深圳地区某近零能耗学校设计探讨*

于振峰 骆诗哲 温小勇 丁东山 曾庆雄

(1.中建科工集团有限公司,深圳;2.中国建筑科学研究院有限公司深圳分公司,深圳)

0 引言

近年来,超低/近零能耗建筑作为节能建筑的一种高级表现形式,开始逐渐得到科研人员和各级政府的重视[1]。近零能耗相关技术措施,在节约能源、提高能源利用率、提升室内舒适度、保护生态环境等方面与绿色低碳措施是相通的,即近零能耗技术的应用有利于实现建筑物的绿色低碳需求,符合当前节能减排的趋势。对于夏热冬暖地区的学校类公共建筑,目前尚欠缺近零能耗相关技术在设计中如何落地实施、基于后期运维的管理手册的编制,以及结合科学课进行绿色低碳、节能减排等相关知识的科普课程建议等实际案例项目。为响应国家及地方政府的政策,推动近零能耗建筑技术在夏热冬暖地区的落地实施和相关运维管理、知识科普等措施的探索,相关部门决定深圳某新建小学项目按近零能耗建筑相关技术要求建设。

1 项目简介

该项目位于深圳市南山区,总建筑面积为26 209.14 m2,地下2层,地上6层,其中包含教室、图书馆、多功能厅、办公室、教师宿舍等房间,建筑本体的窗墙面积比约为0.14。为使项目能够满足近零能耗建筑和绿色建筑二星级要求,其建筑本体节能率需不小于20%、建筑综合节能率需不小于60%、可再生能源利用率不小于10%[2]。为满足以上目标,建筑的围护结构热工性能综合考虑了各相关规范要求,并通过多次建筑能耗测算,最终确定采用的性能指标如表1所示。

表1 围护结构热工性能参数

除采用提升建筑围护结构热工性能并设置外挑遮阳等被动式建筑技术外,该项目还采用了高效节能设备、变频运行技术、智能控制管理等多项主动式建筑技术和光伏发电、太阳能集热器、空气源热泵等可再生能源应用技术。下文将对空调能效等级要求、教室是否设置新风系统及是否采用相应的热回收装置等不易明确的设计难点进行探讨。

2 空调及新风

该项目各区域的室内温湿度参数按GB/T 51350—2019[2]中的室内环境参数要求及T/CABEE 003—2019《近零能耗建筑测评标准》[6]中的室内环境参数控制指标要求设置,新风量标准按GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[7]的相关要求确定,如表2所示。

表2 室内设计参数

该项目空调系统除图书馆、多功能厅、餐厅采用直膨式空调机组外,教室、办公室和教师宿舍等房间采用分体空调。经建筑能耗测算,为达到近零能耗建筑节能率目标,直膨式空调机组按GB 37479—2019《风管送风式空调机组能效限定值及能效等级》[8]中的二级能效基准提升8%选用;教室、办公室及宿舍的分体空调,为使节能率达到目标值,需按GB 21455—2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[9]中的一级能效选用。以上能效标准也满足GB/T 51350—2019[2]中相关的指标要求。

深圳地区已建成及在建学校项目中,对于采用分体空调的教室、办公室、宿舍等房间,多数不考虑设置新风系统。对于教室的新风来源,GB/T 17226—2017《中小学校教室换气卫生要求》[10]中对教室规定了换气制度,过渡季可通过开窗、开门进行通风换气,寒冷季节利用课间通过门窗进行通风换气,但未提及夏季制冷时的通风换气措施。

从人员新风需求方面考虑,教室内学生较为密集,对新风量的需求较大,仅依靠课间通风并不能满足上课时师生对新风量的需求。教室内新风量不足,CO2浓度偏高,会导致学生学习效率降低[11]。黄衍等人通过案例分析及理论计算证明了CO2浓度与新风量的关系,经对比不同标准,发现在人员密度较高的情况下,按照GB 50736—2012规定的新风量指标取值,教室内CO2浓度值最低[12]。

