超低能耗住宅暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行探討

馬婷婷 張 震 李峻煒 王 覺(jué) 孫慧琳 劉 磊 曹馨勻

(1.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都;2.青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司,青島;3.中德生態(tài)園被動(dòng)房技術(shù)有限公司,青島;4.青島理工大學(xué),青島)

0 引言

建筑領(lǐng)域節(jié)能是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的重要環(huán)節(jié),各省市政府不斷推出政策來(lái)加快建設(shè)和發(fā)展超低能耗建筑[1-2]。超低能耗建筑技術(shù)體系的核心是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)技術(shù)的最大化利用,減少建筑本身的冷熱需求,同時(shí)優(yōu)先應(yīng)用可再生能源,期望以少量或零能耗的方式為建筑供暖、供冷和照明提供能源[3]。在使運(yùn)行能耗最小化的同時(shí),超低能耗住宅能給住戶(hù)提供比常規(guī)住房更好的室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)和室內(nèi)舒適環(huán)境[4]。已有學(xué)者對(duì)超低能耗建筑的定義和政策[5-6]、關(guān)鍵技術(shù)在不同氣候區(qū)的適應(yīng)性[7-11]、不同功能的超低能耗建筑的運(yùn)行效果[12-14]、人員行為在超低能耗建筑中的重要性[15-16]等進(jìn)行了探討。然而,現(xiàn)有研究有以下不足:1) 現(xiàn)有研究主要集中在北方傳統(tǒng)住宅中的集中供暖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),而關(guān)于超低能耗住宅項(xiàng)目中暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)細(xì)節(jié)等信息非常有限,尤其是結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件、當(dāng)?shù)鼐用竦氖孢m需求和用能習(xí)慣,超低能耗住宅中的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)如何改進(jìn)等信息,現(xiàn)有文獻(xiàn)中少有提及;2) 住宅中人員行為多樣、家庭情況復(fù)雜,長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)收集較為困難,目前國(guó)內(nèi)關(guān)于超低能耗建筑運(yùn)行效果的探討主要集中于辦公、學(xué)校等公共建筑,針對(duì)超低能耗住宅的實(shí)際運(yùn)行效果缺乏討論。由于具有節(jié)約能源、優(yōu)質(zhì)室內(nèi)環(huán)境的雙重優(yōu)勢(shì),超低能耗建筑正面臨規(guī)?；?、區(qū)域化發(fā)展的趨勢(shì),分享和探討這種技術(shù)體系的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行效果尤為重要。

本文以“中德·綠色公元”小區(qū)住宅為例,介紹住宅的被動(dòng)式超低能耗技術(shù)方案,并著重分析在這種被動(dòng)式超低能耗技術(shù)方案下配套的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)方案,包括冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、新風(fēng)系統(tǒng)及廚房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)房的設(shè)置等方面的技術(shù)要點(diǎn),同時(shí)分析項(xiàng)目運(yùn)行效果,旨在為同類(lèi)建筑的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)提供技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 氣候特征分析

青島地處山東半島東南部、北溫帶季風(fēng)區(qū)域,屬于我國(guó)五大氣候分區(qū)中的寒冷地區(qū)。受海洋東南季風(fēng)和海流影響,青島呈現(xiàn)明顯的海洋性氣候,夏季濕熱、冬季寒冷[17]。根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,青島計(jì)算供暖期為99 d,供暖度日數(shù)(HDD18)為2 401 ℃·d;夏季海洋性氣候明顯,比較涼爽,空調(diào)度日數(shù)(CDD26)為22 ℃·d,相對(duì)較小。根據(jù)JGJ/T 346—2014《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》得知,青島最潮濕的月份為7月,平均干濕球溫度差為1.93 ℃;最干燥的月份為10月,平均干濕球溫度差為3.85 ℃。

2 項(xiàng)目概況與圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)要點(diǎn)

