基于PHPP模擬的夏熱冬冷地區(qū)被動房保溫參數(shù)推薦值研究

司大雄，唐立強，王同雨，陳家騏，段園煜，胡明明

（1.中鐵四局集團有限公司設(shè)計研究院，安徽 合肥 230022；2.合肥學(xué)院建筑工程系，安徽 合肥 230601）

被動房概念1991年由wolfgang Feist以及Bo Adamson共同提出，最初的被動房定義為，無需傳統(tǒng)供暖制冷，僅靠新風(fēng)即可滿足全部冷熱負(fù)荷并達(dá)到規(guī)定舒適度的建筑。由于新風(fēng)能提供的冷熱負(fù)荷量很小，且相對于確定的新風(fēng)換氣次數(shù)的設(shè)計值來說，這個量也基本是確定的。所以最終被動房的標(biāo)準(zhǔn)為一系列的確定值，而非相對值[2]。

國內(nèi)目前也提出了若干被動房的相關(guān)定義以及判斷標(biāo)準(zhǔn)，此文采用最權(quán)威也是全世界使用最多的PHI（德國被動房研究所）的標(biāo)準(zhǔn)作為判斷依據(jù)，參考其對國內(nèi)不同代表城市的被動房的研究[3]，為夏熱冬冷地區(qū)的被動房保溫厚度的設(shè)計提供一個參考值。鑒于不同體形系數(shù)，不同窗墻比所帶來的最終結(jié)果影響較大，此文采用3個參考模型建筑分別為別墅、高層住宅以及辦公樓。采用此建筑在上海、成都以及鄭州三個城市氣候分別代表夏熱冬冷地區(qū)不同氣候特征來進(jìn)行計算。鄭州雖然不嚴(yán)格屬于夏熱冬冷地區(qū)，但其地理位置為夏熱冬冷和寒冷地區(qū)的交界處，其氣候同夏熱冬冷地區(qū)北部城市相仿，由于目前PHI的國內(nèi)城市氣候資料不多，此文使用鄭州氣候作為參考進(jìn)行計算，用來代表夏熱冬冷地區(qū)北部較寒冷城市的氣候特征。上海代表東部沿海教潮濕的氣候，成都代表西南地區(qū)，不同的氣候條件最終會對結(jié)果有較大的影響。三個城市的選擇具有一定的代表性，其結(jié)果也有一定的參考性。

1 被動房標(biāo)準(zhǔn)

被動房以高室內(nèi)熱舒適度和低能耗為特征。對于新建建筑，被動房的綜合經(jīng)濟性較好。根據(jù)可再生一次能源的產(chǎn)生量，分為普通、優(yōu)質(zhì)以及特級三個被動房標(biāo)準(zhǔn)，其對應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[1]。

PHI被動房標(biāo)準(zhǔn) 表1

PHI以此標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，PHPP為計算軟件，結(jié)合Design PH建模軟件共同完成被動房的設(shè)計和認(rèn)證，本文按照PHI普通級認(rèn)證的要求，對夏熱冬冷地區(qū)的被動房的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的研究，得出適合夏熱冬冷地區(qū)被動房設(shè)計參數(shù)的合理區(qū)間，為被動房的設(shè)計的參數(shù)選型提供參考。此研究針對的是假設(shè)模型情況下的建筑參數(shù)，實際建筑需根據(jù)其與假設(shè)模型的偏差做相應(yīng)的修改和核算。

2 建筑模型的建立

本文采用的三個模型為假想模型，其對應(yīng)的建筑基本參數(shù)如表2所示。

以上模型對應(yīng)的Design PH模型如圖1～圖3所示。

在以上建筑模型的基礎(chǔ)上使用上海、鄭州、成都的氣候參數(shù)代入PHPP進(jìn)行計算，得出對應(yīng)各個城市的設(shè)計參數(shù)。

3 PHPP計算

3.1 氣候參數(shù)

建筑基本參數(shù) 表2

圖1 別墅Design PH模型和計算圖

圖2 高層Design PH模型和計算圖

圖3 辦公樓Design PH模型和計算圖

PHPP計算所采用的數(shù)據(jù)必須為PHI提供的數(shù)據(jù)，PHPP進(jìn)行能耗計算使用的氣象參數(shù)為月平均參數(shù)，進(jìn)行負(fù)荷計算使用的是最不利日平均參數(shù)，與國內(nèi)慣用算法不同，其所計算出來的能耗及負(fù)荷也不同，國內(nèi)算法得出來的能耗值不能作為PHI認(rèn)證的參考值，PHI只認(rèn)可由PHPP計算的能耗及負(fù)荷值。PHI氣候數(shù)據(jù)由月平均溫度、各方向輻照量、露點溫度以及天空溫度和地面溫度，同時提供了最不利日的平均參數(shù)作為供暖和制冷負(fù)荷計算的參數(shù)。

