嚴寒地區被動房室內環境與供暖能耗后評估*

薛慶雯 王昭俊 蔣逸帆

(1.哈爾濱工業大學,哈爾濱;2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室,哈爾濱;3.太原理工大學,太原)

0 引言

近年來,國際能源危機和全球變暖形勢日趨嚴峻,而我國民用建筑的碳排放量呈現持續增長的趨勢[1],如果不采取更進一步的建筑節能措施,到2050年我國建筑領域碳排放量將增加50%[2]。

我國住房和城鄉建設部正在大力發展近零能耗建筑,目前近零能耗建筑技術體系在我國認知度較高的是德國的被動房(passive house)技術。被動房是指通過被動式技術,如更高性能的外保溫和氣密性、熱橋處理、高效的新風熱回收、充分利用自然通風等,最大程度地降低建筑能耗需求,因地制宜利用可再生能源來滿足部分能耗需求,以減少對化石燃料的依賴,降低碳排放量[3]。

被動房標準體系是基于中歐溫和的氣候條件和建筑特點建立的,在相似氣候區建造的被動房呈現出比較好的性能。而其他氣候區若要引進被動房技術,則需要對其技術路線進行思考和修正[4]。我國《被動式超低能耗綠色建筑技術導則(試行)(居住建筑)》[5]規定,示范項目竣工驗收一年后應對其室內環境和實際能耗進行后評估。通過對示范項目進行后評估與深入研究,不斷完善適合我國氣候條件和建筑特點的被動房標準體系。

嚴寒地區冬季室外氣溫較低,且供暖期長達近半年,較高的供暖需求使建筑節能任務十分艱巨。本文介紹對嚴寒地區某被動房示范項目室內熱濕環境、空氣質量和供暖能耗進行后評估的結果。

1 后評估方法

1.1 建筑后評估方法簡介

被動房后評估包括以下內容：

1) 室內環境參數檢測。檢測內容包括室內空氣溫度、相對濕度,外墻內表面溫度,新風量,室內PM2.5濃度、CO2濃度,室內空氣流速及環境噪聲。檢測應在暖通空調系統正常運行24 h以后進行。室內溫度、相對濕度及外墻內表面溫度檢測時間不短于24 h,檢測按照JGJ/T 132—2009《居住建筑節能檢測標準》進行。新風量檢測按照JGJ/T 177—2009《公共建筑節能檢測標準》進行。

抽檢的代表性住戶應根據不同體形系數、不同樓層、不同朝向等因素進行選擇。抽檢數量不得少于住戶總數量的10%,且不得少于3戶,包括頂層、中間層和底層各至少1戶,每戶不少于2個房間。

2) 實際能耗評估。實際能耗根據實測數據計算,供暖、空調及照明能耗的計量以1年為1個周期,不同能源形式可根據相應的一次能源轉換系數轉換到一次能源。

居住建筑以單棟建筑為對象,以用戶電表、氣表等計量儀表的實測數據為依據,計算分析建筑能耗綜合值,并與設計值進行對標。當實際值與設計值不符時,應根據實測的圍護結構熱工性能、新風系統參數(如新風量、新風熱回收效率)結合實際使用情況,綜合分析產生差別的原因,并給出改善建議。

1.2 典型建筑選取

JGJ 26—2018《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》[6]對不同層數的居住建筑的體形系數限值作出了規定：當建筑層數小于3層時,體形系數應小于0.55;當層數大于等于4層時,體形系數不應大于0.30。哈爾濱某被動式居住建筑示范項目層數為11層,體形系數為0.25,其平面布局及能源系統在嚴寒地區具有一定代表性。

該被動式居住建筑包含地上11層住宅和地下車庫,總建筑面積為9 153.34 m2。住宅包含3個單元,共66戶,每戶使用面積約為80～90 m2。每戶包含1個起居室、2個或者3個臥室、1個廚房和1個衛生間,每戶的使用人數為2～4人。

為了最大限度地減少熱傳導損失,嚴寒地區被動房圍護結構必須具有很好的保溫性能。該建筑外墻、屋面和1層地板均采用300 mm發泡聚苯乙烯(EPS)保溫。窗戶和單元外門采用內充氬氣的3層Low-E玻璃和具有良好隔熱性能的框架。