中德被動(dòng)式超低能耗住宅推廣示范小區(qū)坐落于青島市黃島區(qū),占地面積約為37 559 m2,總建筑面積為68 731.07 m2,其中地上建筑面積為43 707.48 m2。本文研究的案例建筑為6層(6層以上為閣樓層),層高為3 m,戶(hù)型為140 m2和160 m22種,且均為精裝修。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用了高性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu),同時(shí)東、西、南朝向的外窗上部均設(shè)置金屬電動(dòng)百葉遮陽(yáng)簾,夏季降低太陽(yáng)輻射得熱,減少空調(diào)負(fù)荷,外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫措施、傳熱系數(shù)、熱惰性指標(biāo)見(jiàn)表1。同時(shí)項(xiàng)目對(duì)關(guān)鍵部位如門(mén)窗洞口、管道穿墻洞口、風(fēng)井等部位進(jìn)行了氣密性處理,建筑室內(nèi)外50 Pa壓差下?lián)Q氣次數(shù)N50=0.5 h-1。同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)建筑陽(yáng)臺(tái)、墻角、屋頂?shù)葒o(hù)結(jié)構(gòu)熱橋薄弱環(huán)節(jié)的保溫,防止其結(jié)露、發(fā)霉,提高室內(nèi)居住舒適性及健康性的同時(shí),減少建筑熱損失,降低建筑能耗。

表1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施、傳熱系數(shù)及熱惰性指標(biāo)

3 暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)荷計(jì)算

該項(xiàng)目采用德國(guó)被動(dòng)房規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件PHPP(passive house planning package)計(jì)算建筑能耗,通過(guò)建立物理模型,輸入氣象條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、冷熱源機(jī)組及輸配系統(tǒng)參數(shù)、建筑生活用電等參數(shù),計(jì)算建筑能耗值。PHPP軟件是由德國(guó)被動(dòng)房協(xié)會(huì)PHI(Passive House Institute)開(kāi)發(fā)的、對(duì)節(jié)能項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)與評(píng)估的一個(gè)計(jì)算軟件,該軟件根據(jù)ISO 13790標(biāo)準(zhǔn)建立了傳熱計(jì)算模型,不僅能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的能量需求計(jì)算,還可以對(duì)建筑的整體能效進(jìn)行評(píng)估,因此PHPP是被動(dòng)房、近零能耗建筑及其他節(jié)能建筑實(shí)施過(guò)程中的一個(gè)理想的規(guī)劃設(shè)計(jì)工具[18]。經(jīng)計(jì)算,該項(xiàng)目年供暖需求為9 kW·h/(m2·a),年供冷需求為21 kW·h/(m2·a),一次能源需求為60 kW·h/(m2·a)。

3.2 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目主要冷熱源需求為供暖、制冷、生活熱水?？紤]到超低能耗建筑指標(biāo)需求、青島地方政府對(duì)可再生能源使用的鼓勵(lì)政策及周邊被動(dòng)房體驗(yàn)中心項(xiàng)目中地源熱泵系統(tǒng)良好的使用效果這3個(gè)原因,該項(xiàng)目冷熱源方案確定采用地源熱泵供冷供熱。地源熱泵系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。根據(jù)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)地塊檢測(cè)后提供的《地源熱泵地勘及巖土體熱響應(yīng)試驗(yàn)報(bào)告》可知,地塊的土壤平均溫度為15.65 ℃,單孔雙U地埋管每延米換熱量為54 W/m,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖1 系統(tǒng)原理圖

該項(xiàng)目以單元為負(fù)荷單位設(shè)置地埋孔并設(shè)置一個(gè)對(duì)應(yīng)的專(zhuān)用地源側(cè)水泵房,每個(gè)單元內(nèi)共用地源側(cè)水系統(tǒng),各單元地源側(cè)系統(tǒng)相互獨(dú)立。地埋孔總數(shù)為233個(gè),每個(gè)孔有效深度為102 m。整體式水地源熱泵新風(fēng)機(jī)組均置于戶(hù)內(nèi)。機(jī)組名義工況為:制冷工況,冷水進(jìn)/出水溫度12 ℃/7 ℃,源側(cè)進(jìn)/出水溫度25 ℃/30 ℃;制熱工況,熱水進(jìn)/出水溫度40 ℃/45 ℃,源側(cè)進(jìn)/出水溫度10 ℃/5 ℃。地源側(cè)水系統(tǒng)豎向通過(guò)專(zhuān)用管道井接入各戶(hù),并在入戶(hù)支管設(shè)置壓力無(wú)關(guān)型區(qū)域控制閥,使各戶(hù)流量分配滿(mǎn)足使用要求。每個(gè)單元機(jī)房水泵處各設(shè)置一個(gè)總水表,每戶(hù)各設(shè)置一個(gè)分戶(hù)水表,且每個(gè)總水表對(duì)應(yīng)一個(gè)電表來(lái)統(tǒng)計(jì)機(jī)房耗電量,通過(guò)分戶(hù)水表與總水表的比值再乘以電表統(tǒng)計(jì)的耗電量來(lái)統(tǒng)計(jì)各戶(hù)用電費(fèi)用。