3.2 計算條件

計算邊界條件對于建筑能耗尤其的重要，PHPP在進(jìn)行能耗計算時采用的邊界條件與國內(nèi)常規(guī)計算不同。限于篇幅此部分不展開，可參考《德國被動房設(shè)計施工指南》附錄部分[1]。

除此之外，還需要針對每個建筑根據(jù)其建筑類型、戶數(shù)、人數(shù)、建筑墻體形式以及認(rèn)證采用何種標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證計算單獨進(jìn)行輸入。

以上的參數(shù)為建筑的邊界條件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑的能耗平衡計算，進(jìn)而確定建筑的供暖需求、供暖負(fù)荷、制冷需求、制冷負(fù)荷以及一次能源各個指標(biāo)是否能滿足被動房標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在確定邊界條件和氣候參數(shù)之后，還需要輸入建筑的體形參數(shù)，即圍護結(jié)構(gòu)面積、建筑凈體積和門窗面積、遮陽情況，以上參數(shù)均為建筑的基本參數(shù)可由design PH直接導(dǎo)出。是將實體建筑簡化成模型的重要參數(shù)，在此基礎(chǔ)上通過賦予每個參數(shù)獨特的熱工性能就可以進(jìn)行建筑的熱平衡計算，進(jìn)而確定最優(yōu)的被動房設(shè)計方案。

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)PHPP計算的結(jié)果，在達(dá)到PHI認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)前提下，建筑的設(shè)計參數(shù)如表3所示。

能耗計算結(jié)果 表4

建筑設(shè)計參數(shù)表 表3

對應(yīng)的能耗計算結(jié)果如表4所示。

3.4 結(jié)果分析

以上的設(shè)計參數(shù)為假設(shè)模型的一種設(shè)計參數(shù)，為方便進(jìn)行研究，在計算時將除保溫以外的其他參數(shù)一般都按照統(tǒng)一的推薦值選取，推薦值的選取以現(xiàn)有的建成被動房項目中代表性的設(shè)計參數(shù)為參考，為被動房的一般選值做法，如果一般值不能滿足要求也做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。實際設(shè)計中參數(shù)可在推薦值上下浮動，但對應(yīng)的保溫厚度也會有相應(yīng)的調(diào)整，此處不再具體描述。

由以上數(shù)據(jù)可知，雖然同為夏熱冬冷地區(qū)，但由于氣候的參數(shù)不同，其被動房保溫設(shè)計的參數(shù)也不盡相同。同樣即使在同一氣候條件下不同的建筑體量以及建筑類型其對應(yīng)的保溫厚度也不相同。為了對項目盡可能的優(yōu)化，不造成投資過大，需要對項目進(jìn)行準(zhǔn)確的PHPP計算，此數(shù)據(jù)作為參考和推薦值，可在一開始設(shè)計時提供基本的保溫厚度的范圍選擇。目前有些被動房項目雖然處在夏熱冬冷地區(qū)，但其保溫厚度同中國北方的項目厚度相同，這也是不夠優(yōu)化的設(shè)計，從而造成設(shè)計的浪費。

本文通過對3種不同類型建筑在3個氣候條件下的被動房設(shè)計得出一個被動房在夏熱冬冷地區(qū)的保溫設(shè)計區(qū)間推薦值，具體數(shù)據(jù)如表5。

夏熱冬冷地區(qū)的保溫推薦值區(qū)間較大，這個結(jié)果表明如果在此氣候區(qū)通過一刀切的方式來制定標(biāo)準(zhǔn)，難免會導(dǎo)致浪費，即使在同一氣候條件下不同的體型系數(shù)，建筑類型其保溫厚度也有較大的差別。

夏熱冬冷地區(qū)不同建筑類型（體量）保溫厚度推薦值 表5

4 結(jié)論

德國被動房的設(shè)計思路同傳統(tǒng)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不同，不是通過對指標(biāo)的強制滿足或者參照建筑的節(jié)能率來體現(xiàn)。目前國內(nèi)已有自己的被動式超低能耗建筑的評價方法，其評價方法與國內(nèi)的節(jié)能建筑節(jié)能率計算相仿。針對國內(nèi)越來越多的被動房項目采用與國內(nèi)國情相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以更快更容易的對被動房加以審核和評價。但根據(jù)不同城市氣候以及建筑本身體量以及建筑類型的單獨計算仍然是必要的。推薦值是為了方便一開始設(shè)計時選擇方向，最終的設(shè)計參數(shù)同推薦值有一定出入也是正常的，只要總的能耗指標(biāo)滿足要求，就是一個合格的被動房。