中德生態(tài)園被動房技術(shù)中心項目節(jié)能技術(shù)解析

劉 磊 于正杰 韓 飛 劉 斌 / LIU Lei，YU Zhengjie，HAN Fei，LIU Bin

ENERGIESPARENDE TECHNOLOGIEN AUS DEM PASSIVHAUS-TECHNIKZENTRUM IM DEUTSCH-CHINESISCHEN ?KOPARK

ENERGY-SAVING TECHNOLOGY OF PASSIVE HOUSE TECHNOLOGY CENTER PROJECT OF SINO-GERMAN ECOPARK

中德生態(tài)園（Sino-German Ecopark）被動房技術(shù)中心于2015年3月開工建設(shè)，2016年8月完工并正式投入使用。項目占地面積4843m2，總建筑面積為13 768.6m2，其中地上建筑面積8187.15m2，地下建筑面積5 581.45m2。項目共分為地上5層，半地下一層，地下一層，功能主要包括會議（-1層）、展廳（-1層、1層、5層）、辦公（2－3層）以及部分體驗式公寓（4層）。該項目獲得由德國被動房研究所（Passive House Institute，PHI）頒發(fā)的被動房認證，同時獲得國內(nèi)綠建三星認證，成為亞洲體量最大、功能最復(fù)雜的通過德國PHI權(quán)威認證的單體被動式建筑。根據(jù)項目運行能耗監(jiān)測結(jié)果顯示，項目每年可節(jié)約一次能耗約130萬kWh，節(jié)約運行費用約55萬元，減少碳排放量664t，與現(xiàn)行國家節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相比，節(jié)能率高達90%以上。圖1為中德生態(tài)園被動房技術(shù)中心實景。

1 建筑結(jié)構(gòu)特點

該項目的整個建筑設(shè)計融匯了綠色節(jié)能理念,建筑外立面采用了外掛陽臺錯層手法，鋁板幕墻設(shè)計結(jié)合了自然流水、鵝卵石等流動曲線形態(tài)元素，使得外立面既層次豐富又富有靈動性。此外，中庭空間貫穿了所有樓層，可將自然光引入到建筑中，進一步體現(xiàn)了“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化”的建筑理念。

該項目從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分考慮節(jié)能性，下文將從圍護結(jié)構(gòu)、防熱橋設(shè)計、氣密性構(gòu)造、外遮陽技術(shù)等方面分別進行闡述。

1.1 高性能圍護結(jié)構(gòu)

該項目采用了高性能的圍護結(jié)構(gòu)，充分滿足了被動式超低能耗建筑的熱工性能要求，具體參數(shù)與施工情況如表1所示。

圖1 中德生態(tài)園被動房技術(shù)中心

圖2 外遮陽設(shè)備（室外視角）

圖3 2#地源熱泵機組主機

表1 建筑熱物性指標(biāo)

1.2 防熱橋設(shè)計

該項目在設(shè)計過程中充分考慮了防熱橋設(shè)計，在結(jié)合熱橋特點的同時，設(shè)計嚴格遵守了以下原則：一是避免原則，即盡量不中斷保溫圍護結(jié)構(gòu)；二是穿透原則，即若穿透不可避免，則保溫層內(nèi)穿透材料熱阻應(yīng)盡可能高，并進行防熱橋的衰減設(shè)計；三是節(jié)點原則，即建筑構(gòu)件連接處的保溫層必須無空缺地全面積搭接；四是幾何原則，即邊角盡可能設(shè)計為鈍角。

防熱橋設(shè)計的具體措施主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）屋頂女兒墻的兩側(cè)全部使用保溫層包裹，保證了保溫圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的完整性；（2）地下室梁、柱由于需要穿過被動區(qū)，需全部包裹保溫材料，且柱子保溫材料向外延伸；（3）所有外挑露臺樓板均與主體斷開，結(jié)構(gòu)板和懸挑露臺之間填充巖棉板；（4）系統(tǒng)中的各種錨固錨栓構(gòu)件預(yù)先使用隔熱套管或加墊層等手法。通過以上措施，幾乎完全斷絕了系統(tǒng)性的熱橋問題。