3.2.2機(jī)組選擇

該項(xiàng)目選用了專(zhuān)為低能耗建筑研發(fā)的整體式水地源熱泵新風(fēng)機(jī)組,是集新風(fēng)、空調(diào)、除濕、生活熱水于一體的集成系統(tǒng),設(shè)備選型參數(shù)見(jiàn)表2,設(shè)備示意圖見(jiàn)圖2。該機(jī)組額定性能系數(shù)(COP)≥4.1;顯熱換熱效率≥75%,全熱換熱效率≥70%;進(jìn)風(fēng)口過(guò)濾等級(jí)不低于G4+F7,采用PM2.5高效過(guò)濾網(wǎng)H11;新風(fēng)及排風(fēng)管路設(shè)置保溫氣密電動(dòng)閥,并與機(jī)組內(nèi)新風(fēng)機(jī)及排風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng);新、排風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)均采用無(wú)級(jí)變頻控制,可根據(jù)室內(nèi)溫度、濕度、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)及CO2濃度實(shí)現(xiàn)變頻控制,每個(gè)房間可以單獨(dú)控制溫濕度;可實(shí)現(xiàn)就地控制及遠(yuǎn)程控制,并能通過(guò)變頻調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足室內(nèi)的負(fù)荷變化,以達(dá)到節(jié)能的目的。

圖2 設(shè)備示意圖

表2 設(shè)備選型參數(shù)

該項(xiàng)目在建筑方案階段預(yù)留了整體式水地源熱泵新風(fēng)機(jī)組的位置,見(jiàn)圖3。設(shè)備應(yīng)設(shè)置在靠近外墻專(zhuān)用機(jī)房、廚房專(zhuān)用區(qū)域或陽(yáng)臺(tái),盡量減小室外新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)的管道的長(zhǎng)度,降低輸送損耗;并且機(jī)房需要增加保溫、消聲、減振措施。

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1通風(fēng)量計(jì)算

超低能耗建筑通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于新風(fēng)氣流組織設(shè)計(jì)及精細(xì)化的風(fēng)量設(shè)計(jì)。超低能耗建筑的氣流組織設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)建筑不同,它是以戶(hù)為對(duì)象整體考慮送回風(fēng)設(shè)計(jì),將不同功能房間對(duì)送風(fēng)量和排風(fēng)量的要求聯(lián)系在一起,實(shí)現(xiàn)氣流在戶(hù)內(nèi)一定區(qū)域內(nèi)的整體流通,以達(dá)到減小風(fēng)量、降低通風(fēng)能耗、同時(shí)降低施工成本(減少風(fēng)管、風(fēng)口)的目的。

超低能耗建筑是高氣密性的建筑,在關(guān)閉門(mén)窗的情況下,居民已不能通過(guò)外門(mén)窗空氣滲透得到足夠的新鮮空氣,同時(shí)考慮到居民的舒適體驗(yàn)和系統(tǒng)能耗,在供暖和供冷季都不提倡通過(guò)開(kāi)窗來(lái)獲取新風(fēng),所以住宅中單獨(dú)設(shè)置了新風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)。將臥室、起居室、廚房設(shè)置為送風(fēng)區(qū)域,餐廳設(shè)置為回風(fēng)區(qū)域,衛(wèi)生間設(shè)置為排風(fēng)區(qū)域,排風(fēng)量比新風(fēng)量略小,維持主要功能房間內(nèi)的微正壓。

該項(xiàng)目新風(fēng)量按照30 m3/(人·h)(160 m2戶(hù)型按照5人考慮,新風(fēng)量為150 m3/h;140 m2戶(hù)型按照4人考慮,新風(fēng)量為120 m3/h)選取,滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)衛(wèi)生的要求;同時(shí)各戶(hù)使用的整體式水地源熱泵新風(fēng)機(jī)組負(fù)擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷和其他室內(nèi)全部負(fù)荷,其中熱回收段負(fù)擔(dān)部分新風(fēng)負(fù)荷,起到新風(fēng)預(yù)熱預(yù)冷作用。根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的質(zhì)量流量平衡原則和負(fù)擔(dān)的負(fù)荷需求,選擇的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量及其負(fù)擔(dān)的送排風(fēng)區(qū)域見(jiàn)表3。