从满足相关规范要求方面考虑,该项目属于近零能耗建筑,T/CABEE 003—2019在设计评价章节中明确了对主要功能房间空气品质参数的具体要求,其中CO2体积分数应不大于900×10-6[6]。此外,T/CABEE 003—2019的运行评估章节对近零能耗建筑也提出了相应要求,并列出了公共建筑室内环境监测参数,其中就包括新风量与CO2浓度[6]。黄衍等人测试了中学教室门窗紧闭且未开启新风机组阶段的CO2体积分数,发现至下课时达到峰值,约为2 000×10-6[12];胡佳林等人测试了门窗关闭状态下大学教室上课期间的CO2体积分数,约为1 800×10-6[11]。以上测试结果除不满足T/CABEE 003—2019要求外,也未达到GB/T 18883—2022《室内空气质量标准》对室内CO2体积分数不高于1 000×10-6的要求[13]。由此可见,学校教室如不设置新风系统,很难满足相关规范要求。

通过以上分析可知,该项目教室虽然采用分体空调,但为其设置新风系统是较为合理的。

对于教室的新风系统形式,有集中式和分散式可供选择。其中,集中式可选用直膨式空调机组,对新风进行降温除湿处理后,通过风管送到每个教室;分散式可选用不带室外机的热泵型全热回收新风机组或热回收式新风换气机等吊装在教室外的走道上空,分别对每个教室进行通风换气。课间教室前后门开敞,学生进出频繁,室外高温、高湿空气会被带入教室,为降低空调室内机湿负荷、避免其风口结露滴水,新风机组的新风建议至少处理到室内等焓状态送入室内,不建议处理到室内等温状态送入,推荐处理到室内等湿状态送入,以上3种送风点(与相对湿度95%相交点)参数对比见表3。

表3 新风送风参数

由表3可以看出:等湿送风点的新风含湿量比其他2种送风点更低,送入的新风不会造成室内湿负荷增加,且送风温度高于室内状态点的露点温度(17.6 ℃),风口无结露风险。除对新风进行降温除湿外,还应规范师生日常行为,养成空调及新风系统运行时随手关门的习惯,避免室外热湿空气进入室内造成风口结露滴水。因此,该项目最终确定采用直膨式空调机组,以对新风进行深度除湿。过渡季时,空调及新风机组不运行,教室可开窗通风,因此如采用热回收型新风机组,则无需设置旁通管道。

3 新风热回收

GB/T 51350—2019[2]的技术措施章节第7.1.28 条有如下表述:“应设置新风热回收系统,新风热回收系统设计应考虑全年运行的合理性及可靠性”。并在其条文说明中提及:“设置高效新风热回收系统……是近零能耗建筑的主要特征之一……是实现近零能耗目标的必要技术措施”。据此,有人解读为近零能耗建筑的新风系统必须设置热回收装置。

新风系统是否设置热回收装置,应视其能否实现暖通空调系统的运行节能而定,且新风热回收系统与常规新风系统相比,风机需消耗更多能量,并非总是节能的。徐文华提出了一种热回收效益评价方法,并指出应对其进行全年适合运行期间的回收效益分析[14];黄贵松在此基础上深化了能量回收收益评价方法,并明确了是否采用热回收系统需计入其投资、维护保养及更新费用等影响因素,计算出投资回收年限,从而根据其经济性决定[15-16];ASHRAE暖通空调系统和设备手册(2020)的空气-空气能量回收装置章节论述了热回收装置的经济性问题,指出需要计入热回收装置的投资成本、寿命成本、维保成本等因素,并据此计算其回收期或能源成本节约,建议热回收装置投资回收年限通常按低于5年设计,如低于3年则推荐使用[17];此外,徐文华提出,如热回收装置价格较高,可能会导致使用年限小于投资回收年限,如遇此种情况则不应采用热回收装置[14]。

因此,该项目新风系统是否设置热回收装置、采用何种热回收形式,应首先对其进行全年运行工况下的能量回收效益分析,如回收收益为正,再对其进行回收期测算,根据以上结果方可判定。该项目利用EnergyPlus软件对教室新风系统设置不同形式热回收装置前后的能耗进行模拟分析,由此可计算出各自的能量回收收益情况。

对于深圳地区学校空调运行时间段,可根据历年气象数据分析确定。通过查询深圳市国家基本气象站及天气网提供的气象数据,得到2011年1月至2023年5月共149个月的月平均高温(每日最高温度的月平均值)、月平均低温(每日最低温度的月平均值)及月平均温度,统计结果如图1所示。

