嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗居住建筑設(shè)計(jì) 要點(diǎn)及運(yùn)行效果分析
——以中海河山大觀項(xiàng)目為例

建科環(huán)能科技有限公司 高彩鳳 呼和浩特市海巍地產(chǎn)有限公司 曲 斌 建科環(huán)能科技有限公司 陳夢(mèng)源 彭 莉 潘玉亮 呼和浩特市海巍地產(chǎn)有限公司 金 陽 范 平

0 引言

2020年9月22日，在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間，我國(guó)提出了二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[1]。作為碳排放量約占全社會(huì)排放量30%的建筑用能環(huán)節(jié)，也理應(yīng)承擔(dān)其應(yīng)有的責(zé)任。而實(shí)施超低能耗建筑則正是建筑環(huán)節(jié)大幅節(jié)能減排的有效措施。超低能耗建筑的能耗水平應(yīng)較國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ 75—2012《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》降低50%以上[2]。該技術(shù)體系強(qiáng)調(diào)通過應(yīng)用更好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、高性能門窗、高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)、高建筑氣密性和無熱橋設(shè)計(jì)建造，僅使用非常少的一次能源，實(shí)現(xiàn)更好的室內(nèi)環(huán)境舒適度，是中國(guó)建筑行業(yè)向低碳和綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型的方向。

我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，夏季涼爽短暫，特殊的氣候條件決定了嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑冷熱源需求以供暖為主。而超低能耗建筑高保溫、高氣密性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)降低建筑熱負(fù)荷效果明顯，因此相比于寒冷、夏熱冬冷等其他供冷需求顯著的地區(qū)，僅需要靠提高保溫性能和氣密性就可以實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能的超低能耗建筑在嚴(yán)寒地區(qū)具有更高的經(jīng)濟(jì)性。然而，嚴(yán)寒地區(qū)建設(shè)超低能耗建筑也面臨挑戰(zhàn)。例如：面對(duì)極寒氣候，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫是否需要加厚？當(dāng)較厚的外保溫增加保溫安裝安全性風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，如何確定最適宜的保溫厚度？穿墻孔洞、外窗安裝等熱橋是否影響嚴(yán)重？室內(nèi)外動(dòng)輒40 ℃的溫差，高保溫、高氣密性外窗采用什么樣的型材能夠在室內(nèi)外巨大溫差波動(dòng)下維持保溫隔熱及氣密性的耐久性？冷熱源方案如何能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、提供高舒適度的同時(shí)使用戶獲得節(jié)能收益？這些問題都亟需解決方法及工程實(shí)踐的驗(yàn)證。

嚴(yán)寒地區(qū)目前建成或在建的超低能耗建筑項(xiàng)目及其主要技術(shù)措施見表1。

表1 嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑項(xiàng)目及其主要技術(shù)措施[3-6]

由表1可見，嚴(yán)寒地區(qū)案例項(xiàng)目中，以單棟小面積示范性的實(shí)施居多，規(guī)?；瘜?shí)施超低能耗高層住宅小區(qū)的案例較少。已有的項(xiàng)目保溫厚度一般在200～300 mm之間，設(shè)備系統(tǒng)也不盡相同。

本文以中海河山大觀項(xiàng)目為例，介紹針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)氣候特點(diǎn)的超低能耗建筑設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，并對(duì)項(xiàng)目樣板間供暖季運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析，評(píng)估該項(xiàng)目技術(shù)策略的有效性。該項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)大規(guī)模推廣超低能耗居住建筑具有借鑒意義。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市毫沁營(yíng)板塊。占地面積158 739.94 m2，建筑面積164 152.88 m2。包含的9棟住宅全部實(shí)施了超低能耗建筑技術(shù)，總建筑面積為135 356.79 m2。項(xiàng)目地下1層，地上25層或26層。結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，主力戶型為98、128 m2三居室，143、176 m2四居室。該項(xiàng)目主要部品設(shè)計(jì)做法及性能參數(shù)見表2。