表3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量 m3/h

3.3.2通風(fēng)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計(jì)

被動(dòng)式超低能耗建筑只在臥室、起居室區(qū)域送風(fēng),過(guò)道、餐廳作為溢流區(qū),浴室、廚房、衛(wèi)生間作為回風(fēng)區(qū),住宅戶(hù)內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)氣流組織示意圖見(jiàn)圖4。這種氣流組織方式可以保證臥室、起居室、餐廳等主要功能房間的空氣質(zhì)量,同時(shí)當(dāng)關(guān)閉臥室門(mén)時(shí),室內(nèi)多余的氣流可通過(guò)溢流口進(jìn)入起居室、餐廳的公共區(qū)域,保證室內(nèi)氣壓不過(guò)大。注意風(fēng)管走向應(yīng)便于精裝吊頂遮蓋,與結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)配合穿梁留洞。

圖4 住宅戶(hù)內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)氣流組織示意圖

3.3.3廚房通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

居住類(lèi)建筑廚房應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的排油煙補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng),以降低廚房排油煙導(dǎo)致的冷熱負(fù)荷。設(shè)置獨(dú)立補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)時(shí),補(bǔ)風(fēng)引入口應(yīng)設(shè)保溫密閉型電動(dòng)風(fēng)閥,且電動(dòng)風(fēng)閥應(yīng)與排油煙機(jī)聯(lián)動(dòng);廚房宜安裝閉門(mén)器,避免廚房通風(fēng)影響其他房間的氣流組織和送排風(fēng)平衡;應(yīng)對(duì)補(bǔ)風(fēng)管道尺寸進(jìn)行校核,避免補(bǔ)風(fēng)口流速過(guò)高造成的噪聲問(wèn)題,補(bǔ)風(fēng)管道應(yīng)保溫,防止結(jié)露;補(bǔ)風(fēng)口盡可能設(shè)置在灶臺(tái)附近,縮短補(bǔ)風(fēng)距離,補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)不應(yīng)影響油煙排放效果。

4 運(yùn)行效果分析

為了獲取建筑真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及對(duì)各系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行評(píng)估分析,小區(qū)內(nèi)的住宅建立了完善的建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑照明、插座、暖通空調(diào)、生活熱水和其他用電系統(tǒng)設(shè)備的耗電量進(jìn)行計(jì)量,同時(shí)對(duì)空調(diào)設(shè)備冷水側(cè)、冷卻水側(cè)的供回水溫度、流量、供冷供熱量進(jìn)行計(jì)量。各能耗計(jì)量設(shè)備經(jīng)標(biāo)定后接入系統(tǒng),所有計(jì)量設(shè)備具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能,按照設(shè)定頻率,將采集到的參數(shù)上傳至中央能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái),滿(mǎn)足建筑能耗監(jiān)管的基本要求。

本文用于數(shù)據(jù)分析的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集內(nèi)容包括2#樓中間層典型戶(hù)(供暖面積為122.63 m2)的室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、PM2.5濃度,數(shù)據(jù)采集時(shí)間為供冷季2021年8月11—20日、供暖季2022年1月16—25日;耗電量參數(shù)采集內(nèi)容包括2#樓整體式水地源熱泵新風(fēng)機(jī)組耗電量、地源側(cè)水泵耗電量,數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021年11月1日至2022年3月31日、2022年7月1日至9月30日,由于部分住戶(hù)未入住,因此采用其他用戶(hù)耗電的平均值對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行了估算。數(shù)據(jù)采集時(shí)項(xiàng)目入住率為50%左右。