图1 2011年1月至2023年5月各月月平均高温、月平均低温及月平均温度统计

其中,历年各月的月平均高温与月平均低温的差值不同,最小值为1 ℃,最大值为9 ℃。以上数据分布随机,不利于理论分析,后续按其统计平均温差进行讨论,约为6 ℃,即当月平均高温为26 ℃时,其当月平均低温为20 ℃,月平均温度为23 ℃。设定当室外平均气温高于室内设计温度时需开启空调降温。对于历年各月,月平均温度超过26 ℃的月份,可认为本月所有时间均需开启空调降温;当月平均温度未超过26 ℃但其月平均高温超过26 ℃或月平均低温超过20 ℃时,可认为本月有一半的时间需开启空调降温。按此原则,由以上历年各月温度数据可统计出深圳空调季时段约为4月15日至11月15日。以上确定的空调运行时间段,与黄冬娜等人参照相关标准和空调实际运行经验总结出的夏热冬暖地区供冷季时间相符[18]。

深圳中小学校暑假放假时间一般为7月10日至8月31日[19],期间空调不运行。因此,深圳中小学校每年空调的运行时间约为4月15日至7月10日和9月1日至11月15日,共5个半月左右。其中,节假日、周末为休息时间,空调亦不运行。

此外,按照GB 55015—2021[4]附录中表C.0.6-1/3的规定,设置该项目每日空调和新风系统运行时间为07:00—18:00,教室内照明功率密度、电器功率密度分别设置为8、5 W/m2。对于风机单位风量耗功率,参照张腾飞等人对市场上不同热回收形式的新风机单位风量风机功率调研结果,无热回收时单位风量耗功率取0.15 W/(m3/h),设置全热回收或显热回收时取0.27 W/(m3/h)[20]。

该项目新风系统属于冷量回收,全热回收和显热回收的交换效率分别按GB/T 51350—2019[2]要求的不低于65%和70%设置。在EnergyPlus软件中按以上分析条件进行相关参数的设定,送入房间的新风按照处理到室内等焓点和等湿点分别计算出新风系统设置全热回收和显热回收前后的能耗及收益,如表4和表5所示。

表4 能耗及收益分析(新风处理到室内等焓点)

表5 能耗及收益分析(新风处理到室内等湿点)

如表4、5所示,在只考虑能量回收收益的情况下,显热回收新风系统的年度运行能量回收收益为负,证明显热回收装置全年运行不节能,如再考虑增加的造价及维保费用等因素,则显热回收装置就更不经济,因此不建议在该项目中使用。

对于全热回收新风系统,其能量回收收益为正,需对其进行回收期测算,方可确定是否采用。根据以上软件计算结果,以新风处理到室内等湿点为例,可得出全热回收新风系统较无热回收新风系统每年可降低能耗约5 375 kW·h。学校教学和学生生活用电执行居民生活用电价格[21],深圳居民生活用电执行阶梯电价,阶梯电价收费标准如表6所示。

表6 深圳市居民生活电价

根据以上能耗模拟计算结果,学校开学期间每月用电量均超过600 kW·h,需按照表6中第三档电价收费,由此可计算出全热回收新风系统相比无热回收新风系统每年可节省约5 175.4元运行费用。经与项目商务核对,因增设全热回收装置而导致的新风系统设备、管线、阀件、控制系统等的增量费用约为38.5万元,则静态回收期约为74.4年,已远远超过设备使用寿命和文献[17]推荐的回收期,因此也不建议新风系统采用全热回收装置。

对比表4与表5中无热回收新风系统的运行能耗,新风处理到室内等湿点相比处理到室内等焓点每年多耗电8 105 kW·h,年运行费用约多7 804.05元。从降低风口结露滴水风险、减少对师生注意力的影响等方面考虑,此费用增量代价还是值得的。新风等湿送入房间,负担一部分室内负荷,分体空调亦可减少一定的运行能耗。

4 其他措施

为满足近零能耗建筑综合节能率不小于60%的需求,该项目在学校屋顶太阳能辐照度较高处架空设置了光伏设施,架空区域下方可作为人员活动空间使用,如图2所示。

图2 屋顶光伏板铺设示意图

其中,屋面顶部区域选用功率为550 W的单晶硅光伏组件,铺设方式为钢结构架高满铺,可铺设单晶硅光伏组件364块,装机容量为200.2 kW;天井区域选用功率为72 W的20%透光率碲化镉组件,铺设方式为间隙铺设,可铺设碲化镉透光光伏组件400块,装机容量为28.8 kW。屋顶光伏组件总装机容量为229 kW,年平均发电量约为20.29万kW·h。

