严寒地区超低能耗居住建筑设计要点及运行效果分析<br/>——以中海河山大观项目为例

严寒地区超低能耗居住建筑设计要点及运行效果分析
——以中海河山大观项目为例

2021-06-23建科环能科技有限公司高彩凤呼和浩特市海巍地产有限公司建科环能科技有限公司陈梦源潘玉亮呼和浩特市海巍地产有限公司

暖通空调 2021年6期

建科环能科技有限公司高彩凤呼和浩特市海巍地产有限公司曲斌建科环能科技有限公司陈梦源彭莉潘玉亮呼和浩特市海巍地产有限公司金阳范平

0 引言

2020年9月22日，在第75届联合国大会期间，我国提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标[1]。作为碳排放量约占全社会排放量30%的建筑用能环节，也理应承担其应有的责任。而实施超低能耗建筑则正是建筑环节大幅节能减排的有效措施。超低能耗建筑的能耗水平应较国家标准GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》、行业标准JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》和JGJ 75—2012《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》降低50%以上[2]。该技术体系强调通过应用更好的围护结构保温、高性能门窗、高效热回收新风系统、高建筑气密性和无热桥设计建造，仅使用非常少的一次能源，实现更好的室内环境舒适度，是中国建筑行业向低碳和绿色发展转型的方向。

我国严寒地区冬季严寒漫长，夏季凉爽短暂，特殊的气候条件决定了严寒地区居住建筑冷热源需求以供暖为主。而超低能耗建筑高保温、高气密性的围护结构对降低建筑热负荷效果明显，因此相比于寒冷、夏热冬冷等其他供冷需求显著的地区，仅需要靠提高保温性能和气密性就可以实现大幅度节能的超低能耗建筑在严寒地区具有更高的经济性。然而，严寒地区建设超低能耗建筑也面临挑战。例如：面对极寒气候，围护结构保温是否需要加厚？当较厚的外保温增加保温安装安全性风险时，如何确定最适宜的保温厚度？穿墙孔洞、外窗安装等热桥是否影响严重？室内外动辄40 ℃的温差，高保温、高气密性外窗采用什么样的型材能够在室内外巨大温差波动下维持保温隔热及气密性的耐久性？冷热源方案如何能实现高效节能、提供高舒适度的同时使用户获得节能收益？这些问题都亟需解决方法及工程实践的验证。

严寒地区目前建成或在建的超低能耗建筑项目及其主要技术措施见表1。

表1 严寒地区超低能耗建筑项目及其主要技术措施[3-6]

由表1可见，严寒地区案例项目中，以单栋小面积示范性的实施居多，规模化实施超低能耗高层住宅小区的案例较少。已有的项目保温厚度一般在200～300 mm之间，设备系统也不尽相同。

本文以中海河山大观项目为例，介绍针对严寒地区气候特点的超低能耗建筑设计注意事项，并对项目样板间供暖季运行数据进行全面的分析，评估该项目技术策略的有效性。该项目的实施经验，对于严寒地区大规模推广超低能耗居住建筑具有借鉴意义。

1 项目概况

该项目位于内蒙古自治区呼和浩特市毫沁营板块。占地面积158 739.94 m2，建筑面积164 152.88 m2。包含的9栋住宅全部实施了超低能耗建筑技术，总建筑面积为135 356.79 m2。项目地下1层，地上25层或26层。结构形式为钢筋混凝土现浇剪力墙结构，主力户型为98、128 m2三居室，143、176 m2四居室。该项目主要部品设计做法及性能参数见表2。

2 超低能耗建筑设计指标

严寒地区超低能耗居住建筑室内环境参数设计指标、建筑能耗及气密性指标均应满足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》中超低能耗建筑的相关规定。

2.1 室内环境参数指标

超低能耗居住建筑室内热湿环境参数见表3。

2.2 建筑能耗及气密性指标

表2 项目主要部品设计做法及性能参数(1～3、5～8、11、12#楼)

表3 建筑主要房间室内热湿环境参数

该项目超低能耗居住建筑能效指标见表4。

表4 超低能耗居住建筑能效指标

3 超低能耗专项技术设计要点

3.1 建筑布局

3.1.1建筑形体简洁规整

为了适应超低能耗建筑体形系数尽可能小的要求，严寒地区居住建筑项目应采用简洁的建筑形体，尽可能减少外立面的转折和凹凸变化，减少散热面和结构性热桥，减少自遮挡，降低热负荷。该项目平面设计规整，且采用内包式阳台，避免突出的阳台产生的结构性热桥。