4.1 室內(nèi)溫濕度分析

4.1.1供冷季分析

典型戶(hù)型供冷季室內(nèi)外監(jiān)測(cè)溫濕度對(duì)比如圖5所示,室內(nèi)溫濕度取各個(gè)房間室內(nèi)平均值進(jìn)行分析。供冷季監(jiān)測(cè)期間室外溫度在27～34 ℃之間變化,室內(nèi)溫度基本位于25～26 ℃之間;室外相對(duì)濕度在76%～90%之間變化,室內(nèi)相對(duì)濕度基本位于50%～60%之間。由以上監(jiān)測(cè)分析可知,供冷季室內(nèi)溫濕度參數(shù)穩(wěn)定,且均處于舒適區(qū)間,室內(nèi)熱環(huán)境良好。

圖5 典型戶(hù)型供冷季監(jiān)測(cè)溫濕度

4.1.2供暖季分析

典型戶(hù)型供暖季室內(nèi)外監(jiān)測(cè)溫濕度對(duì)比如圖6所示,室內(nèi)溫濕度取各個(gè)房間室內(nèi)平均值進(jìn)行分析。供暖季監(jiān)測(cè)期間室外溫度在-2.9～2.7 ℃之間變化,室內(nèi)溫度位于21.2～21.8 ℃之間;室外相對(duì)濕度在56%～81%之間變化,室內(nèi)相對(duì)濕度位于40%～46%之間。由以上監(jiān)測(cè)分析可知,供暖季室內(nèi)溫濕度參數(shù)穩(wěn)定,且均處于舒適區(qū)間,室內(nèi)熱環(huán)境良好。

圖6 典型戶(hù)型供暖季監(jiān)測(cè)溫濕度

4.2 室內(nèi)空氣質(zhì)量分析

4.2.1室內(nèi)CO2濃度分析

由于超低能耗建筑密閉性較好,當(dāng)外窗關(guān)閉時(shí),新風(fēng)系統(tǒng)成為室內(nèi)外空氣的主要交換通道,因此CO2濃度是室內(nèi)空氣質(zhì)量及舒適性的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

根據(jù)GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)人員密集場(chǎng)所CO2體積分?jǐn)?shù)控制值的要求,該住宅項(xiàng)目屬于人員長(zhǎng)期停留區(qū)域,室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)控制值為900×10-6。對(duì)該項(xiàng)目典型戶(hù)型進(jìn)行連續(xù)10天監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看到,新風(fēng)機(jī)組正常開(kāi)啟后冬季有4天室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)超過(guò)900×10-6,主要是因?yàn)橹苣┘彝ト藛T短暫聚集,室內(nèi)人員數(shù)量超過(guò)設(shè)計(jì)值,新風(fēng)量不足導(dǎo)致室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)短時(shí)增大,這種情況可以通過(guò)短暫開(kāi)窗等方式補(bǔ)給新風(fēng)?？傮w來(lái)講,監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)平均值夏季為771×10-6,冬季為865×10-6,均在我國(guó)GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的允許范圍內(nèi)。取室外CO2體積分?jǐn)?shù)為400×10-6,夏季室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)超出室外371×10-6,冬季室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)超出室外465×10-6,根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13779:2007,該項(xiàng)目冬夏季室內(nèi)空氣質(zhì)量均達(dá)到歐洲Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(優(yōu)等Good)。

圖7 典型戶(hù)型室內(nèi)監(jiān)測(cè)CO2體積分?jǐn)?shù)

4.2.2室內(nèi)PM2.5濃度分析

隨著人們對(duì)PM2.5影響人體健康認(rèn)識(shí)的逐漸深入,室內(nèi)PM2.5濃度已成為評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。對(duì)于建筑中人員長(zhǎng)期停留的房間,參考世界衛(wèi)生組織第三個(gè)過(guò)渡期目標(biāo)值,室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度24 h平均值不宜超過(guò)37. 5 μg/m3,這與歐美現(xiàn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量要求的限值相當(dāng)。

在室外空氣質(zhì)量不理想時(shí),新風(fēng)熱回收系統(tǒng)設(shè)置低阻高效的空氣凈化裝置,不僅可為室內(nèi)提供更加潔凈的新鮮空氣,也可有效地降低室外污染天氣對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響,同時(shí)也可減緩熱回收裝置因積塵造成的換熱效率下降。該項(xiàng)目室內(nèi)PM2.5監(jiān)測(cè)值如圖8所示,夏季PM2.5質(zhì)量濃度平均值為11.1 μg/m3,冬季PM2.5質(zhì)量濃度平均值為27.3 μg/m3,均在限值范圍內(nèi)。

