智能集成熱舒適系統(tǒng)在青島中德生態(tài)園被動房中的應(yīng)用

韓敏杰 王 平 吳明勛 司曉燕/ HAN Minjie, WANG Ping, WU Mingxun, SI Xiaoyan

INTELLIGENTES KOMFORT-SYSTEM IM PASSIVHAUS DES DEUTSCHCHINESISCHEN ?KOPARKS QINGDAO

APPLICATION OF INTEGRATED THERMAL COMFORT SYSTEM IN PASSIVE HOUSE:QINGDAO SINO-GERMAN ECOPARK

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平及生活質(zhì)量的提高，環(huán)境壓力與能源消耗日益增多。建筑行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動力，能源消耗占比較高，數(shù)據(jù)顯示，建筑能耗占全國能源消耗總量的20%左右。推廣綠色、循環(huán)、低碳、節(jié)能、創(chuàng)新的發(fā)展理念，已經(jīng)成為建筑領(lǐng)域重要發(fā)展方向。

被動式房屋是國際公認(rèn)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，它起源于德國，其發(fā)展?jié)摿σ言诘聡玫搅蓑炞C。熱舒適系統(tǒng)作為一種高效的智能集成式系統(tǒng)，將制冷、采暖、除濕、新風(fēng)、除霾、生活熱水等功能集成一體，進(jìn)行室內(nèi)溫度、濕度、潔凈度處理，同時提供高效生活熱水，是被動式房屋的關(guān)鍵技術(shù)之一，在提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，保證建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適性和節(jié)能環(huán)保等方面起著至關(guān)重要的作用。

1 熱舒適系統(tǒng)對被動房整體性能的支撐作用

智能集成式熱舒適系統(tǒng)以地下水為冷熱源，利用熱泵原理，根據(jù)用戶的設(shè)定條件凈化并引入新風(fēng)，同時進(jìn)行溫、濕度調(diào)節(jié)，力圖為被動房提供恒溫、恒濕、恒氧、恒潔、恒靜的室內(nèi)環(huán)境，同時系統(tǒng)利用熱回收循環(huán)提供免費(fèi)的生活熱水，實現(xiàn)能源有效回收以及高效應(yīng)用，是保證被動房舒適性及節(jié)能性的重要手段。

1.1 節(jié)能

在傳統(tǒng)建筑中，制冷采暖能耗占建筑能耗的60%以上。被動房作為一種全新節(jié)能型建筑，全年供暖供冷需求較低，與現(xiàn)行國家節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相比，供暖能耗降低85%以上。被動房的超低能耗一方面需要依靠建筑本身的氣密性、保溫性、遮陽等圍護(hù)結(jié)構(gòu)減少能量損失；另一方面需要盡可能利用高效可再生能源，減小一次能源消耗率。智能集成式熱舒適系統(tǒng)正是利用可循環(huán)地下水作為冷熱源，通過高效的地源熱泵系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)，集中控制室內(nèi)溫度、濕度以及新風(fēng)，減少建筑制冷采暖和新風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗。

1.2 健康及舒適度

被動房的整體建筑氣密性較好，室內(nèi)人員活動產(chǎn)生的CO2，家居衣物等揮發(fā)性有機(jī)物很難自然排出室外，濃度越積越高，不利于人體健康；而建筑室內(nèi)的溫濕度也極大地影響了使用者的舒適度。智能集成式熱舒適系統(tǒng)一方面可以進(jìn)行空氣置換，排出室內(nèi)污染物，將室外新鮮富氧空氣凈化除霾后引入室內(nèi)，保證室內(nèi)含氧量和潔凈度，為室內(nèi)人員提供清新健康的空氣，另一方面可以對新風(fēng)和室內(nèi)空氣進(jìn)行制冷、制熱、除濕處理，保證室內(nèi)適宜的溫濕度和體感舒適。

