嚴(yán)寒地區(qū)被動(dòng)房室內(nèi)環(huán)境與供暖能耗后評(píng)估*

薛慶雯 王昭俊 蔣逸帆

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱;2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱;3.太原理工大學(xué),太原)

0 引言

近年來(lái),國(guó)際能源危機(jī)和全球變暖形勢(shì)日趨嚴(yán)峻,而我國(guó)民用建筑的碳排放量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1],如果不采取更進(jìn)一步的建筑節(jié)能措施,到2050年我國(guó)建筑領(lǐng)域碳排放量將增加50%[2]。

我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部正在大力發(fā)展近零能耗建筑,目前近零能耗建筑技術(shù)體系在我國(guó)認(rèn)知度較高的是德國(guó)的被動(dòng)房(passive house)技術(shù)。被動(dòng)房是指通過(guò)被動(dòng)式技術(shù),如更高性能的外保溫和氣密性、熱橋處理、高效的新風(fēng)熱回收、充分利用自然通風(fēng)等,最大程度地降低建筑能耗需求,因地制宜利用可再生能源來(lái)滿足部分能耗需求,以減少對(duì)化石燃料的依賴(lài),降低碳排放量[3]。

被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)體系是基于中歐溫和的氣候條件和建筑特點(diǎn)建立的,在相似氣候區(qū)建造的被動(dòng)房呈現(xiàn)出比較好的性能。而其他氣候區(qū)若要引進(jìn)被動(dòng)房技術(shù),則需要對(duì)其技術(shù)路線進(jìn)行思考和修正[4]。我國(guó)《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)(居住建筑)》[5]規(guī)定,示范項(xiàng)目竣工驗(yàn)收一年后應(yīng)對(duì)其室內(nèi)環(huán)境和實(shí)際能耗進(jìn)行后評(píng)估。通過(guò)對(duì)示范項(xiàng)目進(jìn)行后評(píng)估與深入研究,不斷完善適合我國(guó)氣候條件和建筑特點(diǎn)的被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)體系。

嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外氣溫較低,且供暖期長(zhǎng)達(dá)近半年,較高的供暖需求使建筑節(jié)能任務(wù)十分艱巨。本文介紹對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)某被動(dòng)房示范項(xiàng)目室內(nèi)熱濕環(huán)境、空氣質(zhì)量和供暖能耗進(jìn)行后評(píng)估的結(jié)果。

1 后評(píng)估方法

1.1 建筑后評(píng)估方法簡(jiǎn)介

被動(dòng)房后評(píng)估包括以下內(nèi)容：

1) 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括室內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度,外墻內(nèi)表面溫度,新風(fēng)量,室內(nèi)PM2.5濃度、CO2濃度,室內(nèi)空氣流速及環(huán)境噪聲。檢測(cè)應(yīng)在暖通空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行24 h以后進(jìn)行。室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度及外墻內(nèi)表面溫度檢測(cè)時(shí)間不短于24 h,檢測(cè)按照J(rèn)GJ/T 132—2009《居住建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。新風(fēng)量檢測(cè)按照J(rèn)GJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

抽檢的代表性住戶應(yīng)根據(jù)不同體形系數(shù)、不同樓層、不同朝向等因素進(jìn)行選擇。抽檢數(shù)量不得少于住戶總數(shù)量的10%,且不得少于3戶,包括頂層、中間層和底層各至少1戶,每戶不少于2個(gè)房間。

2) 實(shí)際能耗評(píng)估。實(shí)際能耗根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算,供暖、空調(diào)及照明能耗的計(jì)量以1年為1個(gè)周期,不同能源形式可根據(jù)相應(yīng)的一次能源轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換到一次能源。

居住建筑以單棟建筑為對(duì)象,以用戶電表、氣表等計(jì)量?jī)x表的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),計(jì)算分析建筑能耗綜合值,并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)標(biāo)。當(dāng)實(shí)際值與設(shè)計(jì)值不符時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、新風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)(如新風(fēng)量、新風(fēng)熱回收效率)結(jié)合實(shí)際使用情況,綜合分析產(chǎn)生差別的原因,并給出改善建議。