該被動房供暖/冷系統采用頂棚輻射與置換通風相結合的方式。輻射樓板熱媒管采用聚丁烯-1管(PB管),回形敷設,管道公稱外徑為20 mm,內徑為16 mm,中心間距為250 mm。冬季集中供暖時,供水溫度為30 ℃或33 ℃;夏季集中供冷時,供水溫度為20 ℃。住宅室內樓板輻射供暖熱水來自集中供暖系統,供冷冷水來自地源熱泵,該地源熱泵同時給地下室供暖。每戶設有獨立的分集水器,居民可以要求物業管理人員調節供水管上的閥門來調節流量,從而調節室溫。

由于建筑圍護結構的氣密性很好,需要設置機械通風來保證室內人員的新風需求和室內空氣質量。送風口設置在客廳和臥室靠近外窗的地板上,排風口設置在衛生間墻上,形成下送上回的置換通風。每戶設置手動控制開關,可以個性化調節新風口開/閉。

新風系統采用集中式,新風機組安裝在每個單元的地下室,每臺機組負責1個單元(22戶)的新風提供。新風機組為組合式,主要由預加熱裝置、過濾器、熱回收裝置、熱/冷水盤管、送排風機等組成,如圖1所示。預加熱裝置用于對新風進行預熱,防止新風進入熱回收裝置結霜而影響換熱效果。當室外溫度低于5 ℃時,開啟預加熱裝置預熱新風,使其溫度達到5 ℃。板式換熱器用于對新風進行集中熱回收,冬季室內回風與新風換熱后排出室外,熱回收效率(銘牌工況)為76%。過濾器用于過濾室外新風中的顆粒物。過渡季和夏季可將室外的新風直接送入室內。

圖1 新風機組組成示意圖

1.3 室內環境調查

筆者所在課題組對21戶自愿參與調研的住戶進行了入戶普查[7]。根據技術導則要求[5],選擇頂層和底層各1戶、中間層6戶進行連續跟蹤調查。為了對比,課題組也對同一小區的普通住宅的室內環境參數進行了測試。測試期間,每2～3周入戶間歇測試1次。

室內和室外的空氣溫度、相對濕度采用溫濕度自記儀進行連續記錄;室內空氣流速采用熱線風速儀進行測試,測點布置在房間中心0.1、0.6、1.1 m 3個高度處;外墻和外窗內表面溫度各布置5個測點測量,取測量結果的平均值。

室內空氣質量測試參數包括CO2、PM2.5、PM10濃度,新風量,此外,還測試了室內噪聲。CO2、PM2.5和PM10濃度均在測試房間中央1.1 m高度處進行測量,新風量通過在住戶室內送風口測風速的方法獲得,為保證精度,采取劃分網格取平均值的方法。

1.4 供暖能耗監測與計算

該項目供暖系統為頂棚輻射加置換通風復合系統,因此供暖能耗主要包含兩部分：頂棚輻射供暖能耗和新風能耗。作為嚴寒地區第一個被動房示范項目,為了后評估能耗,該項目設置了能耗監測平臺。監測參數包括新風機組送風溫度、回風溫度、新風溫度、風機用電量、排風機頻率、送風機頻率、送風量、新風再加熱熱水盤管供回水溫度和流量,以及輻射板的供回水溫度和流量,數據采集間隔為1 h。

1) 頂棚輻射供暖能耗。

頂棚輻射供暖能耗可根據輻射板供回水溫度和流量計算得到(見式(1))。該被動房有3個單元,計算得到每個單元的逐時供熱量,疊加后得到整個供暖季的逐時供熱量。

Q1=G1cp(tg1-th1)

(1)

式中Q1為頂棚輻射供熱量,kJ/h;G1為頂棚輻射供暖系統的總流量,kg/h;cp為水的比定壓熱容,kJ/(kg·℃),取4.2 kJ/(kg·℃);tg1為頂棚輻射供暖系統的供水溫度,℃;th1為頂棚輻射供暖系統的回水溫度,℃。

2) 新風機組供暖能耗。

室外新風的處理過程為先經過預加熱裝置預熱到5 ℃,然后經熱回收裝置與排風換熱,再經過熱水盤管加熱至20 ℃送入室內。新風機組供暖總能耗包括兩部分：新風處理能耗和新風輸配能耗。新風處理能耗包含預加熱能耗、熱水盤管再加熱能耗兩部分,輸配能耗為風機運行電耗,計算式見式(2)。