2 中德生態(tài)園被動房住宅項目應(yīng)用分析

2.1 工程基本情況

該住宅項目坐落于中德生態(tài)園區(qū)內(nèi)，為被動房住宅推廣示范小區(qū)，建筑面積超過11萬m2，搭建了首個國內(nèi)被動房BIM（Building Information Model，建筑信息模型）能耗管理平臺，是國家“十三五”“近零能耗建筑技術(shù)體系及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”重點專項課題。項目通過高保溫隔熱性能的非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)、保溫隔熱性能和氣密性能優(yōu)良的外窗、無熱橋的設(shè)計與施工、高氣密性，保證了建筑制冷和采暖的低能耗需求。下文將以該項目中應(yīng)用的“Elysée water”系統(tǒng)為例分析集成熱舒適系統(tǒng)在被動房中的具體應(yīng)用。

2.2 整體熱舒適度需求

青島地區(qū)夏季濕熱多雨，冬季風(fēng)大溫低，除了需要高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)保證室內(nèi)空氣品質(zhì)外，還需要冬季供暖和夏季制冷設(shè)備、除濕設(shè)備進(jìn)行溫度和濕度調(diào)節(jié)，生活熱水的需求也是重要的一部分。

（1）新風(fēng)

根據(jù)《住宅設(shè)計規(guī)范》，《民用建筑供暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》關(guān)于室內(nèi)新風(fēng)的相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，按照換氣次數(shù)、單位人員新風(fēng)量、排除污濁空氣，3種計算方法取最大值。

（2）空調(diào)負(fù)荷

以圖1所示的一套普通房型的制冷和采暖負(fù)荷的設(shè)計方案為例，介紹房屋的負(fù)荷情況。該房型可以分為11個分區(qū)，總套內(nèi)面積約為122m2，根據(jù)《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、《民用建筑供暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》和被動房保溫氣密性要求的設(shè)計（劉燕 等，2008），設(shè)計院計算負(fù)荷需求如表1所示。

圖1 中德生態(tài)園典型住宅戶型

表1 負(fù)荷計算表

根據(jù)計算，該被動房的制冷負(fù)荷為2680.57W，制熱負(fù)荷為1886.51W，單位面積制冷負(fù)荷約為22.0W/m2，制熱負(fù)荷15.5W/m2，遠(yuǎn)低于普通住宅負(fù)荷（普通住宅空調(diào)負(fù)荷約180.0W/m2），約為后者的12%。冬夏季節(jié)新風(fēng)負(fù)荷在總負(fù)荷中占比有所不同，夏季約為總負(fù)荷的15%，而冬季則為36%。

（3）熱水

熱水應(yīng)滿足日常的廚房和浴室洗漱需求。根據(jù)該項目的實際情況，熱水箱的大小可以選配100～300L。

圖2 智能集成式熱舒適系統(tǒng)產(chǎn)品外觀

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行原理示意

2.3 熱舒適系統(tǒng)設(shè)計難點

（1）在分散空間小負(fù)荷條件下集成新風(fēng)

由于每個空間的負(fù)荷非常小，已經(jīng)超過了常規(guī)的分體式家用空調(diào)能力范圍。而一般的新風(fēng)系統(tǒng)又沒有足夠的空氣處理能力，無法滿足冷熱負(fù)荷的要求。如果采用獨(dú)立的管道式空調(diào)系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)，就必須要接很多風(fēng)管，而建筑的過梁孔對梁的結(jié)構(gòu)影響較大——過多的孔會嚴(yán)重影響梁的尺寸進(jìn)而影響層高和造價。

獨(dú)立的兩套系統(tǒng)，對室內(nèi)的氣流組織要求也比較嚴(yán)格。在某些條件下，容易在冷熱交匯的區(qū)域形成冷凝水，影響舒適性甚至?xí)绊憠w等的表面結(jié)構(gòu)。因此將新風(fēng)和空氣處理結(jié)合是本項目采用的一個良好的解決方案。而如何在確保新風(fēng)的前提下精準(zhǔn)控制房間的溫濕度是一大挑戰(zhàn)。

（2）熱水系統(tǒng)的節(jié)能性設(shè)計

若使用常規(guī)的熱水系統(tǒng)，則除了空調(diào)新風(fēng)的電力消耗外，還需要消耗額外的能源如燃?xì)饣蛴糜诩訜岬念~外電能。熱泵熱水器通過近年來煤改電的大力推動，漸漸被廣大的用戶接受，且技術(shù)也逐漸成熟。然而，將熱泵熱水器的技術(shù)與空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)三合一則對系統(tǒng)設(shè)計和控制提出了很大的挑戰(zhàn)。