2 超低能耗建筑設(shè)計(jì)指標(biāo)

嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗居住建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)、建筑能耗及氣密性指標(biāo)均應(yīng)滿足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中超低能耗建筑的相關(guān)規(guī)定。

2.1 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)

超低能耗居住建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)見表3。

2.2 建筑能耗及氣密性指標(biāo)

表2 項(xiàng)目主要部品設(shè)計(jì)做法及性能參數(shù)(1～3、5～8、11、12#樓)

表3 建筑主要房間室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)

該項(xiàng)目超低能耗居住建筑能效指標(biāo)見表4。

表4 超低能耗居住建筑能效指標(biāo)

3 超低能耗專項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 建筑布局

3.1.1建筑形體簡(jiǎn)潔規(guī)整

為了適應(yīng)超低能耗建筑體形系數(shù)盡可能小的要求，嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑項(xiàng)目應(yīng)采用簡(jiǎn)潔的建筑形體，盡可能減少外立面的轉(zhuǎn)折和凹凸變化，減少散熱面和結(jié)構(gòu)性熱橋，減少自遮擋，降低熱負(fù)荷。該項(xiàng)目平面設(shè)計(jì)規(guī)整，且采用內(nèi)包式陽臺(tái)，避免突出的陽臺(tái)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性熱橋。

3.1.2建筑平面布局合理

嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑宜布局為正南正北朝向，應(yīng)采用淺進(jìn)深大面寬設(shè)計(jì)，優(yōu)化南北立面開窗位置和面積，以充分利用自然通風(fēng)降低過渡季負(fù)荷，提升采光效果，同時(shí)滿足冬季盡可能獲取太陽輻射得熱的需求。建筑單體平面及自然通風(fēng)示意圖見圖1。

圖1 建筑單體平面及自然通風(fēng)示意圖

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

3.2.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫

嚴(yán)寒地區(qū)冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，極端溫度較低。以該項(xiàng)目所在地呼和浩特為例，供暖季為每年10月15日至次年4月15日，長(zhǎng)達(dá)半年。供暖季室外最低溫度低于-20 ℃，冬季空調(diào)設(shè)計(jì)室外溫度為-20.3 ℃。

超低能耗建筑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能要求較高，導(dǎo)致嚴(yán)寒地區(qū)建筑需要較厚的外保溫，增加了高層建筑尤其是高海拔地區(qū)高層建筑保溫層可靠性風(fēng)險(xiǎn)。呼和浩特地區(qū)冬季最高風(fēng)速可達(dá)到14 m/s。保溫材料與結(jié)構(gòu)墻體的黏接劑及錨栓需要同時(shí)承受保溫板的自重和較大的風(fēng)荷載，過重的保溫材料勢(shì)必增加保溫后期脫落的風(fēng)險(xiǎn)。因此該項(xiàng)目的外保溫應(yīng)采用性能化設(shè)計(jì)方法，在滿足超低能耗要求的前提下，盡可能做薄。同時(shí)，在保溫安裝時(shí)應(yīng)在每樓層設(shè)置至少一圈保溫托架。

性能化設(shè)計(jì)是指以建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和能效指標(biāo)為性能目標(biāo)，利用建筑負(fù)荷、能耗模擬工具，對(duì)設(shè)計(jì)方案中各參數(shù)進(jìn)行逐步優(yōu)化，最終達(dá)到預(yù)定性能目標(biāo)要求的設(shè)計(jì)過程[7]。該過程因涉及多個(gè)影響室內(nèi)環(huán)境及能耗指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，如外墻傳熱系數(shù)、外窗傳熱系數(shù)、外窗太陽得熱系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、建筑整體氣密性、新風(fēng)熱回收效率、設(shè)備系統(tǒng)效率等，每個(gè)參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)推薦范圍內(nèi)取值時(shí)，可產(chǎn)生數(shù)以百萬計(jì)的可選方案，在所有達(dá)標(biāo)方案中選取所需的優(yōu)化方案，可通過性能化設(shè)計(jì)優(yōu)化工具完成。需要注意的是，即便是同一小區(qū)，不同的樓棟由于其建筑布局、體形系數(shù)、朝向、周邊建筑遮擋情況等不同，保溫的設(shè)計(jì)優(yōu)選厚度也可能不同。