3.1.2建筑平面布局合理

严寒地区居住建筑宜布局为正南正北朝向，应采用浅进深大面宽设计，优化南北立面开窗位置和面积，以充分利用自然通风降低过渡季负荷，提升采光效果，同时满足冬季尽可能获取太阳辐射得热的需求。建筑单体平面及自然通风示意图见图1。

图1 建筑单体平面及自然通风示意图

3.2 围护结构

3.2.1围护结构保温

严寒地区冬季严寒漫长，极端温度较低。以该项目所在地呼和浩特为例，供暖季为每年10月15日至次年4月15日，长达半年。供暖季室外最低温度低于-20 ℃，冬季空调设计室外温度为-20.3 ℃。

超低能耗建筑对围护结构保温性能要求较高，导致严寒地区建筑需要较厚的外保温，增加了高层建筑尤其是高海拔地区高层建筑保温层可靠性风险。呼和浩特地区冬季最高风速可达到14 m/s。保温材料与结构墙体的黏接剂及锚栓需要同时承受保温板的自重和较大的风荷载，过重的保温材料势必增加保温后期脱落的风险。因此该项目的外保温应采用性能化设计方法，在满足超低能耗要求的前提下，尽可能做薄。同时，在保温安装时应在每楼层设置至少一圈保温托架。

性能化设计是指以建筑室内环境参数和能效指标为性能目标，利用建筑负荷、能耗模拟工具，对设计方案中各参数进行逐步优化，最终达到预定性能目标要求的设计过程[7]。该过程因涉及多个影响室内环境及能耗指标的关键参数，如外墙传热系数、外窗传热系数、外窗太阳得热系数、屋面传热系数、地面传热系数、建筑整体气密性、新风热回收效率、设备系统效率等，每个参数在标准推荐范围内取值时，可产生数以百万计的可选方案，在所有达标方案中选取所需的优化方案，可通过性能化设计优化工具完成。需要注意的是，即便是同一小区，不同的楼栋由于其建筑布局、体形系数、朝向、周边建筑遮挡情况等不同，保温的设计优选厚度也可能不同。

经优化计算，案例项目一部分楼栋保温材料由250 mm厚石墨聚苯板加岩棉隔离带组成，另一部分楼栋则由260 mm厚石墨聚苯板加岩棉隔离带组成。低于严寒地区采用同样保温材料的同类项目保温厚度，同时设计性能满足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》中的超低能耗居住建筑的指标要求。该项目标准推荐的设计指标值及性能化设计优化后的设计值对比见表5。

表5 围护结构设计参数与标准推荐值对比

可见，要达到超低能耗建筑室内环境和能效指标要求，并非要求围护结构各项性能参数都取标准推荐值中的最优值，而是可在所有达标方案中根据项目需求，比如保温最薄、成本最低或综合效益最大等，比选出最优的方案，即性能化设计优化。该项目采用的判定标准为达标方案中外墙保温最薄的方案。

3.2.2外窗安装

超低能耗建筑外窗应具有高保温隔热性能，高气密性、水密性及抗风压性能。严寒地区冬季室内外温差可达40～50 ℃，要求外窗仍能够保证气密性及耐久性，对于外窗内外侧型材的热胀冷缩抗变形性能要求较高。此外，高性能外窗的质量可达80 kg/m2，目前绝大部分仍借鉴国外外挂式的安装方式，这种安装方式外窗悬在窗洞外侧，窗框四周通过固定角件与外墙固定，如果墙体、角件或螺栓等出现问题，存在外窗坠落风险，且更换外窗时需要破坏外墙保温及饰面层。

超低能耗建筑外窗的安装方式应综合考虑安装热桥影响、安全性及更换可行性等。如前所述，由于该项目属于高层住宅，保温较厚且当地冬季风力较大，考虑到外窗安装的可靠性及经济性，该项目创新性地在超低能耗建筑中采用了启口带附框的嵌入式安装方式。对普通建筑常采用的嵌入式安装方式进行了改进，外窗与墙体交接处安装了保温附框，并让外墙保温适当包裹窗框，有效地降低了嵌入式的安装热桥。

嵌入式安装的弊端是安装热桥略高，应进行详细的安装热桥计算分析，确保其不会导致局部结露、不会影响局部舒适度及整体能耗达标。

该项目采用Psi-Therm软件对2种安装方式进行了计算分析，该软件是一款可以计算线性热桥传热系数的有限元分析软件，软件中可以构建详细的建筑截面和边界条件，计算传热系数、热流、表面温度及线性热桥传热系数。其计算方法符合ISO 10211的要求[8]，可以用来进行超低能耗建筑的热桥计算。

