北京市某被動式超低能耗幼兒園暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

中國建筑設(shè)計研究院有限公司 韓武松 宋占壽 趙 剛

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于北京南五環(huán)與南六環(huán)之間，地鐵4號線清源路站西南側(cè)，緊鄰主干道興華大街，南側(cè)為富華路，西側(cè)為規(guī)劃縱一路，東側(cè)和北側(cè)為住宅區(qū)。該項(xiàng)目為集教學(xué)、活動、辦公及輔助用房于一體的幼兒園建筑(見圖1)，體形系數(shù)為0.3，地上3層，無地下室，建筑高度14.4 m，總建筑面積4 097 m2。

圖1 幼兒園鳥瞰圖

為打造北京市教育系統(tǒng)被動式超低能耗示范項(xiàng)目，按照LEED School金級、綠標(biāo)三星、WELL Educational Facilities金級建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，提供孩子生理、心理和行為發(fā)展相適宜的舒適幼兒園環(huán)境，為類似設(shè)計積累經(jīng)驗(yàn)，提供可參考的樣本，希望帶動建設(shè)低能耗教育建筑的積極性，推動我國低能耗建筑的落地。

2 超低能耗建筑技術(shù)要求

被動式超低能耗綠色建筑(以下簡稱超低能耗建筑)是指適應(yīng)氣候特征和自然條件，通過保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用高效新風(fēng)熱回收技術(shù)，最大程度地降低建筑供暖供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗為導(dǎo)向，提供舒適室內(nèi)環(huán)境并能滿足綠色建筑基本要求的建筑，最大限度地降低對主動式機(jī)械供暖或制冷系統(tǒng)的依賴[1]。

依據(jù)《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則》[1]，超低能耗公共建筑關(guān)鍵部品性能技術(shù)要求如表1所示。

表1 超低能耗公共建筑關(guān)鍵部品性能參數(shù)

3 供暖空調(diào)能耗分析

根據(jù)北京市氣候特點(diǎn)和幼兒園特定的環(huán)境，人員作息和設(shè)備使用方面的信息如下：1) 幼兒園每日運(yùn)營時間為08:00—18:30，暖通空調(diào)設(shè)備中午不停運(yùn)；2) 兒童人數(shù)為360人，教職工人數(shù)為60人。室內(nèi)散熱參數(shù)的估算及負(fù)荷、能耗計算均基于以上信息。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性如下：建筑外墻為200 mm厚加氣混凝土砌塊，K=0.15 W/(m2·K)，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.16 W/(m·K)；外保溫為250 mm厚巖棉板，λ=0.044 W/(m·K)；屋面為300 mm厚EPS板(可發(fā)性聚苯乙烯板)，K=0.15 W/(m2·K)，λ=0.039 W/(m·K)，無冷熱橋。外門窗采用被動式塑鋼門窗，K=1.0 W/(m2·K)，采用三玻兩腔雙Low-E中空玻璃(充氬氣)，外窗與外墻連接采用室內(nèi)側(cè)防水隔汽膜和室外側(cè)防水透汽膜密封布置，這種性能的外窗具有良好的采光、隔熱和保溫性能，利用自然采光的同時對波長不同的太陽光選擇性透射，夏季將室外太陽熱能反射，冬季將室內(nèi)輻射到玻璃上的近似紅外線全部反射回室內(nèi)。

幼兒園建筑的熱、冷負(fù)荷及需冷、熱量的計算結(jié)果與建筑內(nèi)部人員、照明、設(shè)備散熱情況直接相關(guān)，該建筑熱工、設(shè)備及內(nèi)部熱源計算參數(shù)見表2。

表2 該幼兒園項(xiàng)目計算參數(shù)

利用建筑能耗模擬軟件(EnergyPlus)對幼兒園逐時冷熱負(fù)荷和能耗進(jìn)行計算模擬，得出該幼兒園供暖空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)：冷負(fù)荷指標(biāo)為37.42 W/m2，熱負(fù)荷指標(biāo)為21.24 W/m2；為達(dá)到設(shè)計建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境，需冷量為29.62 kW·h/(m2·a)，需熱量為18.64 kW·h/(m2·a)，需冷量較常規(guī)幼兒園建筑大大降低。