經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，案例項(xiàng)目一部分樓棟保溫材料由250 mm厚石墨聚苯板加巖棉隔離帶組成，另一部分樓棟則由260 mm厚石墨聚苯板加巖棉隔離帶組成。低于嚴(yán)寒地區(qū)采用同樣保溫材料的同類項(xiàng)目保溫厚度，同時(shí)設(shè)計(jì)性能滿足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的超低能耗居住建筑的指標(biāo)要求。該項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)推薦的設(shè)計(jì)指標(biāo)值及性能化設(shè)計(jì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)值對(duì)比見表5。

表5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)推薦值對(duì)比

可見，要達(dá)到超低能耗建筑室內(nèi)環(huán)境和能效指標(biāo)要求，并非要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能參數(shù)都取標(biāo)準(zhǔn)推薦值中的最優(yōu)值，而是可在所有達(dá)標(biāo)方案中根據(jù)項(xiàng)目需求，比如保溫最薄、成本最低或綜合效益最大等，比選出最優(yōu)的方案，即性能化設(shè)計(jì)優(yōu)化。該項(xiàng)目采用的判定標(biāo)準(zhǔn)為達(dá)標(biāo)方案中外墻保溫最薄的方案。

3.2.2外窗安裝

超低能耗建筑外窗應(yīng)具有高保溫隔熱性能，高氣密性、水密性及抗風(fēng)壓性能。嚴(yán)寒地區(qū)冬季室內(nèi)外溫差可達(dá)40～50 ℃，要求外窗仍能夠保證氣密性及耐久性，對(duì)于外窗內(nèi)外側(cè)型材的熱脹冷縮抗變形性能要求較高。此外，高性能外窗的質(zhì)量可達(dá)80 kg/m2，目前絕大部分仍借鑒國(guó)外外掛式的安裝方式，這種安裝方式外窗懸在窗洞外側(cè)，窗框四周通過固定角件與外墻固定，如果墻體、角件或螺栓等出現(xiàn)問題，存在外窗墜落風(fēng)險(xiǎn)，且更換外窗時(shí)需要破壞外墻保溫及飾面層。

超低能耗建筑外窗的安裝方式應(yīng)綜合考慮安裝熱橋影響、安全性及更換可行性等。如前所述，由于該項(xiàng)目屬于高層住宅，保溫較厚且當(dāng)?shù)囟撅L(fēng)力較大，考慮到外窗安裝的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，該項(xiàng)目創(chuàng)新性地在超低能耗建筑中采用了啟口帶附框的嵌入式安裝方式。對(duì)普通建筑常采用的嵌入式安裝方式進(jìn)行了改進(jìn)，外窗與墻體交接處安裝了保溫附框，并讓外墻保溫適當(dāng)包裹窗框，有效地降低了嵌入式的安裝熱橋。

嵌入式安裝的弊端是安裝熱橋略高，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的安裝熱橋計(jì)算分析，確保其不會(huì)導(dǎo)致局部結(jié)露、不會(huì)影響局部舒適度及整體能耗達(dá)標(biāo)。

該項(xiàng)目采用Psi-Therm軟件對(duì)2種安裝方式進(jìn)行了計(jì)算分析，該軟件是一款可以計(jì)算線性熱橋傳熱系數(shù)的有限元分析軟件，軟件中可以構(gòu)建詳細(xì)的建筑截面和邊界條件，計(jì)算傳熱系數(shù)、熱流、表面溫度及線性熱橋傳熱系數(shù)。其計(jì)算方法符合ISO 10211的要求[8]，可以用來進(jìn)行超低能耗建筑的熱橋計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果顯示，采用外掛式安裝與嵌入式安裝，窗內(nèi)側(cè)最不利點(diǎn)溫度分別為18.48、18.51 ℃，無結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，且不影響局部舒適度；考慮安裝熱橋后的整窗傳熱系數(shù)分別為1.034、1.082 W/(m2·K)。嵌入式安裝熱橋納入能耗計(jì)算后，整體能耗指標(biāo)仍達(dá)標(biāo)。以外窗上口為例，2種外窗安裝方式的熱橋模擬計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 2種外窗安裝方式熱橋模擬計(jì)算結(jié)果