Qo=Qp+Q2+Qf

(2)

式中Qo為新風機組供暖總能耗,kJ/h;Qp為新風預加熱能耗,kJ/h;Q2為新風供熱量,kJ/h;Qf為新風機運行電耗,kJ/h。

其中,熱水盤管加熱新風的能耗由回水溫度和流量數據計算得到,見式(3)。3個單元分別設置新風機組,疊加整個供暖季的逐時熱量,即可得到供暖季再熱盤管的供熱量。

Q2=G2cp(tg2-th2)

(3)

式中G2為加熱新風的熱水流量,kg/h;tg2為加熱新風的供水溫度,℃;th2為加熱新風的回水溫度,℃。

3) 供暖總能耗。

供暖總能耗Q為頂棚輻射供暖能耗與新風機組供暖總能耗之和：

Q=Q1+Qo

(4)

2 后評估結果與分析

2.1 室內環境

1) 室內熱環境。

表1給出了室內熱環境參數測試統計結果。由表1可見,該被動房的供暖季平均室溫為25.5 ℃,普通住宅平均室溫為23.6 ℃,被動房室溫高于普通住宅,且高于相關標準要求的舒適范圍18～24 ℃[8-10]。

表1 被動房和普通住宅室內熱環境參數統計結果

調研發現個別住戶在室內出現過熱現象時,通過間歇開窗來調節室溫。嚴寒地區冬季室內外溫差可達到30～50 ℃,開窗不僅會增加冷風滲透量,導致供暖能耗增加,室外冷空氣產生的吹風感還會影響人體熱舒適,而且還有可能導致外圍護結構表面結露而影響圍護結構使用壽命。分析過熱的原因是,被動房供暖需求低,前期負荷預測時擬采用生物質鍋爐,但后期實際采用了集中供熱系統,供熱量偏大。

被動房室內相對濕度的平均值為31.3%,普通住宅為34.8%,均滿足熱舒適標準要求的30%～60%,但接近標準下限值。造成室內濕度偏低的部分原因是室溫偏高,如果降低被動房室溫,相對濕度會有所上升。假設在室內含濕量(6.34 g/kg)不變的情況下,室內空氣溫度由25.5 ℃降到20.0 ℃,相對濕度將從31.3%升高到43.3%。被動房和普通住宅室內空氣流速分別為0.05、0.06 m/s,均滿足熱舒適標準不大于0.15 m/s的要求。

被動房外墻內表面溫度為23.4 ℃,僅比室溫低2.1 ℃;而普通住宅外墻表面溫度比室溫低5.1 ℃。外窗是外圍護結構隔熱相對薄弱的環節,被動房外窗內表面溫度分布在19.40～24.80 ℃,平均值為21.60 ℃,普通住宅外窗內表面溫度分布在14.80～19.00 ℃,平均值為16.60 ℃。可見,由于被動房外圍護結構熱工性能提升,使得被動房外窗和外墻內表面溫度明顯高于普通住宅。當外圍護結構內表面溫度與室溫差值較小時,可以有效避免冷輻射帶來的不舒適感,提高室內人體體感溫度,即操作溫度(operative temperature)。操作溫度是綜合室內空氣溫度與平均輻射溫度得到的加權平均值,ISO 7730[8]將其作為室內熱環境的評價指標。因此,保溫性能較好的被動房可以有效降低外圍護結構帶來的冷輻射,從而提高室內熱舒適性。

圖2顯示了室內溫濕度與外墻內表面溫度的連續測試結果,選取2015年12月25—27日的數據進行分析。

圖2 室內熱環境參數連續測試結果

測試期間室外溫度為-24.2～-14.2 ℃,被動房室溫為26.3～27.8 ℃,平均值為26.8 ℃,溫度波動僅為1.5 ℃,說明被動房室溫受室外溫度影響非常小。普通住宅室溫為18.9～24.1 ℃,受室外溫度影響較大。被動房室內相對濕度為24.1%～36.8%,平均值為33.3%。可以看到,白天人員活動量比較大的時候,相對濕度較大,夜間相對濕度較小。由此可知,被動房室內相對濕度受人員活動影響較大。被動房外墻內表面溫度為23.6～25.1 ℃,與室溫的差值僅為1.7～3.0 ℃。