1.3 氣密性構(gòu)造

該項目在設(shè)計之初就充分考慮了氣密性的保障措施。一方面，在房間內(nèi)側(cè)連續(xù)抹灰以形成建筑的氣密層；另一方面，使用連接構(gòu)件來保證氣密性?？紤]到因熱脹冷縮引起的錯位、裂紋和不可避免的穿透構(gòu)件，對于所有可能發(fā)生氣密性破壞的節(jié)點使用膠帶里外雙面密封，且墻體連接節(jié)點的抹灰一直延伸到混凝土樓板并上返到墻面。高效的氣密性做法，使得被動房技術(shù)中心的氣密性檢測N50≤0.6，達到了被動式建筑氣密性指標(biāo)要求。

1.4 建筑外遮陽技術(shù)

本項目采用德國外遮陽系統(tǒng)（圖2），產(chǎn)品具有高效遮陽、自然采光、節(jié)能環(huán)保、雙重節(jié)能、視野通透、防止眩光等特點。本項目工程遮陽面積達2000m2左右，可以將太陽能的熱系數(shù)從0.5降低到0.1。項目同時配置了樓宇控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)遮陽系統(tǒng)根據(jù)陽光照射狀態(tài)、溫度、風(fēng)力等自然條件自行啟閉和開閉葉片。

2 機電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 冷熱源

該項目采用了地埋管地源熱泵系統(tǒng)。根據(jù)專業(yè)公司出具的巖土熱響應(yīng)測試報告顯示，項目所在區(qū)域地質(zhì)以花崗巖為主，地埋管區(qū)域的綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.97W/（m·K），巖土體平均初始溫度為15.6℃，有利于夏季向地下巖土釋放熱量以及冬季從地下巖土抽取熱量。

冷熱源采用兩臺高能效地埋管地源熱泵機組，機組名義制冷工況和規(guī)定條件下的COP（Coefficient of Performance，能效比）＞5.0，名義制熱工況下的COP＞4.0。機組采用雙壓縮機，內(nèi)部設(shè)四通閥，可實現(xiàn)冬夏季模式切換。兩臺地源熱泵機組均位于地下二層的熱泵機房，分別為新風(fēng)熱回收機組和室內(nèi)冷梁系統(tǒng)提供冷熱源，采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)，機組分別提供高低溫冷凍水，最大限度提高機組效率。

其中，1#冷水機組為渦旋式機組，額定制冷量為133kW，額定制熱量135kW，可提供制冷季7℃/12℃的空調(diào)冷水和供暖季45℃／40℃的空調(diào)熱水，主要服務(wù)于新風(fēng)熱回收機組和首層地板輻射供暖系統(tǒng)機組采用部分熱回收式，可以制備生活熱水。2#冷水機組為螺桿式機組，額定制冷量為330kW，額定制熱量265kW，可提供制冷季16℃／19℃的空調(diào)冷水和供暖季45℃／40℃的空調(diào)熱水，主要服務(wù)于末端冷梁系統(tǒng)。圖3為2#螺桿式地源熱泵機組主機。

該項目空調(diào)系統(tǒng)末端為主動式冷梁和部分干式風(fēng)機盤管。制冷季冷梁的供回水溫度為17℃／20℃。為了解決冷水機組出水溫度和末端冷梁需求溫度不匹配的問題，機房內(nèi)設(shè)置蓄冷罐進行混水，可對供水溫度進行調(diào)節(jié)，滿足末端冷梁的溫度需求。同時為達到過渡季節(jié)能的目的，機房內(nèi)設(shè)置免費冷卻換熱器，直接利用地源側(cè)循環(huán)水，通過板式換熱器制備空調(diào)冷水。

圖4 空調(diào)水系統(tǒng)原理

圖5 主動式冷梁工作原理示意

圖6 主動式冷梁控制原理示意

表2 房間空調(diào)末端形式

2.2 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)采用二級泵兩管制變流量系統(tǒng)。一級泵采用一機對一泵的方式，即1#冷水機組對應(yīng)1臺室內(nèi)側(cè)循環(huán)泵，2#機組對應(yīng)2臺室內(nèi)側(cè)循環(huán)泵，一用一備?？紤]到1層入口大廳處為高大空間，因此增設(shè)了地板輻射供暖系統(tǒng)進行輔助供暖。對應(yīng)于新風(fēng)熱回收機組、1層地板輻射系統(tǒng)和室內(nèi)冷梁、干式風(fēng)盤末端分別設(shè)置2臺二級泵，均為一用一備。機房內(nèi)設(shè)蓄冷罐，可以穩(wěn)定供水溫度。在機房冷水供回水總管之間設(shè)置了壓差控制的電動旁通調(diào)節(jié)閥。空調(diào)冷水系統(tǒng)全樓豎向不分區(qū)，為異程式系統(tǒng)。圖4為空調(diào)水系統(tǒng)原理圖。