3.2.3氣密性與無熱橋設(shè)計(jì)

嚴(yán)寒地區(qū)建筑氣密性與熱橋?qū)δ芎呐c舒適度的影響尤為顯著。室內(nèi)外空氣通過門窗縫隙或洞口無組織滲透，在供暖季或空調(diào)季，會(huì)增加供暖負(fù)荷或空調(diào)負(fù)荷[9]。超低能耗建筑應(yīng)合理設(shè)計(jì)氣密性包含區(qū)域，嚴(yán)格遵循無熱橋及氣密性設(shè)計(jì)原則和方法，營(yíng)造室內(nèi)良好的氣密性環(huán)境，對(duì)于可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性熱橋的部位應(yīng)進(jìn)行妥善處理。氣密性薄弱處通常在門窗四周與洞口處，門窗本身、穿墻/穿屋面管道、線管洞口，穿地下室底板洞口等部位有縫隙，應(yīng)盡可能保證洞口周邊保溫填塞及內(nèi)外側(cè)氣密性材料的粘貼密實(shí)。應(yīng)重點(diǎn)核查氣密性設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)做法及施工工藝工法，確保完成質(zhì)量。

該項(xiàng)目實(shí)施過程中，避免了在外墻上固定龍骨、支架等可能導(dǎo)致熱橋的部件；保溫使用斷熱橋的錨固件；管道穿外墻部位熱橋經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算分析后，預(yù)留了足夠的保溫間隙，洞口周邊局部無結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，且不影響室內(nèi)舒適度；戶內(nèi)開關(guān)、插座接線盒等均置于內(nèi)墻上；處于氣密區(qū)域邊界的外門全部采用高保溫隔熱性、高氣密性外門，且采用了斷熱橋安裝方式。

3.3 暖通空調(diào)系統(tǒng)

3.3.1冷熱源選擇

對(duì)超低能耗居住建筑而言，采用常規(guī)集中式能源系統(tǒng)來滿足建筑的單戶負(fù)荷需求，其靈活性和可調(diào)節(jié)性都存在一定不足。分散的戶用高效冷熱源從靈活可控、產(chǎn)權(quán)劃分上都具有優(yōu)勢(shì)[10]。超低能耗建筑冷熱負(fù)荷顯著低于常規(guī)建筑，考慮設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行效率及用戶個(gè)性化啟閉、調(diào)節(jié)靈活性，在寒冷地區(qū)常采用空氣源熱泵與新風(fēng)一體機(jī)。

而在嚴(yán)寒地區(qū)，空氣源熱泵的效率將大幅下降，且在極寒天氣容易發(fā)生故障，因此應(yīng)考慮采用超低溫空氣源熱泵。超低溫空氣源熱泵采用準(zhǔn)二級(jí)壓縮噴射增焓系統(tǒng)，保證機(jī)組在-30～-25 ℃仍能正常制熱，實(shí)現(xiàn)了空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)供暖的可能。

此外，在嚴(yán)寒地區(qū)，超低能耗住宅的熱源也可采用市政供暖及戶式燃?xì)獗趻鞝t等形式。冷源可另設(shè)分體機(jī)或超低能耗建筑專用多聯(lián)機(jī)。需要指出的是，在寒冷地區(qū)綜合能效低于空氣源熱泵的市政供熱，在嚴(yán)寒地區(qū)其綜合能效、供暖可靠性及舒適度均表現(xiàn)較優(yōu)，所欠缺的僅僅為絕大部分地區(qū)無法實(shí)現(xiàn)的熱計(jì)量收費(fèi)，使得使用過程中，用戶無法享受超低能耗帶來的收益。實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)對(duì)多種方案的運(yùn)行可靠性、能源利用效率及初投資等進(jìn)行綜合比選。