3.1 需冷量與冷負(fù)荷特點(diǎn)分析

利用軟件模擬計算幼兒園空調(diào)冷熱負(fù)荷與能耗，該幼兒園全天24 h空調(diào)冷負(fù)荷變化見圖2，最大冷負(fù)荷發(fā)生在13:00，此時冷負(fù)荷指標(biāo)為37.42 W/m2。該項(xiàng)目冷負(fù)荷構(gòu)成如圖3所示，其中太陽輻射得熱和人員負(fù)荷對整個幼兒園項(xiàng)目的冷負(fù)荷影響最大，分別為17.54、9.56 W/m2，占比分別為46.9%、25.5%。原因是13:00太陽輻照度最大，幼兒園老師和孩子集中在室內(nèi)，人員密度較大。

圖2 全天冷負(fù)荷隨時間變化

圖3 冷負(fù)荷構(gòu)成分析

3.2 需熱量與熱負(fù)荷特點(diǎn)分析

通過分析計算，該幼兒園供暖熱負(fù)荷的構(gòu)成如圖4所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱形成的供暖熱負(fù)荷為19.63 W/m2，通風(fēng)形成的供暖熱負(fù)荷為10.14 W/m，合計為29.77 W/m2，建筑內(nèi)部熱源得熱為8.53 W/m2，得到冬季供暖熱負(fù)荷指標(biāo)為21.24 W/m2。冬季供暖需熱量構(gòu)成如圖5所示，太陽輻射、人體、照明和設(shè)備的得熱量，可以補(bǔ)償冬季供暖熱負(fù)荷的58%，其中太陽輻射得熱和人員得熱占比最大，占總得熱量的42%，計算供暖期需熱量為18.64 kW·h/(m2·a)。

圖4 熱負(fù)荷構(gòu)成分析

4 供暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

該項(xiàng)目建筑面積4 097 m2，系統(tǒng)夏季空調(diào)總冷負(fù)荷153.4 kW，冬季空調(diào)總熱負(fù)荷87 kW。

超低能耗建筑輔助供暖供冷應(yīng)優(yōu)先利用可再生能源，減少一次能源的使用?？稍偕茉粗饕ㄌ柲?、地?zé)崮?、空氣熱能及生物質(zhì)燃料等[2]，但是LEED中不認(rèn)為地?zé)崮苁强稍偕茉?。結(jié)合相關(guān)綠色建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對可再生能源的要求，該項(xiàng)目采用超低溫空氣源熱泵為幼兒園提供冷熱源，水專業(yè)利用太陽能熱水系統(tǒng)，電氣專業(yè)利用光伏發(fā)電以滿足LEED的要求。

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，區(qū)分房間朝向，對系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)控制：南北各設(shè)置2套空氣源熱泵機(jī)組，每套制冷量40 kW、制熱量45 kW，超低溫空氣源熱泵機(jī)組提供空調(diào)供暖冷熱水，熱泵機(jī)組與水泵放置于屋頂，夏季供/回水溫度為7 ℃/12 ℃，冬季供/回水溫度為45 ℃/40 ℃。熱泵機(jī)組的制冷性能系數(shù)COP為3.4，綜合負(fù)荷部分性能系數(shù)IPLV達(dá)3.7，滿足相關(guān)國標(biāo)中節(jié)能評價限值的要求，并同時滿足美國ASHRAE 90.1-2010空氣源熱泵性能標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置于屋頂有利于換熱。

該項(xiàng)目設(shè)置風(fēng)機(jī)盤管+轉(zhuǎn)輪全熱回收新風(fēng)系統(tǒng)+低溫輻射地板供暖系統(tǒng)。供暖空調(diào)末端裝置可獨(dú)立啟停的主要功能房間達(dá)到95%，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立溫濕度調(diào)節(jié)和啟停控制。

4.1 供暖系統(tǒng)

冬季玻璃的冷輻射和熱空氣上浮作用疊加，會使人員活動區(qū)體感溫度較低，導(dǎo)致人員的熱舒適性感受大打折扣。從生理學(xué)上來說，人體各部位的溫度不同，頭部較高、足部較低，人體腳底血液循環(huán)相對頭部差，腳暖頭涼更符合人體的舒適性要求，是較為適合人體的室內(nèi)溫度分布。幼兒園孩子平均身高在1.3 m以下，經(jīng)常與墻壁、地面身體接觸，采用低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)特別符合幼兒園孩子的人體熱舒適要求和生理特點(diǎn)，更加貼合孩子的活動特點(diǎn)和身心健康需求。