1.2 典型建筑選取

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)》[6]對(duì)不同層數(shù)的居住建筑的體形系數(shù)限值作出了規(guī)定：當(dāng)建筑層數(shù)小于3層時(shí),體形系數(shù)應(yīng)小于0.55;當(dāng)層數(shù)大于等于4層時(shí),體形系數(shù)不應(yīng)大于0.30。哈爾濱某被動(dòng)式居住建筑示范項(xiàng)目層數(shù)為11層,體形系數(shù)為0.25,其平面布局及能源系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)具有一定代表性。

該被動(dòng)式居住建筑包含地上11層住宅和地下車(chē)庫(kù),總建筑面積為9 153.34 m2。住宅包含3個(gè)單元,共66戶,每戶使用面積約為80～90 m2。每戶包含1個(gè)起居室、2個(gè)或者3個(gè)臥室、1個(gè)廚房和1個(gè)衛(wèi)生間,每戶的使用人數(shù)為2～4人。

為了最大限度地減少熱傳導(dǎo)損失,嚴(yán)寒地區(qū)被動(dòng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須具有很好的保溫性能。該建筑外墻、屋面和1層地板均采用300 mm發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)保溫。窗戶和單元外門(mén)采用內(nèi)充氬氣的3層Low-E玻璃和具有良好隔熱性能的框架。

該被動(dòng)房供暖/冷系統(tǒng)采用頂棚輻射與置換通風(fēng)相結(jié)合的方式。輻射樓板熱媒管采用聚丁烯-1管(PB管),回形敷設(shè),管道公稱(chēng)外徑為20 mm,內(nèi)徑為16 mm,中心間距為250 mm。冬季集中供暖時(shí),供水溫度為30 ℃或33 ℃;夏季集中供冷時(shí),供水溫度為20 ℃。住宅室內(nèi)樓板輻射供暖熱水來(lái)自集中供暖系統(tǒng),供冷冷水來(lái)自地源熱泵,該地源熱泵同時(shí)給地下室供暖。每戶設(shè)有獨(dú)立的分集水器,居民可以要求物業(yè)管理人員調(diào)節(jié)供水管上的閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量,從而調(diào)節(jié)室溫。

由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性很好,需要設(shè)置機(jī)械通風(fēng)來(lái)保證室內(nèi)人員的新風(fēng)需求和室內(nèi)空氣質(zhì)量。送風(fēng)口設(shè)置在客廳和臥室靠近外窗的地板上,排風(fēng)口設(shè)置在衛(wèi)生間墻上,形成下送上回的置換通風(fēng)。每戶設(shè)置手動(dòng)控制開(kāi)關(guān),可以個(gè)性化調(diào)節(jié)新風(fēng)口開(kāi)/閉。

新風(fēng)系統(tǒng)采用集中式,新風(fēng)機(jī)組安裝在每個(gè)單元的地下室,每臺(tái)機(jī)組負(fù)責(zé)1個(gè)單元(22戶)的新風(fēng)提供。新風(fēng)機(jī)組為組合式,主要由預(yù)加熱裝置、過(guò)濾器、熱回收裝置、熱/冷水盤(pán)管、送排風(fēng)機(jī)等組成,如圖1所示。預(yù)加熱裝置用于對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱,防止新風(fēng)進(jìn)入熱回收裝置結(jié)霜而影響換熱效果。當(dāng)室外溫度低于5 ℃時(shí),開(kāi)啟預(yù)加熱裝置預(yù)熱新風(fēng),使其溫度達(dá)到5 ℃。板式換熱器用于對(duì)新風(fēng)進(jìn)行集中熱回收,冬季室內(nèi)回風(fēng)與新風(fēng)換熱后排出室外,熱回收效率(銘牌工況)為76%。過(guò)濾器用于過(guò)濾室外新風(fēng)中的顆粒物。過(guò)渡季和夏季可將室外的新風(fēng)直接送入室內(nèi)。