根據(jù)項(xiàng)目情況結(jié)合相關(guān)方意向，該項(xiàng)目機(jī)電系統(tǒng)可能采用的方案的優(yōu)缺點(diǎn)及能耗計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 冷熱源方案分析

可見，除方案3電供暖之外，其余供暖方式建筑綜合能耗值均可以達(dá)標(biāo)。方案1由于項(xiàng)目所在地?zé)o法實(shí)現(xiàn)熱計(jì)量收費(fèi)，用戶采用市政供暖無法享受超低能耗帶來的收益而未被采用；方案2存在室外掛冰錐及冰錐墜落風(fēng)險(xiǎn)而未被采用。最終，該項(xiàng)目采用了方案4(超低溫空氣源熱泵的戶式新風(fēng)冷熱源一體機(jī))，同時(shí)采用石墨烯電熱膜作為備用系統(tǒng)。超低溫空氣源熱泵突破了常規(guī)戶式新風(fēng)冷熱源一體機(jī)在嚴(yán)寒地區(qū)的使用限制。該系統(tǒng)能夠省去接入市政供暖的配套費(fèi)用及樓內(nèi)管線鋪設(shè)費(fèi)用，在市政供暖不實(shí)行計(jì)量收費(fèi)的地區(qū)，該方式可使用戶切實(shí)體會(huì)到超低能耗的節(jié)能收益。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在室外溫度-20 ℃、室內(nèi)溫度20 ℃的工況下，該項(xiàng)目所采用機(jī)組正常制熱，COP為1.69。

石墨烯電供暖系統(tǒng)可作為備用系統(tǒng)，在極端天氣情況下一體機(jī)效率衰減或發(fā)生故障時(shí)啟用，啟用電供暖時(shí)可享受呼和浩特市發(fā)展改革委對(duì)電供暖實(shí)施的峰谷電價(jià)優(yōu)惠政策。

3.3.2新風(fēng)系統(tǒng)

超低能耗住宅新風(fēng)量應(yīng)按照人均不低于30 m3/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)滿足GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中居住建筑最小換氣次數(shù)的要求。系統(tǒng)宜采用全熱回收裝置，設(shè)備全熱回收效率不應(yīng)小于70%，熱回收機(jī)組單位風(fēng)量耗功率不應(yīng)超過0.45 W/(m3/h)。

與冷熱源相同，超低能耗建筑的新風(fēng)系統(tǒng)也常采用分戶式系統(tǒng)。分戶獨(dú)立設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)無高低層戶間不平衡問題，在疫情背景下，無戶間污染和病毒擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，且耗損部品如濾網(wǎng)的更換周期由用戶自行決定，可實(shí)現(xiàn)最佳新風(fēng)凈化效果。若超低能耗建筑項(xiàng)目冷熱源為空氣源熱泵，則采用新風(fēng)系統(tǒng)與熱泵組合的新風(fēng)熱泵一體機(jī)系統(tǒng)，可有效減少設(shè)備體積，減少占用室內(nèi)空間。

在嚴(yán)寒地區(qū)，應(yīng)特別注意一體機(jī)室內(nèi)機(jī)的防凍和室外機(jī)的化霜水要有組織排放。新風(fēng)管道應(yīng)安裝預(yù)熱裝置，當(dāng)室外溫度低于-10 ℃時(shí)，新風(fēng)預(yù)熱裝置啟動(dòng)。新風(fēng)預(yù)熱能耗應(yīng)計(jì)入建筑整體能耗。