（3）系統(tǒng)集中控制的穩(wěn)定性

建筑的集成舒適系統(tǒng)，尤其是對于住宅建筑而言，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是首先需要考慮的因素。熱舒適系統(tǒng)的控制包含熱泵部分控制、新風(fēng)部分控制以及生活熱水、新風(fēng)預(yù)熱裝置等子系統(tǒng)的集中控制。新風(fēng)供給控制算法和房間負(fù)荷控制算法是關(guān)鍵之一。同時，無論是在制冷、制熱、通風(fēng)模式下都必須隨時提供生活熱水，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高。

2.4 智能集成式熱舒適系統(tǒng)

智能集成式熱舒適系統(tǒng)是一種將制冷、采暖、除濕、新風(fēng)、除霾、生活熱水功能集成在一臺機(jī)組上的設(shè)備系統(tǒng)，能在滿足舒適的基礎(chǔ)上，合理準(zhǔn)確地進(jìn)行系統(tǒng)集成控制和熱回收（圖2）。

2.4.1 工作原理和技術(shù)特點

集成式舒適設(shè)備系統(tǒng)采用地下淺層地?zé)嶙鳛槔錈嵩?，將傳統(tǒng)空調(diào)、新風(fēng)、除濕機(jī)和熱水器功能集成一體，整體集成智能控制。機(jī)組通過一定能耗，將室外新風(fēng)凈化引入，對室內(nèi)空氣和新風(fēng)進(jìn)行制冷/制熱或除濕處理，為用戶帶來清新干爽、冷熱適宜的空氣體驗。同時，可以提供省時不間斷的生活熱水（圖3）。

利用青島氣候特性及水地源的便利性，冬季系統(tǒng)從地下水吸取熱量，對室內(nèi)空氣和新風(fēng)進(jìn)行加熱處理，保證室內(nèi)溫暖如春，同時可以高效產(chǎn)生生活熱水；夏季，將室內(nèi)多余熱量排到地下，保證室內(nèi)清爽舒適，同時可以利用系統(tǒng)熱回收制取免費(fèi)的生活熱水。

系統(tǒng)控制室內(nèi)空氣的過程，由3個氣流循環(huán)組成，即室外新風(fēng)、室內(nèi)污風(fēng)、室內(nèi)循環(huán)風(fēng)。通過不同氣流循環(huán)和處理，在不同季節(jié)提供不同的控制運(yùn)行模式。

（1）制冷模式

青島地區(qū)夏季白天炎熱，需要高效遮陽減少熱傳遞，晚上室外溫度較高，室內(nèi)人員活動產(chǎn)生大量熱量，夜間制冷需求達(dá)到峰值，單獨(dú)的通風(fēng)制冷對溫度調(diào)節(jié)范圍有限，可以開啟系統(tǒng)制冷模式保證室內(nèi)涼爽舒適。

運(yùn)行制冷模式時，室外新風(fēng)經(jīng)過三級過濾，通過制冷溫度交換效率超過90%的熱交換芯進(jìn)行能量回收，在混風(fēng)箱與室內(nèi)回風(fēng)混合并經(jīng)過翅片盤管制冷后，通過風(fēng)閥控制，獨(dú)立送到各個房間。根據(jù)用戶在控制器上的溫度設(shè)定，調(diào)節(jié)各風(fēng)口的獨(dú)立風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，自動準(zhǔn)確地控制各房間的溫度。室內(nèi)污濁空氣與引入室內(nèi)的新風(fēng)，經(jīng)過熱交換芯進(jìn)行高效能量回收后，排出室外（圖4）。