圖1 新風(fēng)機(jī)組組成示意圖

1.3 室內(nèi)環(huán)境調(diào)查

筆者所在課題組對(duì)21戶自愿參與調(diào)研的住戶進(jìn)行了入戶普查[7]。根據(jù)技術(shù)導(dǎo)則要求[5],選擇頂層和底層各1戶、中間層6戶進(jìn)行連續(xù)跟蹤調(diào)查。為了對(duì)比,課題組也對(duì)同一小區(qū)的普通住宅的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試期間,每2～3周入戶間歇測(cè)試1次。

室內(nèi)和室外的空氣溫度、相對(duì)濕度采用溫濕度自記儀進(jìn)行連續(xù)記錄;室內(nèi)空氣流速采用熱線風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)試,測(cè)點(diǎn)布置在房間中心0.1、0.6、1.1 m 3個(gè)高度處;外墻和外窗內(nèi)表面溫度各布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量,取測(cè)量結(jié)果的平均值。

室內(nèi)空氣質(zhì)量測(cè)試參數(shù)包括CO2、PM2.5、PM10濃度,新風(fēng)量,此外,還測(cè)試了室內(nèi)噪聲。CO2、PM2.5和PM10濃度均在測(cè)試房間中央1.1 m高度處進(jìn)行測(cè)量,新風(fēng)量通過(guò)在住戶室內(nèi)送風(fēng)口測(cè)風(fēng)速的方法獲得,為保證精度,采取劃分網(wǎng)格取平均值的方法。

1.4 供暖能耗監(jiān)測(cè)與計(jì)算

該項(xiàng)目供暖系統(tǒng)為頂棚輻射加置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng),因此供暖能耗主要包含兩部分：頂棚輻射供暖能耗和新風(fēng)能耗。作為嚴(yán)寒地區(qū)第一個(gè)被動(dòng)房示范項(xiàng)目,為了后評(píng)估能耗,該項(xiàng)目設(shè)置了能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)。監(jiān)測(cè)參數(shù)包括新風(fēng)機(jī)組送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度、新風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)用電量、排風(fēng)機(jī)頻率、送風(fēng)機(jī)頻率、送風(fēng)量、新風(fēng)再加熱熱水盤(pán)管供回水溫度和流量,以及輻射板的供回水溫度和流量,數(shù)據(jù)采集間隔為1 h。

1) 頂棚輻射供暖能耗。

頂棚輻射供暖能耗可根據(jù)輻射板供回水溫度和流量計(jì)算得到(見(jiàn)式(1))。該被動(dòng)房有3個(gè)單元,計(jì)算得到每個(gè)單元的逐時(shí)供熱量,疊加后得到整個(gè)供暖季的逐時(shí)供熱量。

Q1=G1cp(tg1-th1)

(1)

式中Q1為頂棚輻射供熱量,kJ/h;G1為頂棚輻射供暖系統(tǒng)的總流量,kg/h;cp為水的比定壓熱容,kJ/(kg·℃),取4.2 kJ/(kg·℃);tg1為頂棚輻射供暖系統(tǒng)的供水溫度,℃;th1為頂棚輻射供暖系統(tǒng)的回水溫度,℃。

2) 新風(fēng)機(jī)組供暖能耗。

室外新風(fēng)的處理過(guò)程為先經(jīng)過(guò)預(yù)加熱裝置預(yù)熱到5 ℃,然后經(jīng)熱回收裝置與排風(fēng)換熱,再經(jīng)過(guò)熱水盤(pán)管加熱至20 ℃送入室內(nèi)。新風(fēng)機(jī)組供暖總能耗包括兩部分：新風(fēng)處理能耗和新風(fēng)輸配能耗。新風(fēng)處理能耗包含預(yù)加熱能耗、熱水盤(pán)管再加熱能耗兩部分,輸配能耗為風(fēng)機(jī)運(yùn)行電耗,計(jì)算式見(jiàn)式(2)。

Qo=Qp+Q2+Qf

(2)

式中Qo為新風(fēng)機(jī)組供暖總能耗,kJ/h;Qp為新風(fēng)預(yù)加熱能耗,kJ/h;Q2為新風(fēng)供熱量,kJ/h;Qf為新風(fēng)機(jī)運(yùn)行電耗,kJ/h。