圖8 典型戶(hù)型室內(nèi)監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度

4.3 全年供暖、供冷需求分析

為了了解該項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行年供暖需求及年供冷需求情況,在2021年11月至2022年3月供暖季、2022年7—9月供冷季期間,對(duì)2#樓整個(gè)樓棟住戶(hù)的整體式水地源熱泵新風(fēng)機(jī)組、地源側(cè)水泵耗電量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析,結(jié)果如表4、5所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,同時(shí)考慮機(jī)組及水泵實(shí)際運(yùn)行效率(由于入住率較低,系統(tǒng)末端開(kāi)啟率低,冬季系統(tǒng)平均運(yùn)行效率約為2.00,夏季系統(tǒng)平均運(yùn)行效率約為2.76),換算得到實(shí)際年供暖需求約為32.2 kW·h/(m2·a),年供冷需求約為14.5 kW·h/(m2·a)。

表4 2#樓年供暖需求分析

表5 2#樓年供冷需求分析

實(shí)際測(cè)量得到的年供暖需求比PHPP能耗模擬計(jì)算得到的年供暖需求高23.3 kW·h/(m2·a),而年供冷需求比PHPP能耗模擬計(jì)算得到的年供冷需求低6.5 kW·h/(m2·a)。參考?xì)W洲相關(guān)超低能耗住宅的運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果[19-21],分析實(shí)測(cè)值與能耗模擬值差異的原因主要是人員行為和模擬設(shè)置之間的差異。結(jié)合該項(xiàng)目住宅人員行為的特點(diǎn),供暖實(shí)測(cè)值大于模擬值的原因主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)方面:

1) PHPP能耗模擬計(jì)算過(guò)程中設(shè)置了符合設(shè)計(jì)要求的氣密性指標(biāo)。該項(xiàng)目竣工后對(duì)門(mén)窗關(guān)閉時(shí)的建筑整體氣密性指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證,氣密性水平符合設(shè)計(jì)要求。但在實(shí)際運(yùn)行時(shí),氣密性指標(biāo)并不是恒定的,與人員行為有很大關(guān)系。雖然設(shè)置了新風(fēng)系統(tǒng),但是由于習(xí)慣、心理需求等原因,我國(guó)居民冬季仍習(xí)慣于開(kāi)窗通風(fēng),導(dǎo)致大量沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)熱的冷風(fēng)侵入室內(nèi),大幅增加了供暖能耗。

2) 我國(guó)居民的飲食習(xí)慣和德國(guó)有很大不同,烹飪時(shí)油煙量較大。雖然前期設(shè)計(jì)階段已經(jīng)根據(jù)正常需求設(shè)置了廚房補(bǔ)風(fēng)量,但是不同家庭烹飪習(xí)慣不同,當(dāng)大功率的抽油煙機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí),仍需通過(guò)加大新風(fēng)量來(lái)補(bǔ)風(fēng),增加了供暖能耗。

3) 項(xiàng)目運(yùn)行監(jiān)測(cè)時(shí),住戶(hù)入住率較低,僅為近50%,監(jiān)測(cè)住戶(hù)相鄰房間空置不供暖,隔墻之間的傳熱導(dǎo)致了供暖能耗的增加。

和供暖情境不同,夏季制冷能耗實(shí)測(cè)值小于模擬值,分析出現(xiàn)這種情況的原因主要是空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的差異。模擬中空調(diào)為每天24 h運(yùn)行,而居民實(shí)際空調(diào)運(yùn)行時(shí)間主要和居民在室時(shí)間和使用習(xí)慣有關(guān),一般居民在室期間才會(huì)開(kāi)啟空調(diào),也有部分居民習(xí)慣在夏季優(yōu)先開(kāi)啟風(fēng)扇降溫,居民每天實(shí)際運(yùn)行空調(diào)時(shí)間短于24 h,所以制冷能耗低。