计算结果显示，采用外挂式安装与嵌入式安装，窗内侧最不利点温度分别为18.48、18.51 ℃，无结露风险，且不影响局部舒适度；考虑安装热桥后的整窗传热系数分别为1.034、1.082 W/(m2·K)。嵌入式安装热桥纳入能耗计算后，整体能耗指标仍达标。以外窗上口为例，2种外窗安装方式的热桥模拟计算结果见表6。

表6 2种外窗安装方式热桥模拟计算结果

3.2.3气密性与无热桥设计

严寒地区建筑气密性与热桥对能耗与舒适度的影响尤为显著。室内外空气通过门窗缝隙或洞口无组织渗透，在供暖季或空调季，会增加供暖负荷或空调负荷[9]。超低能耗建筑应合理设计气密性包含区域，严格遵循无热桥及气密性设计原则和方法，营造室内良好的气密性环境，对于可能产生结构性热桥的部位应进行妥善处理。气密性薄弱处通常在门窗四周与洞口处，门窗本身、穿墙/穿屋面管道、线管洞口，穿地下室底板洞口等部位有缝隙，应尽可能保证洞口周边保温填塞及内外侧气密性材料的粘贴密实。应重点核查气密性设计节点做法及施工工艺工法，确保完成质量。

该项目实施过程中，避免了在外墙上固定龙骨、支架等可能导致热桥的部件；保温使用断热桥的锚固件；管道穿外墙部位热桥经过详细的计算分析后，预留了足够的保温间隙，洞口周边局部无结露风险，且不影响室内舒适度；户内开关、插座接线盒等均置于内墙上；处于气密区域边界的外门全部采用高保温隔热性、高气密性外门，且采用了断热桥安装方式。

3.3 暖通空调系统

3.3.1冷热源选择

对超低能耗居住建筑而言，采用常规集中式能源系统来满足建筑的单户负荷需求，其灵活性和可调节性都存在一定不足。分散的户用高效冷热源从灵活可控、产权划分上都具有优势[10]。超低能耗建筑冷热负荷显著低于常规建筑，考虑设备系统运行效率及用户个性化启闭、调节灵活性，在寒冷地区常采用空气源热泵与新风一体机。

而在严寒地区，空气源热泵的效率将大幅下降，且在极寒天气容易发生故障，因此应考虑采用超低温空气源热泵。超低温空气源热泵采用准二级压缩喷射增焓系统，保证机组在-30～-25 ℃仍能正常制热，实现了空气源热泵在严寒地区供暖的可能。

此外，在严寒地区，超低能耗住宅的热源也可采用市政供暖及户式燃气壁挂炉等形式。冷源可另设分体机或超低能耗建筑专用多联机。需要指出的是，在寒冷地区综合能效低于空气源热泵的市政供热，在严寒地区其综合能效、供暖可靠性及舒适度均表现较优，所欠缺的仅仅为绝大部分地区无法实现的热计量收费，使得使用过程中，用户无法享受超低能耗带来的收益。实际项目应对多种方案的运行可靠性、能源利用效率及初投资等进行综合比选。

根据项目情况结合相关方意向，该项目机电系统可能采用的方案的优缺点及能耗计算结果见表7。

表7 冷热源方案分析

可见，除方案3电供暖之外，其余供暖方式建筑综合能耗值均可以达标。方案1由于项目所在地无法实现热计量收费，用户采用市政供暖无法享受超低能耗带来的收益而未被采用；方案2存在室外挂冰锥及冰锥坠落风险而未被采用。最终，该项目采用了方案4(超低温空气源热泵的户式新风冷热源一体机)，同时采用石墨烯电热膜作为备用系统。超低温空气源热泵突破了常规户式新风冷热源一体机在严寒地区的使用限制。该系统能够省去接入市政供暖的配套费用及楼内管线铺设费用，在市政供暖不实行计量收费的地区，该方式可使用户切实体会到超低能耗的节能收益。调研数据显示，在室外温度-20 ℃、室内温度20 ℃的工况下，该项目所采用机组正常制热，COP为1.69。