其中,熱水盤(pán)管加熱新風(fēng)的能耗由回水溫度和流量數(shù)據(jù)計(jì)算得到,見(jiàn)式(3)。3個(gè)單元分別設(shè)置新風(fēng)機(jī)組,疊加整個(gè)供暖季的逐時(shí)熱量,即可得到供暖季再熱盤(pán)管的供熱量。

Q2=G2cp(tg2-th2)

(3)

式中G2為加熱新風(fēng)的熱水流量,kg/h;tg2為加熱新風(fēng)的供水溫度,℃;th2為加熱新風(fēng)的回水溫度,℃。

3) 供暖總能耗。

供暖總能耗Q為頂棚輻射供暖能耗與新風(fēng)機(jī)組供暖總能耗之和：

Q=Q1+Qo

(4)

2 后評(píng)估結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)環(huán)境

1) 室內(nèi)熱環(huán)境。

表1給出了室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1可見(jiàn),該被動(dòng)房的供暖季平均室溫為25.5 ℃,普通住宅平均室溫為23.6 ℃,被動(dòng)房室溫高于普通住宅,且高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的舒適范圍18～24 ℃[8-10]。

表1 被動(dòng)房和普通住宅室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

調(diào)研發(fā)現(xiàn)個(gè)別住戶在室內(nèi)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象時(shí),通過(guò)間歇開(kāi)窗來(lái)調(diào)節(jié)室溫。嚴(yán)寒地區(qū)冬季室內(nèi)外溫差可達(dá)到30～50 ℃,開(kāi)窗不僅會(huì)增加冷風(fēng)滲透量,導(dǎo)致供暖能耗增加,室外冷空氣產(chǎn)生的吹風(fēng)感還會(huì)影響人體熱舒適,而且還有可能導(dǎo)致外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面結(jié)露而影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用壽命。分析過(guò)熱的原因是,被動(dòng)房供暖需求低,前期負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)擬采用生物質(zhì)鍋爐,但后期實(shí)際采用了集中供熱系統(tǒng),供熱量偏大。

被動(dòng)房室內(nèi)相對(duì)濕度的平均值為31.3%,普通住宅為34.8%,均滿足熱舒適標(biāo)準(zhǔn)要求的30%～60%,但接近標(biāo)準(zhǔn)下限值。造成室內(nèi)濕度偏低的部分原因是室溫偏高,如果降低被動(dòng)房室溫,相對(duì)濕度會(huì)有所上升。假設(shè)在室內(nèi)含濕量(6.34 g/kg)不變的情況下,室內(nèi)空氣溫度由25.5 ℃降到20.0 ℃,相對(duì)濕度將從31.3%升高到43.3%。被動(dòng)房和普通住宅室內(nèi)空氣流速分別為0.05、0.06 m/s,均滿足熱舒適標(biāo)準(zhǔn)不大于0.15 m/s的要求。

被動(dòng)房外墻內(nèi)表面溫度為23.4 ℃,僅比室溫低2.1 ℃;而普通住宅外墻表面溫度比室溫低5.1 ℃。外窗是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié),被動(dòng)房外窗內(nèi)表面溫度分布在19.40～24.80 ℃,平均值為21.60 ℃,普通住宅外窗內(nèi)表面溫度分布在14.80～19.00 ℃,平均值為16.60 ℃?？梢?jiàn),由于被動(dòng)房外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能提升,使得被動(dòng)房外窗和外墻內(nèi)表面溫度明顯高于普通住宅。當(dāng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度與室溫差值較小時(shí),可以有效避免冷輻射帶來(lái)的不舒適感,提高室內(nèi)人體體感溫度,即操作溫度(operative temperature)。操作溫度是綜合室內(nèi)空氣溫度與平均輻射溫度得到的加權(quán)平均值,ISO 7730[8]將其作為室內(nèi)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此,保溫性能較好的被動(dòng)房可以有效降低外圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的冷輻射,從而提高室內(nèi)熱舒適性。