室外化霜水管可就近引入室內(nèi)排放或在室外立管排放，需注意排水管在室外的保溫和伴熱，否則，化霜水可能結(jié)冰堵塞排水管并形成外掛冰錐，存在安全隱患。

3.3.3廚房和衛(wèi)生間通風(fēng)措施

超低能耗建筑廚房應(yīng)設(shè)置就近補(bǔ)風(fēng)，補(bǔ)風(fēng)量等于抽油煙機(jī)排風(fēng)量。嚴(yán)寒地區(qū)由于室內(nèi)外溫差較大，補(bǔ)風(fēng)口應(yīng)盡可能布置在灶臺(tái)附近，減少室外冷空氣對(duì)廚房操作空間環(huán)境參數(shù)的影響。空間允許時(shí)，可設(shè)置風(fēng)井補(bǔ)風(fēng)。衛(wèi)生間排風(fēng)應(yīng)進(jìn)行能量回收。

3.4 可再生能源利用

我國(guó)太陽能資源豐富的嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)，大氣透明度好，日照輻射強(qiáng)[11]。超低能耗建筑應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉促Y源條件，充分利用可再生能源，減少一次能源消耗。該項(xiàng)目所在地區(qū)太陽能資源豐富，在屋頂安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電用于公共區(qū)域的照明。

1、8#樓各設(shè)最大輸出功率310 W的單晶光伏組件90塊，預(yù)計(jì)年發(fā)電量41 850 kW·h；2、3、11、12#樓各設(shè)最大輸出功率310 W的單晶光伏組件54塊，預(yù)計(jì)年發(fā)電量25 110 kW·h；4、6、7#樓各設(shè)最大輸出功率310 W的單晶光伏組件72塊，預(yù)計(jì)年發(fā)電量33 480 kW·h。項(xiàng)目各住宅樓光伏總裝機(jī)容量(最大輸出功率)為189.72 kW，預(yù)計(jì)年發(fā)電量284 580 kW·h。

4 運(yùn)行效果評(píng)估

超低能耗建筑應(yīng)具有室內(nèi)環(huán)境及能耗參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)施，并在運(yùn)行過程中對(duì)運(yùn)行效果是否達(dá)標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)適及性能提升改進(jìn)。

4.1 監(jiān)測(cè)需求

應(yīng)根據(jù)GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求，對(duì)超低能耗建筑室內(nèi)環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)和建筑分類分項(xiàng)能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄。通過數(shù)據(jù)分析運(yùn)行狀況，優(yōu)化能源系統(tǒng)運(yùn)行策略，確保實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

該項(xiàng)目設(shè)置1套能源管理系統(tǒng)，從820戶中選擇26戶、包含5種戶型的典型戶，監(jiān)測(cè)其室內(nèi)環(huán)境參數(shù)及運(yùn)行分項(xiàng)能耗，為項(xiàng)目運(yùn)行效果評(píng)估及能效提升、運(yùn)行策略的不斷改進(jìn)提供依據(jù)。

4.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

該項(xiàng)目已建設(shè)與主打戶型相同的樣板間，樣板間位于項(xiàng)目地塊內(nèi)樣板房?jī)?nèi)部，獨(dú)立建造，建筑層數(shù)為1層，建筑總高度6.65 m，建筑層高3 m，樣板間總建筑面積314 m2，其中住宅戶型樣板間供暖面積112 m2。樣板間平面圖見圖2。其圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、門窗、熱橋與氣密性處理、設(shè)備系統(tǒng)等均與主體建筑同戶型做法相同。樣板間在建成后經(jīng)歷了首個(gè)寒冷冬季的考驗(yàn)，獲取了運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖2 樣板間平面圖

4.2.1室內(nèi)外溫度與空調(diào)耗電量

對(duì)樣板間的室內(nèi)溫度、一體機(jī)耗電量及室外溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和整理，得到圖3。2021年1月18日開始房間內(nèi)關(guān)閉了新風(fēng)一體機(jī)，開啟了石墨烯電供暖系統(tǒng)進(jìn)行供暖系統(tǒng)試驗(yàn)。2020年10月1日至2021年1月31日室外最低溫度近-28 ℃，由圖3可見，室內(nèi)溫度始終維持在20 ℃以上，平均值為23.9 ℃，溫度曲線平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，極寒天氣對(duì)室內(nèi)溫度的影響非常有限。由此可以看出，超低溫空氣源熱泵在極寒天氣下仍可穩(wěn)定運(yùn)行，為室內(nèi)提供穩(wěn)定的熱源。