2) 室內空氣質量。

表2顯示了間歇入戶測試得到的室內空氣質量參數(CO2、PM2.5、PM10濃度)及噪聲的測試結果。德國被動房標準要求居住建筑主要房間的新風量不小于20～30 m3/(人·h),我國近零能耗標準規定新風量應滿足30 m3/(人·h)的要求。假設平均每戶有3個人,則根據德國標準每戶新風量應不小于60～90 m3/h,根據我國標準應不小于90 m3/h。實測的所有住戶的新風量分布在76～114 m3/h,平均值為96.9 m3/h,滿足德國和我國被動房標準要求。

表2 被動房室內外空氣質量參數統計結果

我國《室內空氣質量標準》[11]規定室內CO2日均體積分數的限值為1 000×10-6,測試期間被動房室內CO2日均體積分數的平均值為732×10-6,所有住戶的日均體積分數均低于限值。說明被動房機械通風可以提供足夠的新風,有效稀釋室內污染物。普通住宅有4戶(50%)室內CO2體積分數超過1 000×10-6,最大值為1 654×10-6,說明室內新風量不足,從而在一定程度上也反映其他氣態污染物濃度有超標的風險。室內CO2主要是由人員呼吸產生,因此戶間差異主要是室內人員數量不同、活動量不同導致的。

測試期間PM10平均質量濃度為112 μg/m3,高于我國《室內空氣質量標準》[11]規定的限值100 μg/m3;PM2.5平均質量濃度為92 μg/m3,超過我國《建筑通風效果測試與評價標準》[12]規定的限值75 μg/m3。由于測試選取的住戶均無明顯室內顆粒物源,可以推斷室內超標主要是由于哈爾濱冬季室外霧霾嚴重引起的。普通住宅密閉性較差,室外空氣直接通過門窗縫隙滲透進入室內,冬季室外霧霾更容易影響室內空氣質量,存在PM2.5濃度超標的現象[13]。但是由于普通住宅整體的換氣次數較小,室外新風攜帶的顆粒物總量也較少。該項目新風系統采用的是中效過濾器,其對粒徑小于2.5 μm的顆粒的過濾效率僅為30%左右。當室外霧霾嚴重時,顆粒物將隨新風系統進入室內。因此,針對嚴寒地區供暖季燃煤需求大產生的環境問題,過濾器作為一種建筑干預措施,其對細顆粒物的過濾效率有待提高。

檢測得到的住戶A聲級噪聲平均值為31.8 dB,符合標準要求。該建筑臨街布置,主要的噪聲來自于室外街道,新風系統采用集中式,機組布置在地下1層機房,因此新風機產生的噪聲很小,不同樓層之間室內噪聲無明顯差別。

2.2 供暖能耗

1) 供暖能耗計算結果。

哈爾濱供暖期為10月20日至次年4月20日,整個供暖期間室外平均溫度為-7.37 ℃,日平均最低氣溫達-31 ℃。圖3顯示了供暖季逐日室外溫度和對應的供暖能耗變化。由圖3可知,供暖前期和末期,室外溫度相對較高,供暖能耗較低,供暖中期室外溫度降低,供暖能耗急劇增加。

圖3 供暖期間逐日室外溫度變化和被動房的供暖能耗

表3匯總了供暖季10月20日至次年4月20日各月的供暖能耗和總能耗。從表3可以看出,12月和1月的供暖能耗最高。整個供暖季的總能耗為423 036.08 kW·h,該被動房實際供暖面積為9 153.34 m2,計算得到單位面積供暖年耗熱量為46.22 kW·h/(m2·a)。

表3 供暖季各月供暖能耗及供暖總能耗 kW·h

圖4顯示了各項供暖能耗的大小和占比,可以看出,頂棚輻射能耗占比為46%,新風預熱能耗占比為30%,新風系統熱水盤管再加熱能耗占比為22%,風機能耗占比為2%。該被動房頂棚輻射主要承擔圍護結構負荷,新風機組僅承擔新風負荷。可見,嚴寒地區被動房新風負荷占比超過一半,其中新風預熱能耗最大。這是由于嚴寒地區冬季較低的室外空氣溫度造成的,預熱裝置需要將室外溫度加熱至5 ℃。經過預熱設備,新風進入熱回收裝置與排風換熱,最后經過再加熱熱水盤管加熱至20 ℃。