對于該項目的家庭洗澡和做飯的生活熱水需求，集成舒適系統(tǒng)利用地下水源冬暖夏涼的特點和冷媒系統(tǒng)熱回收循環(huán)原理，通過套管式換熱器回收需要排到地下的多余熱量后，將容量為200L水箱中的水加熱至45℃，即以廢熱回收方式提供生活熱水。當(dāng)水箱中的水不足時，則通過補(bǔ)水口進(jìn)行補(bǔ)水，確保用戶可以穩(wěn)定獲得45℃的生活熱水；當(dāng)熱水充足無需加熱時，將多余熱量排入地下水源；當(dāng)水箱中的熱水用完后，則通過熱泵的直接熱交換保證熱水的持續(xù)供應(yīng)，為用戶提供恒定的熱水。

制冷模式下，普通住宅的多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)無法回收空調(diào)的廢氣熱量用于加熱生活用水，能源直接排放到空氣中，不但浪費(fèi)了能源，同時導(dǎo)致周邊環(huán)境溫度升高，進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)溫度也會隨之升高。集成舒適系統(tǒng)使用的地下水源溫度較低且穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)于空氣，大大地提升了熱交換效率，使COP（Coefficient of Performance）值提升至3.5～4.6。而普通風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組的COP值一般為2.8左右，且隨著外界環(huán)境溫度的增高，制冷能力會有較大的衰減。

（2）制熱模式

青島地區(qū)冬季室外溫度較低，室內(nèi)外溫差較大，室內(nèi)活動和設(shè)備產(chǎn)生熱量有限，需要有單獨(dú)制熱措施以保證室內(nèi)的適宜溫度。

冬季室外溫度較低，為了保證室內(nèi)送風(fēng)溫度舒適度，同時預(yù)防熱交換芯結(jié)冰，當(dāng)室外新風(fēng)低于-10℃時，預(yù)加熱器開啟，低溫新風(fēng)需要預(yù)熱處理后再送入室內(nèi)。在制熱模式下，經(jīng)過粉塵、細(xì)菌及顆粒物過濾的室外新風(fēng)由熱交換芯換熱后，與室內(nèi)回風(fēng)混合，混合后空氣通過翅片盤管加溫再由風(fēng)閥控制，獨(dú)立送到各個房間。制熱模式下同樣可以通過溫度控制器以及獨(dú)立風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，自動準(zhǔn)確控制各房間的溫度，并回收排氣廢熱（圖5）。

圖4 夏季制冷循環(huán)氣流

圖5 冬季預(yù)加熱制熱循環(huán)氣流

普通的高效熱交換新風(fēng)系統(tǒng)，熱交換效率（顯熱）為60%左右，一般不具備新風(fēng)預(yù)熱功能。以青島地區(qū)為例，當(dāng)冬季室外溫度為-7℃，室內(nèi)溫度為20℃時，送入室內(nèi)的新風(fēng)溫度將會低于9℃，人體明顯感覺較冷，新風(fēng)的舒適性較差。而采用智能集成式系統(tǒng)后，由于高達(dá)93%的熱交換效率（顯熱），在同樣的工況下送到混風(fēng)段的新風(fēng)溫度將會上升至18℃左右，再和空調(diào)回風(fēng)混合并通過翅片盤管的制熱后，送風(fēng)溫度將達(dá)到35℃以上，不但提高了新風(fēng)的送風(fēng)舒適性，同時顯著降低了空調(diào)的能耗。

制熱模式下，在房間的設(shè)定溫度達(dá)到要求時，通過變頻壓縮機(jī)多余的功率加熱生活用水。若房間仍然需要進(jìn)行制熱，而熱水水箱中的水溫不夠或是需要補(bǔ)水時，系統(tǒng)優(yōu)先加熱生活熱水；若家庭需要生活熱水而熱水水箱中的水已全部用完，則系統(tǒng)滿負(fù)荷加熱生活用水。

（3）新風(fēng)模式

春秋季節(jié)，室內(nèi)外溫差較小，可以不進(jìn)行制冷制熱，僅開啟新風(fēng)模式進(jìn)行空氣置換。 系統(tǒng)的旁通功能，可以使空氣不經(jīng)過熱交換芯，最大限度地節(jié)能運(yùn)行。