2.3 空調(diào)末端

空調(diào)末端設(shè)備的選取考慮了各房間的功能，具體形式如表2所示。

其中，主動式冷梁的工作原理為：新風(fēng)機組集中處理后的一次風(fēng)經(jīng)過接管送入室內(nèi)冷梁內(nèi)，通過噴嘴高速噴出，在噴嘴附近產(chǎn)生負壓，以誘導(dǎo)吸入室內(nèi)二次回風(fēng)。室內(nèi)二次回風(fēng)通過冷梁內(nèi)的水盤管冷卻或加熱后，與一次風(fēng)混合，最后由條縫型風(fēng)口送入室內(nèi)（圖5）。一次風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)的全部潛熱負荷，因此室內(nèi)冷梁是干工況運行，健康衛(wèi)生，空氣品質(zhì)較高。冷梁房間內(nèi)設(shè)置房間溫濕度控制器和防結(jié)露開關(guān)。房間溫濕度控制器可以設(shè)定房間溫度值和測量實際室內(nèi)溫度值，根據(jù)實際溫差信號控制冷梁水閥的通斷，以此調(diào)節(jié)房間的溫度。冷梁供水管入口段裝設(shè)防結(jié)露開關(guān)，防結(jié)露開關(guān)可以設(shè)定相對濕度控制值。當(dāng)防結(jié)露開關(guān)探測到水管表面的相對濕度到達預(yù)設(shè)的控制值時，輸出信號至房間溫濕度控制器，房間溫濕度控制器輸出信號關(guān)閉水閥切斷供水，防止水管結(jié)露（圖6）。

圖7 新風(fēng)熱回收機組夏季工況運行模式

圖8 新風(fēng)熱回收機組過渡季節(jié)工況運行模式

圖9 新風(fēng)熱回收機組冬季工況運行模式

圖10 空氣處理焓濕圖

表3 新風(fēng)機組夏季工況

2.4 新風(fēng)系統(tǒng)

本項目新風(fēng)系統(tǒng)共設(shè)3臺新風(fēng)熱回收機組，包括主樓和報告廳新風(fēng)系統(tǒng)共兩臺全熱回收機組以及衛(wèi)生間排風(fēng)單獨設(shè)置的顯熱回收機組。

根據(jù)人員新風(fēng)量需求，主樓新風(fēng)機組設(shè)計風(fēng)量為20 000 m3/ h，報告廳新風(fēng)機組新風(fēng)量為10 000 m3/ h，兩臺機組均進行全熱回收設(shè)計。全熱回收機組采用轉(zhuǎn)輪和板式兩級熱回收換熱器，熱回收效率可達85%，且板式換熱器可實現(xiàn)新風(fēng)除濕后的再生功能，減少了常規(guī)除濕后采用電加熱或盤管加熱等方式的再生能耗，可實現(xiàn)包括夏季除濕、冬季制熱及過渡季節(jié)全新風(fēng)等不同工況模式的切換。圖7～9為新風(fēng)熱回收機組運行模式原理。

根據(jù)青島室外氣象條件，詳細工況參數(shù)見表3、4及圖10。

為了充分回收室內(nèi)的熱量，衛(wèi)生間排風(fēng)單獨設(shè)置了熱回收機組?？紤]到轉(zhuǎn)輪全熱回收會違反衛(wèi)生防疫要求，因此選擇送排風(fēng)不直接接觸的顯熱交換器，考慮到冬夏季室內(nèi)外溫差（冬季溫差為27.2℃，夏季為3.4℃），新風(fēng)經(jīng)過風(fēng)機會有1℃的溫升，因此在實際運行過程中，僅在冬季采用顯熱回收，夏季衛(wèi)生間排風(fēng)直接排到室外。圖11為新風(fēng)原理圖。