圖3 室內(nèi)外溫度與一體機(jī)耗電量關(guān)系

監(jiān)測(cè)期間室外溫度呈逐漸下降趨勢(shì)，與之相應(yīng)，一體機(jī)每日耗電量逐漸升高，每月室外平均溫度、室內(nèi)平均溫度及平均每日耗電量見圖4。

圖4 供暖季每月室外平均溫度、室內(nèi) 平均溫度及平均每日耗電量

由圖4可見，樣板間測(cè)試期間室內(nèi)溫度均高于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中要求的20 ℃。

呼和浩特市供暖時(shí)間為每年10月15日至次年4月15日，共計(jì)183 d。根據(jù)樣板間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以及已有的3個(gè)月的平均耗電量與逐月平均溫度的比例關(guān)系可測(cè)算出全供暖季日平均耗電量為18.27 kW·h。根據(jù)樣板間實(shí)際運(yùn)行情況，供暖季室內(nèi)平均溫度為23.9 ℃，利用IBE軟件[12]計(jì)算出的樣板間供暖累計(jì)耗熱量指標(biāo)為48.67 kW·h/(m2·a)，根據(jù)設(shè)備廠家提供的超低溫空氣源熱泵曲線計(jì)算出該氣候區(qū)的供暖季平均COP為2.2，再考慮當(dāng)室外溫度低于-10 ℃時(shí)，開啟新風(fēng)電預(yù)熱，利用逐時(shí)氣象參數(shù)和一體機(jī)設(shè)定的預(yù)熱溫度及逐時(shí)風(fēng)量數(shù)據(jù)可計(jì)算出該部分能耗為4.10 kW·h/(m2·a)。此外，根據(jù)實(shí)測(cè)新風(fēng)量及超低能耗建筑風(fēng)機(jī)能耗約束值可算出新風(fēng)排風(fēng)機(jī)組的能耗為5.56 kW·h/(m2·a)，綜合考慮后，新風(fēng)一體機(jī)系統(tǒng)COP為1.53。因此樣板間能耗計(jì)算預(yù)測(cè)值為17.61 kW·h/d，與實(shí)測(cè)值的偏差為3.4%，在合理范圍內(nèi)。

樣板間預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差可能源于多種因素：1) 樣板間的實(shí)際室外工況與模擬計(jì)算所采用典型年氣象參數(shù)不同，導(dǎo)致計(jì)算負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷有偏差；2) 樣板間測(cè)試時(shí)間為建成后運(yùn)行的首個(gè)供暖季圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄冷蓄濕會(huì)導(dǎo)致機(jī)組耗電量略高；3) 首個(gè)供暖季圍護(hù)結(jié)構(gòu)含濕量高導(dǎo)致墻體整體的傳熱系數(shù)較設(shè)計(jì)值偏高；4) 樣板間參觀人數(shù)較多，外門頻繁開啟，導(dǎo)致室外空氣滲透量高于常規(guī)建筑；等。

但總體來看，IBE軟件預(yù)測(cè)的供暖負(fù)荷及能耗與實(shí)際值非常接近。

根據(jù)目前的運(yùn)行數(shù)據(jù)，若電費(fèi)按0.5元/(kW·h)計(jì)算，樣板間供暖季供暖費(fèi)用為1 671.91元，單位面積供暖費(fèi)用11.69元/m2。與呼和浩特地區(qū)市政供暖費(fèi)用每年22元/m2相比，可節(jié)約47%。考慮到樣板間的諸多不利條件，如獨(dú)立一戶，上下及左右均無供暖房間相鄰，其外墻、屋面、及地面均向室外環(huán)境散熱，可預(yù)測(cè)主體建筑投入使用后平均每日耗電量在樣板間基礎(chǔ)上有較大下降空間?？梢娫擁?xiàng)目技術(shù)措施綜合節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.2.2相對(duì)濕度