引進(jìn)機(jī)組的室外新風(fēng)經(jīng)過3級過濾，直接通過風(fēng)閥送入室內(nèi)，保證室內(nèi)空氣含氧量和空氣品質(zhì)。旁通模式可以根據(jù)室外環(huán)境溫度和設(shè)定的溫度差異自動開啟，氣流不通過熱交換芯，減小氣流風(fēng)阻從而實現(xiàn)節(jié)能，同時可保護(hù)熱交換芯，延長其使用壽命，減少更換頻率。

系統(tǒng)通過套管式換熱器對生活熱水進(jìn)行加熱，并通過另外一個套管式換熱器和地下水進(jìn)行冷量交換。

（4）除濕模式

過渡季節(jié)或潮濕夏季，相對濕度較大，人體容易感覺悶熱，為了保證室內(nèi)舒適度需要進(jìn)行濕度控制處理。

在低溫（14～22℃）、高濕（相對濕度70%～95%）的環(huán)境下，傳統(tǒng)通過制冷方式進(jìn)行除濕的方式，容易造成房間溫度過低（≤16℃），從而導(dǎo)致溫控停機(jī)，影響除濕效果。集成舒適系統(tǒng)中配備了再熱盤管，使除濕后的空氣再度升溫，在保證除濕效果的基礎(chǔ)上，保證了室內(nèi)溫度的舒適性。

在進(jìn)行除濕時，冷凝側(cè)的多余熱量通過套管熱回收，進(jìn)行生活用水的加熱，從而不間斷地提供生活熱水。

2.4.2 應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

該項目的設(shè)計新風(fēng)量與回風(fēng)量之比為1:2。額定制冷時，室內(nèi)回風(fēng)溫度為27/19℃, 新風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度為35/24℃， 混風(fēng)溫度為29.6/21.1℃。對比無新風(fēng)工況與有新風(fēng)工況，系統(tǒng)的制冷量之比為1:1.43，即當(dāng)開啟新風(fēng)的時候，系統(tǒng)的制冷能力增加約43%。系統(tǒng)的EER（Energy Efficiency Ratio，能效比）之比為1:1.05，可知新風(fēng)對EER的影響并沒有對制冷能效的影響大。

額定制熱時，室內(nèi)側(cè)回風(fēng)溫度為20/15℃，新風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度為7/6℃，混風(fēng)溫度為15.5/12.2℃。對比無新風(fēng)與有新風(fēng)的工況，制熱能力大致不變，但是COP比為1:1.2。

值得注意的是，系統(tǒng)在各工況下的性能與控制邏輯密切相關(guān)。如控制目標(biāo)是蒸發(fā)溫度，或是冷凝溫度，抑或是出風(fēng)溫度，都直接影響到能力的輸出。

在熱水供給能力方面，如圖6所示。熱泵制熱水能力與地源進(jìn)水溫度密切相關(guān)。夏季（30℃）制熱水的能力約比冬季（5℃）高80%。而冬季恰恰對熱水的需求量最大，因此在制熱水能力無法滿足家庭的需求時，同時提供其他的熱水選項作為熱泵之外的輔助熱源也是一個可選擇的方案，如電輔助加熱、燃?xì)廨o助加熱、太陽能加熱等。本案例的系統(tǒng)采用了可選配的電輔助加熱。

3 結(jié)語

在中國，人們對被動房的興趣和發(fā)展日益增長，而熱舒適環(huán)境是被動房最關(guān)鍵的需求之一。系統(tǒng)的集成化是熱舒適系統(tǒng)的趨勢——將新風(fēng)、制冷、制熱、通風(fēng)、除濕以及熱水功能集成，可以有效減少設(shè)備數(shù)量，降低安裝的難度，并實現(xiàn)能源的回收優(yōu)化。其中，控制系統(tǒng)對于功能的實現(xiàn)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，需要特別注意。

圖6 不同工況下的熱水供給能力

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 住宅設(shè)計規(guī)范: GB 50096-2011[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

[2] 中國建筑科學(xué)院. 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范: GB50736-2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn): JGJ / T346-2014[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2015.

[4] 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,[ER/OL](2015-11-10)[2018-06-07]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201511/t20151113_225589.html.

[5] 青島市公用建筑設(shè)計研究院有限公司. 被動房住宅推廣示范小區(qū)項目[Z],2017.

[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．