全熱交換器熱回收的60%新風(fēng)熱負(fù)荷得出，即：A-0.6D，因此超低能耗工況與另外兩種工況的全年總熱負(fù)荷相差較大。在低能耗工況下，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度相比基本工況調(diào)高2℃，全年總熱負(fù)荷增加17.8%。理論上，總熱負(fù)荷數(shù)值應(yīng)該不變，因計(jì)算軟件在過(guò)渡季節(jié)取冬夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度平均值進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，所以熱負(fù)荷有所增加。

全年新風(fēng)總負(fù)荷：低能耗工況下，全年新風(fēng)總負(fù)荷較基本工況降低17.4%；超低能耗工況增加了全熱交換器，較基本工況全年新風(fēng)總負(fù)荷降低68.6%。

由此可見(jiàn)，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度提高2℃，可明顯降低新風(fēng)冷負(fù)荷，且空調(diào)系統(tǒng)增加熱回收裝置，無(wú)論在夏季或冬季，節(jié)能效果都十分顯著。

(2)建筑一次能源用量分析對(duì)比

南安節(jié)能屋基本工況建筑一次能源用量是84.777 kWh/(m2a)；

低能耗工況(輔助通風(fēng))一次能源用量是76.104 kWh/(m2a);

超低能耗工況(帶熱回收)一次能源用量是70.673 kWh/(m2a);

提高夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度2℃(低能耗工況)，建筑一次能源用量降低了10.2%；再增加新風(fēng)熱回收裝置(超低能耗工況)，建筑一次能源用量降低了16.6%。

由此可見(jiàn)，新風(fēng)熱回收裝置在節(jié)能減排中的重要性。

(3)增加設(shè)備后的回收期

提高夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度2℃(低能耗工況)時(shí)，室內(nèi)各主要房間增加風(fēng)扇，使室內(nèi)空氣對(duì)流，提高整體舒適性。由此所增加的成本與該工況下節(jié)約的電費(fèi)相比，增加風(fēng)扇的成本回收期約為5.5年。

超低能耗工況時(shí)，室內(nèi)各主要房間增加風(fēng)扇，且新風(fēng)系統(tǒng)由全熱交換器替代新風(fēng)機(jī)，排風(fēng)進(jìn)行熱回收，新風(fēng)進(jìn)行熱交換，新風(fēng)排風(fēng)全熱回收效率60%以上，增加風(fēng)扇及替換全熱交換器的成本回收期約為3.4年。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)低能耗工況：夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度調(diào)高2℃，輔以電風(fēng)扇對(duì)流通風(fēng)，給人在室內(nèi)的舒適感與室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度未調(diào)高2℃時(shí)的舒適感基本一致的情況下，前者冷負(fù)荷大幅減小，空調(diào)耗能減小，建筑一次能源用量降低，節(jié)能明顯，是非?？尚械囊环N節(jié)能設(shè)計(jì)。而成本上增加設(shè)備(風(fēng)扇)的回收期需5.5年。超低能耗工況：新風(fēng)有組織的供給，是滿足室內(nèi)舒適度的一個(gè)基本要求，而新風(fēng)負(fù)荷占比總負(fù)荷又比較大(23%～31%)，增加新風(fēng)熱交換設(shè)備后全年新風(fēng)總負(fù)荷降低的比率比低能耗工況還要低51.2%，建筑一次能源用量降低了16.6%。新風(fēng)采取熱回收措施，節(jié)能效果非常顯著。且其增加設(shè)備(風(fēng)扇+全熱交換器)的回收期僅為3.4年。

(2)以《福建省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ13-62-2019)[5]65%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)為建筑模型，設(shè)計(jì)兩種工況下的節(jié)能減排效果都比較顯著，說(shuō)明德國(guó)被動(dòng)屋模型根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況調(diào)整后的節(jié)能建筑模型，在夏熱冬暖地區(qū)具有普遍推廣的價(jià)值。本文僅討論了暖通空調(diào)設(shè)計(jì)方面的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，尤其是實(shí)施熱回收措施，不僅成本回收期較短，還大大降低了能耗，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，切實(shí)起到了節(jié)能減排的作用，實(shí)現(xiàn)了資源的節(jié)約和可持續(xù)性發(fā)展。暖通設(shè)計(jì)師應(yīng)積極配合建筑等相關(guān)專(zhuān)業(yè)，優(yōu)化改進(jìn)建筑模型及節(jié)能設(shè)計(jì)，采用合理的能源方案，充分利用可再生能源，廣泛應(yīng)用熱回收系統(tǒng)，推廣適合我國(guó)地域氣候的節(jié)能建筑，促進(jìn)節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)，為2050年實(shí)現(xiàn)碳中和增磚添瓦。