在分集水器總管上設(shè)置1個自動溫控閥，控制整個用戶或區(qū)域的室內(nèi)溫度[3]，夏季關(guān)閉。該項(xiàng)目每間教室設(shè)置1個控制室內(nèi)溫度的感溫裝置，與設(shè)在室內(nèi)分水器入口的溫控閥連接控制，滿足每間教室個性化熱環(huán)境調(diào)節(jié)需求。室內(nèi)熱水地板輻射供暖分集水器設(shè)在衛(wèi)生間，方便操作檢修。感溫裝置的位置與建筑及室內(nèi)精裝設(shè)計配合確定，溫控面板設(shè)于教室內(nèi)墻距地1.5 m高度處(或與室內(nèi)照明開關(guān)并排設(shè)置)，避開太陽照射及其他發(fā)熱體。

4.2 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)為兩管制。空氣源熱泵機(jī)組集成空調(diào)側(cè)自帶水泵及膨脹罐，選用1臺電子水處理儀，起緩蝕、除銹、脫色和超凈過濾的作用。系統(tǒng)南北區(qū)域各2臺機(jī)組均獨(dú)立出管，水管均為異程布置。各主分支處設(shè)靜態(tài)平衡閥，各支路回水管上設(shè)手動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)水力平衡。立管和水平干管最高點(diǎn)設(shè)自動排氣閥，最低點(diǎn)設(shè)泄水閥。

空調(diào)末端采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)的形式，冷熱水均由屋頂空氣源熱泵機(jī)組提供，設(shè)自動轉(zhuǎn)換閥，通過自動轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)夏季送冷水、冬季送熱水?？照{(diào)水變流量運(yùn)行，各末端系統(tǒng)的流量隨需求側(cè)負(fù)荷和室外氣象條件變化而變化。

5 高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)與室內(nèi)氣流組織

按照LEED School金級和WELL Educational Facilities金級要求，該項(xiàng)目教室的設(shè)計新風(fēng)量需比ASHRAE 62.1-2013的規(guī)定值提高30%，即幼兒園教室新風(fēng)量不小于28 m3/(人·h)×(1+30%)=37 m3/(人·h)，走道、門廳等公共區(qū)域新風(fēng)量不小于1.5 m3/(m2·h)。

超低能耗建筑應(yīng)優(yōu)先利用高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)滿足室內(nèi)供冷或供暖要求，不用或少用輔助供暖供冷系統(tǒng)[1]。該項(xiàng)目在幼兒園屋頂設(shè)置屋頂式熱回收新風(fēng)機(jī)組(帶旁通)回收排風(fēng)冷熱量，帶冷熱盤管，為活動區(qū)域提供新風(fēng)，保持室內(nèi)衛(wèi)生和正壓。顯熱換熱效率不應(yīng)低于75%，全熱換熱效率不應(yīng)低于70%。降低新風(fēng)負(fù)荷，可實(shí)現(xiàn)過渡季全新風(fēng)工況，當(dāng)室外溫濕度適宜時，新風(fēng)可經(jīng)旁通管直接進(jìn)入室內(nèi)(疫情期間運(yùn)行策略相同)，不經(jīng)過熱回收裝置，降低能耗；合理采用變頻控制技術(shù)，以節(jié)省能源，降低運(yùn)行能耗。與室外連接的排風(fēng)與進(jìn)風(fēng)管上安裝電動密閉型保溫閥，開啟時先開電動風(fēng)閥后啟動風(fēng)機(jī)，停機(jī)順序相反，保證建筑的氣密性。新風(fēng)機(jī)組在送風(fēng)口處設(shè)置新風(fēng)監(jiān)控裝置，安裝風(fēng)量傳感器、風(fēng)量控制閥，監(jiān)控實(shí)際新風(fēng)量與設(shè)計值的偏差，超過15%報警，保障教室空氣新鮮、溫濕環(huán)境合適，給孩子們營造一個身心健康的學(xué)習(xí)生活環(huán)境。

室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與聯(lián)動做法如下：

1) 在教室內(nèi)部安裝空氣監(jiān)測裝置，監(jiān)測1.2～1.8 m高度處的顆粒物、CO2或臭氧中至少2種污染物，測量間隔不應(yīng)超過1 h。每層樓設(shè)置1塊不小于15 cm×13 cm的屏幕，實(shí)時顯示每間教室的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，包括溫度、相對濕度、CO2濃度。