石墨烯电供暖系统可作为备用系统，在极端天气情况下一体机效率衰减或发生故障时启用，启用电供暖时可享受呼和浩特市发展改革委对电供暖实施的峰谷电价优惠政策。

3.3.2新风系统

超低能耗住宅新风量应按照人均不低于30 m3/h进行设计，同时应满足GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中居住建筑最小换气次数的要求。系统宜采用全热回收装置，设备全热回收效率不应小于70%，热回收机组单位风量耗功率不应超过0.45 W/(m3/h)。

与冷热源相同，超低能耗建筑的新风系统也常采用分户式系统。分户独立设置新风系统无高低层户间不平衡问题，在疫情背景下，无户间污染和病毒扩散风险，且耗损部品如滤网的更换周期由用户自行决定，可实现最佳新风净化效果。若超低能耗建筑项目冷热源为空气源热泵，则采用新风系统与热泵组合的新风热泵一体机系统，可有效减少设备体积，减少占用室内空间。

在严寒地区，应特别注意一体机室内机的防冻和室外机的化霜水要有组织排放。新风管道应安装预热装置，当室外温度低于-10 ℃时，新风预热装置启动。新风预热能耗应计入建筑整体能耗。

室外化霜水管可就近引入室内排放或在室外立管排放，需注意排水管在室外的保温和伴热，否则，化霜水可能结冰堵塞排水管并形成外挂冰锥，存在安全隐患。

3.3.3厨房和卫生间通风措施

超低能耗建筑厨房应设置就近补风，补风量等于抽油烟机排风量。严寒地区由于室内外温差较大，补风口应尽可能布置在灶台附近，减少室外冷空气对厨房操作空间环境参数的影响。空间允许时，可设置风井补风。卫生间排风应进行能量回收。

3.4 可再生能源利用

我国太阳能资源丰富的严寒、寒冷地区，大气透明度好，日照辐射强[11]。超低能耗建筑应根据当地能源资源条件，充分利用可再生能源，减少一次能源消耗。该项目所在地区太阳能资源丰富，在屋顶安装太阳能光伏发电系统，发电用于公共区域的照明。

1、8#楼各设最大输出功率310 W的单晶光伏组件90块，预计年发电量41 850 kW·h；2、3、11、12#楼各设最大输出功率310 W的单晶光伏组件54块，预计年发电量25 110 kW·h；4、6、7#楼各设最大输出功率310 W的单晶光伏组件72块，预计年发电量33 480 kW·h。项目各住宅楼光伏总装机容量(最大输出功率)为189.72 kW，预计年发电量284 580 kW·h。

4 运行效果评估

超低能耗建筑应具有室内环境及能耗参数监测设施，并在运行过程中对运行效果是否达标进行评估，必要时应进行系统调适及性能提升改进。

4.1 监测需求

应根据GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》相关要求，对超低能耗建筑室内环境关键参数和建筑分类分项能耗进行监测和记录。通过数据分析运行状况，优化能源系统运行策略，确保实现超低能耗建筑的设计目标。

该项目设置1套能源管理系统，从820户中选择26户、包含5种户型的典型户，监测其室内环境参数及运行分项能耗，为项目运行效果评估及能效提升、运行策略的不断改进提供依据。

4.2 运行数据分析

该项目已建设与主打户型相同的样板间，样板间位于项目地块内样板房内部，独立建造，建筑层数为1层，建筑总高度6.65 m，建筑层高3 m，样板间总建筑面积314 m2，其中住宅户型样板间供暖面积112 m2。样板间平面图见图2。其围护结构保温、门窗、热桥与气密性处理、设备系统等均与主体建筑同户型做法相同。样板间在建成后经历了首个寒冷冬季的考验，获取了运行数据。

图2 样板间平面图

4.2.1室内外温度与空调耗电量

对样板间的室内温度、一体机耗电量及室外温度进行数据汇总和整理，得到图3。2021年1月18日开始房间内关闭了新风一体机，开启了石墨烯电供暖系统进行供暖系统试验。2020年10月1日至2021年1月31日室外最低温度近-28 ℃，由图3可见，室内温度始终维持在20 ℃以上，平均值为23.9 ℃，温度曲线平稳，未出现明显波动，极寒天气对室内温度的影响非常有限。由此可以看出，超低温空气源热泵在极寒天气下仍可稳定运行，为室内提供稳定的热源。

图3 室内外温度与一体机耗电量关系

监测期间室外温度呈逐渐下降趋势，与之相应，一体机每日耗电量逐渐升高，每月室外平均温度、室内平均温度及平均每日耗电量见图4。

图4 供暖季每月室外平均温度、室内平均温度及平均每日耗电量

由图4可见，样板间测试期间室内温度均高于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》中要求的20 ℃。