對(duì)樣板間運(yùn)行過程中的室內(nèi)外相對(duì)濕度數(shù)據(jù)匯總整理，得到圖5。由圖5可見，測(cè)試期間室外相對(duì)濕度在20%～90%之間，波動(dòng)幅度較大，而室內(nèi)相對(duì)濕度波動(dòng)較為平穩(wěn)，基本維持在30%～40%之間?；緷M足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中冬季室內(nèi)相對(duì)濕度不小于30%的要求。

圖5 測(cè)試期間室內(nèi)外日平均相對(duì)濕度關(guān)系

4.2.3PM2.5

對(duì)樣板間一體機(jī)自行記錄的PM2.5濃度數(shù)據(jù)及中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)公布的每日室外PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，得到圖6。

圖6 測(cè)試期間室內(nèi)外平均PM2.5質(zhì)量濃度關(guān)系

可見，樣板間運(yùn)行過程中PM2.5的日均質(zhì)量濃度在0～40 μg/m3范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為7.90 μg/m3。室外PM2.5質(zhì)量濃度大部分時(shí)間在6～100 μg/m3范圍內(nèi)波動(dòng)，少數(shù)天氣PM2.5污染較重，可達(dá)到250 μg/m3以上。在室外PM2.5質(zhì)量濃度超過250 μg/m3時(shí)，室內(nèi)達(dá)到43 μg/m3，空氣品質(zhì)優(yōu)良。供暖季全時(shí)段室外PM2.5質(zhì)量濃度平均值為44.84 μg/m3?？梢?，室內(nèi)PM2.5的質(zhì)量濃度平均值相當(dāng)于室外濃度的18%，表明樣板間氣密性處理有效，新風(fēng)系統(tǒng)過濾效果良好。

4.2.4CO2濃度

對(duì)樣板間記錄的CO2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和整理，得到圖7。

圖7 測(cè)試期間室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)

CO2日平均體積分?jǐn)?shù)大部分時(shí)間均在6×10-4以下，樣板間運(yùn)行過程中CO2日平均體積分?jǐn)?shù)最大值為6.98×10-4，最小值為4.06×10-4，平均值為5.08×10-4，低于設(shè)計(jì)目標(biāo)限值1.0×10-3。個(gè)別時(shí)段升高至6.98×10-4，與樣板間人員參觀活動(dòng)有關(guān)。

可見，與主體建筑同等設(shè)計(jì)的樣板間首個(gè)冬季運(yùn)行過程中室內(nèi)溫濕度滿足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定；室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度低于GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中一類區(qū)適用的濃度限值；室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)滿足GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定；由于樣板間試運(yùn)行條件所限，供暖季能耗略高于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，但扣除因蓄冷蓄濕導(dǎo)致的耗電量后，主體建筑投入運(yùn)行后應(yīng)能夠低于設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

5 結(jié)論

嚴(yán)寒地區(qū)建設(shè)超低能耗居住建筑節(jié)能效益顯著，適宜大規(guī)模推廣。嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)如下：

1) 建筑總圖布局及平面布局應(yīng)能夠充分獲得太陽輻射得熱、自然采光及通風(fēng)；

2) 外保溫厚度應(yīng)采用性能化設(shè)計(jì)優(yōu)化，且保溫安裝時(shí)應(yīng)設(shè)置托架；

3) 外窗型材應(yīng)具有對(duì)抗室內(nèi)外較大溫差的材料穩(wěn)定性和耐久性，安裝方式應(yīng)考慮熱橋值、安全性及后續(xù)更換的可行性；

4) 冷熱源系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的方案比選分析后確定，若采用超低溫空氣源熱泵一體機(jī)，應(yīng)注意做好應(yīng)急備用系統(tǒng)，計(jì)算新風(fēng)預(yù)熱能耗，考慮室外化霜水的排放問題。