2) 主要功能房間中人員密度較高(人員密度超過0.25人/m2)，且隨時間變化大的區(qū)域在距地面0.9～1.8 m的位置設(shè)置CO2傳感器，并與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動。

3) 對室內(nèi)甲醛進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)超標(biāo)實(shí)時報警。

新風(fēng)系統(tǒng)時刻保持室內(nèi)空氣健康、含氧量充足，并維持較低的CO2含量，提升教室內(nèi)空氣質(zhì)量。對教室內(nèi)的CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測，并與新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動。教室設(shè)置獨(dú)立控制面板，控制面板和遙控器可以單獨(dú)控制室內(nèi)溫度、送風(fēng)風(fēng)速等參數(shù)。幼兒園教室、音體室等人員密集場所設(shè)置CO2濃度探測儀進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測，根據(jù)室內(nèi)CO2濃度聯(lián)動變頻新風(fēng)機(jī)組[4]。機(jī)組內(nèi)設(shè)置空氣過濾凈化器(F7或MERV13以上)，以提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量。每層至少選取1個具有代表性的教室設(shè)置顆粒物濃度監(jiān)測傳感設(shè)備，使得室內(nèi)PM2.5年均質(zhì)量濃度不高于25 μg/m3，且PM10年均質(zhì)量濃度不高于50 μg/m3。風(fēng)機(jī)盤管回風(fēng)管道預(yù)留空間，以便將來安裝碳吸收器或具有活性炭的組合式過濾器，風(fēng)機(jī)盤管選型也應(yīng)滿足上述要求。

設(shè)計主風(fēng)道風(fēng)速宜小于3 m/s，送風(fēng)口風(fēng)速不宜大于1.5 m/s；新風(fēng)管道在吊頂空間允許的情況下建議將方管換成截面面積相同的圓管，降低管道的沿程阻力。

新風(fēng)管線太長會造成不必要的送風(fēng)壓力損失，增加風(fēng)機(jī)功耗，送風(fēng)管道可不延伸至房間深處，進(jìn)入房間邊緣處即可，采用側(cè)送側(cè)回的氣流組織，用送風(fēng)百葉調(diào)整角度以滿足將新風(fēng)送入室內(nèi)的需求。每個新風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)速為3 m/s，送風(fēng)口位置在門上方(距地高度2.8 m)，回風(fēng)口在側(cè)下方(即教室為新風(fēng)區(qū)，走廊為過流區(qū))。對幼兒園教室溫度場和速度場進(jìn)行CFD模擬(軟件為Airpak)，驗(yàn)證新風(fēng)是否可以均勻分布于整個教室，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 教室送風(fēng)口處豎向截面溫度分布

圖7 教室送風(fēng)口處豎向截面風(fēng)速矢量圖

由圖6可以看出，新風(fēng)送風(fēng)溫度24 ℃左右，人員活動區(qū)溫度均在25～26 ℃，豎向溫度梯度在2 ℃以內(nèi)，溫度場分布很均勻，滿足設(shè)計要求。由圖7可以看出：側(cè)送風(fēng)口風(fēng)速為3 m/s，在教室內(nèi)風(fēng)速場分布均勻，除送風(fēng)口附近外，教室內(nèi)風(fēng)速在0.15～0.65 m/s之間波動；同側(cè)下部回風(fēng)使人員處在回流區(qū)，新風(fēng)在整個教室的流動狀態(tài)與流體力學(xué)中層流的流動類似，氣流互不干涉，保證了新鮮空氣快速到達(dá)教室內(nèi)各處，新風(fēng)空氣齡短。幼兒園內(nèi)孩子活動范圍主要在高度1.6 m以下，這個范圍內(nèi)平均風(fēng)速約0.3 m/s，溫度為25～26 ℃，無明顯吹風(fēng)感?？梢娛覂?nèi)新風(fēng)溫度、流速分布均滿足設(shè)計要求，室內(nèi)氣流組織較好。

通過對室內(nèi)空調(diào)、供暖系統(tǒng)進(jìn)行氣流組織分析，無短路或惡化傳熱等問題；衛(wèi)生間等區(qū)域設(shè)置排風(fēng)，保證負(fù)壓，避免衛(wèi)生間等區(qū)域的空氣和污染物擴(kuò)散到室內(nèi)其他空間或室外活動場所。空調(diào)氣流組織合理，氣流流向路線清晰，無氣流短路，無效送風(fēng)量大大減少，運(yùn)行費(fèi)用降低，節(jié)能效果顯著。