經(jīng)計(jì)算,2#樓全年供暖耗電量約為72 791 kW·h,折算到單位供暖面積年耗電量約為16.08 kW·h/(m2·a),因此典型住戶(hù)年供暖費(fèi)用約為1 085元(青島居民電價(jià)為0.55元/(kW·h))。根據(jù)《青島西海岸新區(qū)關(guān)于調(diào)整居民集中供熱價(jià)格的通知》,居民供熱價(jià)格為30.40元/m2(供暖面積),計(jì)算得到該戶(hù)集中供暖費(fèi)用約為3 727元。和普通住宅集中供暖費(fèi)用相比,超低能耗住宅中住戶(hù)的供暖費(fèi)用每年可減少70.9%,用戶(hù)既可以享受到舒適的室內(nèi)環(huán)境,又可以繳納較低的供暖費(fèi)用,既舒適又節(jié)能。

綜合而言,本文通過(guò)實(shí)際住宅中的監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)超低能耗建筑設(shè)計(jì)方案、暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證,證明了在北方寒冷地區(qū),被動(dòng)式超低能耗住宅不僅可以營(yíng)造舒適的室內(nèi)熱濕環(huán)境、提供良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量,還可以實(shí)現(xiàn)較低的運(yùn)行能耗。此外,政府目前在大力提倡建筑電氣化、零碳供暖等碳減排技術(shù)[22],北方供暖方式的轉(zhuǎn)型也是建筑領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一。北方傳統(tǒng)集中供暖的熱源主要是燃煤[23]。超低能耗建筑技術(shù)體系中通過(guò)地源熱泵和熱回收新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行供暖,能源消耗主要是電力。在碳減排的目標(biāo)下,超低能耗住宅的供暖方式符合國(guó)家對(duì)建筑全面電氣化的倡導(dǎo),可作為替代傳統(tǒng)鍋爐供暖的可行方式之一。

5 結(jié)論

本文以青島地區(qū)中德被動(dòng)式超低能耗住宅推廣示范小區(qū)為例,介紹了被動(dòng)式超低能耗住宅的被動(dòng)設(shè)計(jì)和暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,著重介紹了冷熱源系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、機(jī)房設(shè)置等方面的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),同時(shí)應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了系統(tǒng)運(yùn)行效果。本文的研究為探尋超低能耗住宅的實(shí)現(xiàn)方案,尤其是暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。本文主要設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及結(jié)論總結(jié)如下。

1) 超低能耗建筑被動(dòng)設(shè)計(jì)需注重建筑氣密性、高效非透明外圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用、高性能門(mén)窗選擇,確定各個(gè)環(huán)節(jié)執(zhí)行嚴(yán)格準(zhǔn)確的性能化設(shè)計(jì)。

2) 在暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn):① 采用了整體式水地源熱泵新風(fēng)機(jī)組,集新風(fēng)、空調(diào)、生活熱水于一體,滿(mǎn)足住戶(hù)的冷熱用能需求;② 由于風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)均設(shè)置在戶(hù)內(nèi),在建筑方案階段需要考慮將設(shè)備設(shè)置在專(zhuān)用機(jī)房?jī)?nèi),同時(shí)做好機(jī)組自身及出風(fēng)口的消聲隔音處理;③ 新風(fēng)氣流要保證從臥室、起居室區(qū)域溢流至過(guò)道、餐廳區(qū)域,最后從衛(wèi)生間排至室外;④ 應(yīng)設(shè)計(jì)配套的智能控制及能源管理系統(tǒng),使機(jī)組能源系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行。

3) 通過(guò)對(duì)典型住戶(hù)冬夏季室內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,冬夏季室內(nèi)熱濕環(huán)境及空氣質(zhì)量均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際測(cè)量得到的年供暖需求比PHPP能耗模擬計(jì)算得到的年供暖需求高23.3 kW·h/(m2·a),而年供冷需求比PHPP能耗模擬計(jì)算得到的年供冷需求低6.5 kW·h/(m2·a)。

4) 項(xiàng)目年供暖需求與年供冷需求的實(shí)測(cè)值與能耗模擬值差異的原因主要是人員行為和模擬設(shè)置之間的差異。從用戶(hù)角度考慮,超低能耗住宅住戶(hù)的供暖費(fèi)用可比集中供熱每年減少70.9%,住戶(hù)既可以享受到舒適的室內(nèi)環(huán)境,又可以繳納較低的供暖費(fèi)用,既舒適又節(jié)能。此外,超低能耗住宅的能源消耗主要是電力,符合國(guó)家建筑全面電氣化的碳減排規(guī)劃,這種供暖方式可作為替代傳統(tǒng)鍋爐供暖的可行方式之一。