圖2顯示了室內(nèi)溫濕度與外墻內(nèi)表面溫度的連續(xù)測(cè)試結(jié)果,選取2015年12月25—27日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)連續(xù)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試期間室外溫度為-24.2～-14.2 ℃,被動(dòng)房室溫為26.3～27.8 ℃,平均值為26.8 ℃,溫度波動(dòng)僅為1.5 ℃,說(shuō)明被動(dòng)房室溫受室外溫度影響非常小。普通住宅室溫為18.9～24.1 ℃,受室外溫度影響較大。被動(dòng)房室內(nèi)相對(duì)濕度為24.1%～36.8%,平均值為33.3%?？梢钥吹?白天人員活動(dòng)量比較大的時(shí)候,相對(duì)濕度較大,夜間相對(duì)濕度較小。由此可知,被動(dòng)房室內(nèi)相對(duì)濕度受人員活動(dòng)影響較大。被動(dòng)房外墻內(nèi)表面溫度為23.6～25.1 ℃,與室溫的差值僅為1.7～3.0 ℃。

2) 室內(nèi)空氣質(zhì)量。

表2顯示了間歇入戶測(cè)試得到的室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)(CO2、PM2.5、PM10濃度)及噪聲的測(cè)試結(jié)果。德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)要求居住建筑主要房間的新風(fēng)量不小于20～30 m3/(人·h),我國(guó)近零能耗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定新風(fēng)量應(yīng)滿足30 m3/(人·h)的要求。假設(shè)平均每戶有3個(gè)人,則根據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)每戶新風(fēng)量應(yīng)不小于60～90 m3/h,根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不小于90 m3/h。實(shí)測(cè)的所有住戶的新風(fēng)量分布在76～114 m3/h,平均值為96.9 m3/h,滿足德國(guó)和我國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 被動(dòng)房室內(nèi)外空氣質(zhì)量參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

我國(guó)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)定室內(nèi)CO2日均體積分?jǐn)?shù)的限值為1 000×10-6,測(cè)試期間被動(dòng)房室內(nèi)CO2日均體積分?jǐn)?shù)的平均值為732×10-6,所有住戶的日均體積分?jǐn)?shù)均低于限值。說(shuō)明被動(dòng)房機(jī)械通風(fēng)可以提供足夠的新風(fēng),有效稀釋室內(nèi)污染物。普通住宅有4戶(50%)室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)超過(guò)1 000×10-6,最大值為1 654×10-6,說(shuō)明室內(nèi)新風(fēng)量不足,從而在一定程度上也反映其他氣態(tài)污染物濃度有超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。室內(nèi)CO2主要是由人員呼吸產(chǎn)生,因此戶間差異主要是室內(nèi)人員數(shù)量不同、活動(dòng)量不同導(dǎo)致的。

測(cè)試期間PM10平均質(zhì)量濃度為112 μg/m3,高于我國(guó)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)定的限值100 μg/m3;PM2.5平均質(zhì)量濃度為92 μg/m3,超過(guò)我國(guó)《建筑通風(fēng)效果測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[12]規(guī)定的限值75 μg/m3。由于測(cè)試選取的住戶均無(wú)明顯室內(nèi)顆粒物源,可以推斷室內(nèi)超標(biāo)主要是由于哈爾濱冬季室外霧霾嚴(yán)重引起的。普通住宅密閉性較差,室外空氣直接通過(guò)門(mén)窗縫隙滲透進(jìn)入室內(nèi),冬季室外霧霾更容易影響室內(nèi)空氣質(zhì)量,存在PM2.5濃度超標(biāo)的現(xiàn)象[13]。但是由于普通住宅整體的換氣次數(shù)較小,室外新風(fēng)攜帶的顆粒物總量也較少。該項(xiàng)目新風(fēng)系統(tǒng)采用的是中效過(guò)濾器,其對(duì)粒徑小于2.5 μm的顆粒的過(guò)濾效率僅為30%左右。當(dāng)室外霧霾嚴(yán)重時(shí),顆粒物將隨新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)。因此,針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)供暖季燃煤需求大產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題,過(guò)濾器作為一種建筑干預(yù)措施,其對(duì)細(xì)顆粒物的過(guò)濾效率有待提高。