6 衛(wèi)生間通風(fēng)分析

該項(xiàng)目共3層，其中1～3層衛(wèi)生間總建筑面積分別為104.14、88.37、58.50 m2，衛(wèi)生間使用面積為251.01 m2，每層凈高為4.2 m，按照設(shè)計規(guī)范要求衛(wèi)生間換氣次數(shù)大于10 h-1，則可知衛(wèi)生間為達(dá)到換氣次數(shù)要求所需要的總排風(fēng)量為10 542.42 m3/h。

北京市夏、冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度分別為33.5、-9.9 ℃，夏、冬季空氣密度分別為1.158 2、1.311 2 kg/m3。新風(fēng)造成的單位面積得熱量按式(1)計算。

(1)

式中q為某時刻新風(fēng)造成的單位面積得熱量，W/m2；c為空氣比熱容，取1.001 kJ/(kg·℃)；V為風(fēng)量，m3/h；ρcm為空氣密度，kg/m3；ti為室內(nèi)計算溫度，供暖期取20 ℃，制冷期取26 ℃；to為空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度，℃；R為新風(fēng)機(jī)組顯熱交換效率，冬季取75%，夏季取70%；A為面積，m2。

按照式(1)可計算出新風(fēng)造成的能耗與負(fù)荷，如表3所示。

表3 新風(fēng)造成的能耗與負(fù)荷

由于衛(wèi)生間獨(dú)立排風(fēng)所產(chǎn)生的額外冷熱量對整棟建筑所造成的能耗與負(fù)荷結(jié)果見表4。

在常規(guī)系統(tǒng)中，常見的衛(wèi)生間排風(fēng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的能耗在超低能耗建筑中占比較大，特別是在熱負(fù)荷和需熱量中占比約1/3。衛(wèi)生間局部排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量較大，使用者是否會按照設(shè)計要求及時開關(guān)換氣扇不可預(yù)估。被動式建筑氣密性非常好，當(dāng)衛(wèi)生間排風(fēng)系統(tǒng)啟動時，應(yīng)審慎考慮排風(fēng)系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)動關(guān)系。大量未經(jīng)熱回收的空氣被排到室外，對建筑能效不利。

為此，把衛(wèi)生間通風(fēng)納入建筑整體通風(fēng)，即幼兒園的送風(fēng)口設(shè)置在教室，回風(fēng)口設(shè)置在走道，走道作為溢流區(qū)。衛(wèi)生間與教室作整體排風(fēng)，該排風(fēng)與室外新風(fēng)進(jìn)行換熱，新風(fēng)量為排風(fēng)量的80%，保證衛(wèi)生間負(fù)壓。但需要保證新風(fēng)機(jī)的有效換氣率及換熱芯的高分子膜材料換熱不換質(zhì)，衛(wèi)生間排風(fēng)不會串味，全熱回收量70%。

衛(wèi)生間排風(fēng)也作熱回收處理，衛(wèi)生間熱回收機(jī)組為板翅式全熱回收機(jī)(高分子膜阻隔氣流)，自帶粗效過濾器。衛(wèi)生間外墻新風(fēng)設(shè)置電動密閉風(fēng)閥，連鎖啟停。每個衛(wèi)生間設(shè)獨(dú)立的排風(fēng)熱回收。排風(fēng)經(jīng)熱回收后導(dǎo)入排風(fēng)豎井，借助屋頂無動力風(fēng)帽排到室外，環(huán)保高效節(jié)能。每層衛(wèi)生間排風(fēng)熱回收設(shè)置定時啟停裝置，避免長期運(yùn)行導(dǎo)致不必要的新風(fēng)引入。

衛(wèi)生間通風(fēng)直接關(guān)系到室內(nèi)環(huán)境和超低能耗建筑目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)著重處理好衛(wèi)生間通風(fēng)問題。

7 結(jié)語

隨著全球推動實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，未來綠色低碳轉(zhuǎn)型是趨勢[5]，不斷探索超低能耗技術(shù)必將有越來越多的超低能耗建筑落地，可降低能源消耗、提高社會及經(jīng)濟(jì)效益，對人類社會健康發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。該項(xiàng)目被動式超低能耗幼兒園建筑的實(shí)施，為類似設(shè)計積累經(jīng)驗(yàn)、提供可參考的樣本，希望帶動建設(shè)低能耗教育建筑的積極性。