本項目合理地進行氣流組織設(shè)計，新風(fēng)直接送入各房間內(nèi)，排風(fēng)不直接經(jīng)管道排出室外，而是先由房間排到中庭，再由中庭或公共空間集中收集后經(jīng)新風(fēng)熱回收機組熱回收后排出室外。該種方式使排風(fēng)充分流經(jīng)公共區(qū)域，有效地改善了公共區(qū)域的冷熱環(huán)境品質(zhì)。

表4 新風(fēng)機組冬季工況

表5 能耗碳排放設(shè)計指標(biāo)

圖11 新風(fēng)系統(tǒng)示意

圖12 屋面光伏及太陽能熱水布置實景

2.5 電氣節(jié)能

該項目采用高效照明和節(jié)能設(shè)計。各主要功能房間的功率密度分別為：辦公室6W/m2，會議室7W/m2，車庫1W/m2；照明控制方式為：辦公室、會議室、儲藏室及各設(shè)備機房等房間采用現(xiàn)場開關(guān)控制，而車庫、樓梯間及公共區(qū)間采用聲、光、時序等控制方式，從而達到節(jié)能和安全的目的。

3 可再生能源利用

該項目采用了地?zé)崮芗疤柲艿瓤稍偕茉?，地?zé)崮芙鉀Q采暖及制冷的冷熱源需求，太陽能提供發(fā)電及生活熱水。光伏發(fā)電模式為自發(fā)自用，多余電量并入市政電網(wǎng)。

屋面共布置200塊多晶硅電池組件（圖12），光伏總裝機容量約為52kWp，年均發(fā)電量為48 623kWh，占被動房技術(shù)中心過去一年總用電量的10%～15%。熱水系統(tǒng)采用太陽能集熱器+地源熱泵冷凝余熱回收+電輔熱互補性系統(tǒng)，提供4層公寓2.3t的生活熱水日最大需求量。

4 建筑運行數(shù)據(jù)分析

被動房的設(shè)計和施工是否有效，建筑運行過程中是否實現(xiàn)超低能耗的目標(biāo)，需要經(jīng)過一個長期的數(shù)據(jù)監(jiān)測、統(tǒng)計與分析的過程。下文選取該項目在2017年4月1日至2018年3月31日之間的供冷供熱量、運行能耗、室內(nèi)外溫濕度、室內(nèi)外PM2.5以及室內(nèi)CO2實際運行監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析。表5為該項目能耗和碳排放相關(guān)設(shè)計指標(biāo)與德國被動房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及65%公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的對比數(shù)據(jù)。

4.1 供冷供熱量

該項目供冷季為歷年7月1日～9月30日，供暖季為歷年11月16日～次年3月31日。

如圖13所示，該項目在2017年4月1日至2018年3月31日全年，供冷季供冷量為19.8萬kWh，折合單位面積年供冷量為14.38kWh/（m2·a），供暖季供熱量為19.9萬kWh，折合單位面積年供熱量為14.48kWh/（m2·a），單位面積冷熱量均顯著低于國家65%公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，充分驗證了被動式節(jié)能設(shè)計的優(yōu)越性。

圖13 逐月供冷/供熱量（2017.4.1～2018.3.31）

圖14 全年日耗電量統(tǒng)計（2017.4.1～2018.3.31）

圖15 各部分能耗百分比

圖16 青島市同類型公共建筑能耗統(tǒng)計對比

圖17 室內(nèi)外溫度（2017.4.1～2018.3.31）

表6 空調(diào)系統(tǒng)平均COP

4.2 運行耗電量

從圖14可見，該建筑能耗高峰值出現(xiàn)在2017年7月7日，耗能2 884.28kWh；低谷值出現(xiàn)在2017年4月16日，耗能408.38kWh。建筑全年總耗電為38.35萬kWh，折合單位建筑面積耗電27.86kWh/（m2·a）。

該項目全年能耗中各部分電耗占比如圖15。全年分項能耗中，地源熱泵系統(tǒng)（含地源熱泵機組及水泵）能耗占比最大，為9.56kWh/（m2·a），占全年總能耗34%；新風(fēng)系統(tǒng)能耗為3.92kWh/（m2·a），占全年總能耗14%；整個空調(diào)系統(tǒng)的能耗為13.49kWh/（m2·a），占建筑全年總能耗48%。空調(diào)系統(tǒng)COP如表6所示。