圖4 各項供暖能耗占比

2) 供暖能耗與我國標準值比對。

被動房通過被動式的建筑設計降低供暖和供冷的需求,在此基礎上,利用可再生能源,實現超低能耗、近零能耗。近零能耗標準[14]以現行65%節能設計標準為基礎,給出了相對節能水平,如表4所示。嚴寒和寒冷地區,低能耗建筑是指以65%節能建筑[6]為基準,能耗降低25%～30%的節能建筑[15];超低能耗建筑是現階段不借助可再生能源,僅依靠被動式節能技術實現降低建筑能耗50%以上;近零能耗居住建筑是指在超低能耗建筑的基礎上,借助可再生能源降低建筑能耗70%～75%以上。

表4 嚴寒地區不同節能標準能耗限值

這里需要區分超低能耗建筑和近零能耗建筑的概念,這兩類建筑的建筑本體技術措施和指標相同,二者的區別只是借助可再生能源替代礦物能源的程度不同。超低能耗建筑對可再生能源的利用率不作要求,除節能水平外,均滿足近零能耗建筑要求。嚴寒地區超低能耗建筑的年供暖限值為30 kW·h/(m2·a),而近零能耗建筑限值為18 kW·h/(m2·a)[13]。

該項目采用的可再生能源形式為地源熱泵,但是其在該項目中的利用率較低。原因是嚴寒地區建筑的熱負荷相較冷負荷大很多,考慮到冷熱平衡,夏季地源熱泵作為整個建筑的冷源,而冬季地源熱泵僅承擔該建筑地下室的供暖負荷,建筑主體的供暖仍采用集中供暖系統。因此,從建筑耗熱量的角度,該被動房的供暖能耗應與超低能耗的要求進行比對。

由于測試期間的室外溫度和室內溫度均與設計值不同,若與標準值進行比對,需要對能耗進行修正。下面從室外氣候和室內溫度2個方面對供暖總能耗進行修正,修正公式見式(5)、(6)。

(5)

(6)

式(5)、(6)中Es1為經氣候修正后的能耗,kW·h/(m2·a);Ec為實際運行能耗,kW·h/(m2·a);tn為實測平均室溫,℃,取25.5 ℃;tws為設計室外溫度,℃,取-8.5 ℃;tw為實測室外平均溫度,℃,取-7.37 ℃;Es2為經室溫修正后的能耗,kW·h/(m2·a);tns為設計室內溫度,℃,取20 ℃。

哈爾濱典型年供暖季室外平均溫度為-8.5 ℃,測試期間室外平均溫度為-7.37 ℃,用典型年室外溫度對實測的室外溫度進行修正,得到經氣候修正后的供暖能耗Es1為47.81 kW·h/(m2·a);室內較高的溫度會造成供暖能耗偏高,供暖季平均室溫為25.5 ℃,超過標準規定的20 ℃,用設計室溫對實測的室溫進行修正后,得到修正后的供暖能耗Es2為40.08 kW·h/(m2·a)。顯然,年供暖運行能耗超過超低能耗建筑要求的30 kW·h/(m2·a),能耗偏差為33.6%。根據后評估要求,實測能耗大于設計值時,需要對影響能耗的因素進行全局分析與進一步優化。

3 結論

對嚴寒地區首個被動房示范項目的室內環境和供暖能耗進行了后評估,得到以下結論：

1) 被動房圍護結構內表面溫度與空氣溫度的差值較小,說明良好的保溫可以有效避免冷輻射。冬季供暖室內溫度超過24 ℃,室溫偏高不僅不舒適,而且造成能源浪費,因此需要適當降低供暖溫度。

2) 被動房機械通風可以保證室內的新風量,稀釋室內CO2濃度。室內PM10和PM2.5均存在超標現象,說明目前的新風系統對細顆粒的過濾效率不滿足要求。因此后續需要對過濾器的設計效率進行重點研究,以保證室內PM10及PM2.5達標。

3) 被動房實際供暖運行能耗為46.22 kW·h/(m2·a),其中頂棚輻射能耗占比為46%,新風機組能耗占比為54%。用典型年氣象參數和室內設計溫度修正后的供暖能耗為40.08 kW·h/(m2·a),超過我國超低能耗建筑年供暖耗熱量指標(30 kW·h/(m2·a)),能耗偏差為33.6%,需要對影響能耗的因素進行全局分析與進一步優化。