檢測(cè)得到的住戶A聲級(jí)噪聲平均值為31.8 dB,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。該建筑臨街布置,主要的噪聲來(lái)自于室外街道,新風(fēng)系統(tǒng)采用集中式,機(jī)組布置在地下1層機(jī)房,因此新風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲很小,不同樓層之間室內(nèi)噪聲無(wú)明顯差別。

2.2 供暖能耗

1) 供暖能耗計(jì)算結(jié)果。

哈爾濱供暖期為10月20日至次年4月20日,整個(gè)供暖期間室外平均溫度為-7.37 ℃,日平均最低氣溫達(dá)-31 ℃。圖3顯示了供暖季逐日室外溫度和對(duì)應(yīng)的供暖能耗變化。由圖3可知,供暖前期和末期,室外溫度相對(duì)較高,供暖能耗較低,供暖中期室外溫度降低,供暖能耗急劇增加。

圖3 供暖期間逐日室外溫度變化和被動(dòng)房的供暖能耗

表3匯總了供暖季10月20日至次年4月20日各月的供暖能耗和總能耗。從表3可以看出,12月和1月的供暖能耗最高。整個(gè)供暖季的總能耗為423 036.08 kW·h,該被動(dòng)房實(shí)際供暖面積為9 153.34 m2,計(jì)算得到單位面積供暖年耗熱量為46.22 kW·h/(m2·a)。

表3 供暖季各月供暖能耗及供暖總能耗 kW·h

圖4顯示了各項(xiàng)供暖能耗的大小和占比,可以看出,頂棚輻射能耗占比為46%,新風(fēng)預(yù)熱能耗占比為30%,新風(fēng)系統(tǒng)熱水盤(pán)管再加熱能耗占比為22%,風(fēng)機(jī)能耗占比為2%。該被動(dòng)房頂棚輻射主要承擔(dān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷,新風(fēng)機(jī)組僅承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷?？梢?jiàn),嚴(yán)寒地區(qū)被動(dòng)房新風(fēng)負(fù)荷占比超過(guò)一半,其中新風(fēng)預(yù)熱能耗最大。這是由于嚴(yán)寒地區(qū)冬季較低的室外空氣溫度造成的,預(yù)熱裝置需要將室外溫度加熱至5 ℃。經(jīng)過(guò)預(yù)熱設(shè)備,新風(fēng)進(jìn)入熱回收裝置與排風(fēng)換熱,最后經(jīng)過(guò)再加熱熱水盤(pán)管加熱至20 ℃。

圖4 各項(xiàng)供暖能耗占比

2) 供暖能耗與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)。

被動(dòng)房通過(guò)被動(dòng)式的建筑設(shè)計(jì)降低供暖和供冷的需求,在此基礎(chǔ)上,利用可再生能源,實(shí)現(xiàn)超低能耗、近零能耗。近零能耗標(biāo)準(zhǔn)[14]以現(xiàn)行65%節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),給出了相對(duì)節(jié)能水平,如表4所示。嚴(yán)寒和寒冷地區(qū),低能耗建筑是指以65%節(jié)能建筑[6]為基準(zhǔn),能耗降低25%～30%的節(jié)能建筑[15];超低能耗建筑是現(xiàn)階段不借助可再生能源,僅依靠被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低建筑能耗50%以上;近零能耗居住建筑是指在超低能耗建筑的基礎(chǔ)上,借助可再生能源降低建筑能耗70%～75%以上。

表4 嚴(yán)寒地區(qū)不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)能耗限值

這里需要區(qū)分超低能耗建筑和近零能耗建筑的概念,這兩類(lèi)建筑的建筑本體技術(shù)措施和指標(biāo)相同,二者的區(qū)別只是借助可再生能源替代礦物能源的程度不同。超低能耗建筑對(duì)可再生能源的利用率不作要求,除節(jié)能水平外,均滿足近零能耗建筑要求。嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑的年供暖限值為30 kW·h/(m2·a),而近零能耗建筑限值為18 kW·h/(m2·a)[13]。