《青島市國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗公示》中與本建筑功能相近且同樣以電力為唯一外來能源的公共建筑共108座，通過對每座建筑的單位面積年能耗進行計算，其平均單位面積年電耗為53.83kWh/（m2·a）。將其與本建筑單位面積能耗進行比較，可得本建筑單位面積年電耗僅為同地區(qū)同類型建筑平均單位面積年電耗的52%，充分驗證了該建筑的低能耗特性（圖16）。

4.3 室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)分析

建筑室外內(nèi)的溫濕度、PM2.5以及CO2濃度，直接或間接地影響著人體的舒適度和健康。

4.3.1 室內(nèi)外溫度

從全年室內(nèi)外溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖17）可見，室內(nèi)溫度最高值為26.69℃，最低值為18.91℃，均值為22.78℃。全年室外平均溫度波動在25℃左右，室內(nèi)平均溫度波動在4℃左右。

4.3.2 室內(nèi)外濕度

通過對全年室內(nèi)外相對濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖18）統(tǒng)計，可見室內(nèi)相對濕度室最高值為67.7%，最低值為18.77%，均值為49.97%。全年來看，室外夏季濕度大冬季濕度小，室內(nèi)相對始終維持在30%～60%適宜范圍左右。

圖18 室內(nèi)外濕度（2017.4.1～2018.3.31）

圖19 室內(nèi)外PM2.5（2017.4.1～2018.3.31）

圖20 室內(nèi)CO2（2017.4.1～2018.3.31）

4.3.3 室內(nèi)外PM2.5

建筑室外PM2.5的主要來自于自然和人為因素，自然因素包括土壤揚塵、植物花粉、孢子、細菌等，人為因素包括機動車尾汽排放、工業(yè)生產(chǎn)等。室內(nèi)PM2.5變化主要受人為活動和室內(nèi)污染源的影響，人們往往忽略了室內(nèi)PM2.5的濃度。

從該項目全年室內(nèi)外PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖19）可見，室內(nèi)PM2.5濃度最高值為22.32μg/m?，最低值為2.03μg/m?，均值為5.36μg/m?。室內(nèi)PM2.5指數(shù)低于國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值35μg/m?。

4.3.4 室內(nèi) CO2濃度

全年室內(nèi)CO2濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖20所示，室內(nèi)CO2濃度最高值為568.90ppm，最低值為366.35ppm，均值為476.14ppm。室內(nèi)CO2濃度低于國家標(biāo)準(zhǔn)值1000ppm。

5 結(jié)語

綜上，中德生態(tài)園被動房技術(shù)中心項目單位面積建筑能耗僅為青島市同類公共建筑平均值的52%，并在保證項目低能耗的同時提供了舒適的室內(nèi)環(huán)境的舒適性，是一座具有示范意義的低能耗公共建筑。該案例為對北方公共建筑實現(xiàn)超低能耗提供了以下幾點啟示：（1）將綠色節(jié)能理念貫穿于建筑形式設(shè)計，并選用高性能的圍護結(jié)構(gòu)材料；（2）采用高能效的冷熱源機組和空調(diào)機組；（3）利用空調(diào)機組熱回收提升節(jié)能效果；（4）對燈具及其他設(shè)備進行智能管理，避免用電浪費；（5）因地制宜，充分利用可再生能源。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)(居住建筑)的通知[ER/OL](2015-11-10)[2018-06-07]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201511/t20151113_225589.html.

[2] 河北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳. 被動式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)DB13(J)/T177－2015[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2015.

[3] 趙士玉. 走進被動房——被動房概述與案例[M]. 東營: 中國石油大學(xué)出版社, 2016.

[4] 趙士玉. 被動式建筑典范——青島中德生態(tài)園被動房技術(shù)中心項目解析[M]. 東營: 中國石油大學(xué)出版社, 2017.

[5] 貝特霍爾德·考夫曼，沃爾夫?qū)し扑固? 德國被動房設(shè)計和施工指南[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2015.

[6] 青島被動屋工程技術(shù)有限公司. 青島中德生態(tài)園被動房技術(shù)中心2017制冷季能耗與環(huán)境監(jiān)測分析報告[R]. 2017．

[7] 青島被動屋工程技術(shù)有限公司. 青島中德生態(tài)園被動房技術(shù)中心2017～2018采暖季能耗與環(huán)境監(jiān)測分析報告[R]. 2018．