呼和浩特市供暖时间为每年10月15日至次年4月15日，共计183 d。根据样板间实测数据，以及已有的3个月的平均耗电量与逐月平均温度的比例关系可测算出全供暖季日平均耗电量为18.27 kW·h。根据样板间实际运行情况，供暖季室内平均温度为23.9 ℃，利用IBE软件[12]计算出的样板间供暖累计耗热量指标为48.67 kW·h/(m2·a)，根据设备厂家提供的超低温空气源热泵曲线计算出该气候区的供暖季平均COP为2.2，再考虑当室外温度低于-10 ℃时，开启新风电预热，利用逐时气象参数和一体机设定的预热温度及逐时风量数据可计算出该部分能耗为4.10 kW·h/(m2·a)。此外，根据实测新风量及超低能耗建筑风机能耗约束值可算出新风排风机组的能耗为5.56 kW·h/(m2·a)，综合考虑后，新风一体机系统COP为1.53。因此样板间能耗计算预测值为17.61 kW·h/d，与实测值的偏差为3.4%，在合理范围内。

样板间预测值与实测值的偏差可能源于多种因素：1) 样板间的实际室外工况与模拟计算所采用典型年气象参数不同，导致计算负荷与实际负荷有偏差；2) 样板间测试时间为建成后运行的首个供暖季围护结构蓄冷蓄湿会导致机组耗电量略高；3) 首个供暖季围护结构含湿量高导致墙体整体的传热系数较设计值偏高；4) 样板间参观人数较多，外门频繁开启，导致室外空气渗透量高于常规建筑；等。

但总体来看，IBE软件预测的供暖负荷及能耗与实际值非常接近。

根据目前的运行数据，若电费按0.5元/(kW·h)计算，样板间供暖季供暖费用为1 671.91元，单位面积供暖费用11.69元/m2。与呼和浩特地区市政供暖费用每年22元/m2相比，可节约47%。考虑到样板间的诸多不利条件，如独立一户，上下及左右均无供暖房间相邻，其外墙、屋面、及地面均向室外环境散热，可预测主体建筑投入使用后平均每日耗电量在样板间基础上有较大下降空间。可见该项目技术措施综合节能效果及经济效益显著。

4.2.2相对湿度

对样板间运行过程中的室内外相对湿度数据汇总整理，得到图5。由图5可见，测试期间室外相对湿度在20%～90%之间，波动幅度较大，而室内相对湿度波动较为平稳，基本维持在30%～40%之间。基本满足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》中冬季室内相对湿度不小于30%的要求。

图5 测试期间室内外日平均相对湿度关系

4.2.3PM2.5

对样板间一体机自行记录的PM2.5浓度数据及中国空气质量在线监测分析平台公布的每日室外PM2.5浓度数据进行汇总整理，得到图6。

图6 测试期间室内外平均PM2.5质量浓度关系

可见，样板间运行过程中PM2.5的日均质量浓度在0～40 μg/m3范围内波动，平均值为7.90 μg/m3。室外PM2.5质量浓度大部分时间在6～100 μg/m3范围内波动，少数天气PM2.5污染较重，可达到250 μg/m3以上。在室外PM2.5质量浓度超过250 μg/m3时，室内达到43 μg/m3，空气品质优良。供暖季全时段室外PM2.5质量浓度平均值为44.84 μg/m3。可见，室内PM2.5的质量浓度平均值相当于室外浓度的18%，表明样板间气密性处理有效，新风系统过滤效果良好。

4.2.4CO2浓度

对样板间记录的CO2体积分数进行数据汇总和整理，得到图7。

图7 测试期间室内CO2体积分数

CO2日平均体积分数大部分时间均在6×10-4以下，样板间运行过程中CO2日平均体积分数最大值为6.98×10-4，最小值为4.06×10-4，平均值为5.08×10-4，低于设计目标限值1.0×10-3。个别时段升高至6.98×10-4，与样板间人员参观活动有关。

可见，与主体建筑同等设计的样板间首个冬季运行过程中室内温湿度满足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的规定；室内PM2.5质量浓度低于GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》中一类区适用的浓度限值；室内CO2体积分数满足GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》的规定；由于样板间试运行条件所限，供暖季能耗略高于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的规定，但扣除因蓄冷蓄湿导致的耗电量后，主体建筑投入运行后应能够低于设计目标要求。