該項(xiàng)目采用的可再生能源形式為地源熱泵,但是其在該項(xiàng)目中的利用率較低。原因是嚴(yán)寒地區(qū)建筑的熱負(fù)荷相較冷負(fù)荷大很多,考慮到冷熱平衡,夏季地源熱泵作為整個(gè)建筑的冷源,而冬季地源熱泵僅承擔(dān)該建筑地下室的供暖負(fù)荷,建筑主體的供暖仍采用集中供暖系統(tǒng)。因此,從建筑耗熱量的角度,該被動(dòng)房的供暖能耗應(yīng)與超低能耗的要求進(jìn)行比對(duì)。

由于測(cè)試期間的室外溫度和室內(nèi)溫度均與設(shè)計(jì)值不同,若與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì),需要對(duì)能耗進(jìn)行修正。下面從室外氣候和室內(nèi)溫度2個(gè)方面對(duì)供暖總能耗進(jìn)行修正,修正公式見(jiàn)式(5)、(6)。

(5)

(6)

式(5)、(6)中Es1為經(jīng)氣候修正后的能耗,kW·h/(m2·a);Ec為實(shí)際運(yùn)行能耗,kW·h/(m2·a);tn為實(shí)測(cè)平均室溫,℃,取25.5 ℃;tws為設(shè)計(jì)室外溫度,℃,取-8.5 ℃;tw為實(shí)測(cè)室外平均溫度,℃,取-7.37 ℃;Es2為經(jīng)室溫修正后的能耗,kW·h/(m2·a);tns為設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度,℃,取20 ℃。

哈爾濱典型年供暖季室外平均溫度為-8.5 ℃,測(cè)試期間室外平均溫度為-7.37 ℃,用典型年室外溫度對(duì)實(shí)測(cè)的室外溫度進(jìn)行修正,得到經(jīng)氣候修正后的供暖能耗Es1為47.81 kW·h/(m2·a);室內(nèi)較高的溫度會(huì)造成供暖能耗偏高,供暖季平均室溫為25.5 ℃,超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20 ℃,用設(shè)計(jì)室溫對(duì)實(shí)測(cè)的室溫進(jìn)行修正后,得到修正后的供暖能耗Es2為40.08 kW·h/(m2·a)。顯然,年供暖運(yùn)行能耗超過(guò)超低能耗建筑要求的30 kW·h/(m2·a),能耗偏差為33.6%。根據(jù)后評(píng)估要求,實(shí)測(cè)能耗大于設(shè)計(jì)值時(shí),需要對(duì)影響能耗的因素進(jìn)行全局分析與進(jìn)一步優(yōu)化。

3 結(jié)論

對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)首個(gè)被動(dòng)房示范項(xiàng)目的室內(nèi)環(huán)境和供暖能耗進(jìn)行了后評(píng)估,得到以下結(jié)論：

1) 被動(dòng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度與空氣溫度的差值較小,說(shuō)明良好的保溫可以有效避免冷輻射。冬季供暖室內(nèi)溫度超過(guò)24 ℃,室溫偏高不僅不舒適,而且造成能源浪費(fèi),因此需要適當(dāng)降低供暖溫度。

2) 被動(dòng)房機(jī)械通風(fēng)可以保證室內(nèi)的新風(fēng)量,稀釋室內(nèi)CO2濃度。室內(nèi)PM10和PM2.5均存在超標(biāo)現(xiàn)象,說(shuō)明目前的新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)細(xì)顆粒的過(guò)濾效率不滿足要求。因此后續(xù)需要對(duì)過(guò)濾器的設(shè)計(jì)效率進(jìn)行重點(diǎn)研究,以保證室內(nèi)PM10及PM2.5達(dá)標(biāo)。

3) 被動(dòng)房實(shí)際供暖運(yùn)行能耗為46.22 kW·h/(m2·a),其中頂棚輻射能耗占比為46%,新風(fēng)機(jī)組能耗占比為54%。用典型年氣象參數(shù)和室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度修正后的供暖能耗為40.08 kW·h/(m2·a),超過(guò)我國(guó)超低能耗建筑年供暖耗熱量指標(biāo)(30 kW·h/(m2·a)),能耗偏差為33.6%,需要對(duì)影響能耗的因素進(jìn)行全局分析與進(jìn)一步優(yōu)化。