该项目宿舍、食堂有稳定的热水需求,日需求量约为8.5 m3,采用太阳能集热器和空气源热泵联合供应生活热水,可大幅减少建筑生活热水能耗。在宿舍屋顶设置约200 m2太阳能集热器,并采用空气源热泵辅助加热,可满足学校厨房及宿舍日常热水供水温度需求。

最终,该项目建筑综合节能率测算结果为73.74%,达到近零能耗建筑综合节能率要求,如表7所示。

表7 建筑能耗分析

除以上采用的各项主动、被动技术措施外,在项目运行期间的合理使用与定期维保等措施对实现近零能耗目标也至关紧要。为此,该项目配合以上要求,增加了如下措施:

1) 根据GB/T 51350—2019[2]及T/CABEE 003—2019[6]要求,对教室、图书馆、多功能厅等主要房间的温度、相对湿度、PM2.5浓度、CO2浓度等参数进行监测,其中CO2浓度监测可联动新风支管上的电动阀,根据室内CO2浓度调节风阀开度以控制新风送入量,确保室内CO2体积分数不高于规范要求的900×10-6限值,且新风机组采用变频运行;

2) 打造近零能耗专属的智慧能耗管理平台,在学校使用期间,智慧能耗管理平台以环境舒适度和系统能耗为目标,结合每日天气情况进行能耗使用情况分析,通过实时监控各系统的运行状态,并根据以往运行记录或异常情况分析,能够及时发现、示警、处理系统运行中的问题,可实现空调及新风系统的精细化运行管理,从而降低系统的运行能耗;

3) 平台监测各房间的各项能耗等数据,并在电子班牌及公共区域显示屏上显示相关能耗监测数据、各班横向对比排名、各班为降低能耗做的贡献及排名等信息,并每月进行年级和全校评比,以期提升师生的节能减排意识;

4) 编制近零能耗建筑运行管理手册,对其使用过程中的参数设定、设备运维等提出具体要求;

5) 编制师生个人节能减排行为建议书,并在科学课中进行知识科普,倡导日常的行为节能。

此外,有学者针对教室风扇联合空调运行作了相关研究,胡达明在范存养提出的室内环境热舒适性需求(|PMV|≤0.5)[22]的基础上,通过计算分析,得出风扇联合空调运行时可将空调设置温度提高2 ℃的结论,并指出夏热冬暖地区采用此措施的节能效果优于其他气候区[23]。邹颖通过能耗检测实验、入室调查并利用DeST软件模拟等方式证实了以上结论,并提出风扇辅助空调运行可缩短空调运行时间,节能效益显著[24]。因此,该项目竣工投入运行后,可进行相应尝试,以期获得更好的节能效益。

5 结语

我国不同气候区的气象条件有较大差异。对于各气候区而言,GB/T 51350—2019中的某些措施不一定具有普适性,如上文讨论的新风热回收措施。徐伟等人提出须建立与供暖度日数、空调度日数相关的低能耗绿色建筑技术指标体系和路线,并提出以目标为导向,即规定性能目标,不规定具体技术措施[25];因无法实施统一的近零能耗建筑能耗指标,各气候区需要建立自己的指标体系[26]。因此,新建近零能耗建筑应根据项目所在地的实际情况综合评判,以提升室内环境品质、降低用能需求、提高能源利用率等为目标,合理规划、选用近零能耗技术措施,不建议机械照搬规范条文。

本文以深圳地区某学校项目为案例,对其近零能耗建筑相关技术方案进行了探讨,针对某些设计难点进行了分析论证,并提出多项运维、科普措施:

1) 对采用分体空调的教室,从提升室内空气品质、满足师生新风需求等方面考虑,建议设置新风系统。

2) 对于新风系统是否设置热回收装置,利用EnergyPlus软件进行了模拟计算,从全年运行工况下的回收效益及回收期方面进行了分析,证实热回收装置在深圳地区不具有经济性,因此不建议设置。对于夏热冬暖地区其他类似的项目,建议参照本案例做法,在经济技术分析明确其回收效益不高的前提下,可不采取新风热回收措施。

3) 通过打造智慧能耗管理平台,实现系统的精细化管理,可降低系统运行能耗。

4) 编制近零能耗建筑运行管理手册及师生个人节能减排行为建议书,对其使用过程中的参数设定、设备运维提出具体要求,并结合知识科普,倡导师生行为节能。