超低能耗住宅暖通空调系统设计与运行探讨

马婷婷 张 震 李峻炜 王 觉 孙慧琳 刘 磊 曹馨匀

(1.中国建筑西南设计研究院有限公司,成都;2.青岛海信日立空调系统有限公司,青岛;3.中德生态园被动房技术有限公司,青岛;4.青岛理工大学,青岛)

0 引言

建筑领域节能是我国实现碳中和、碳达峰目标的重要环节,各省市政府不断推出政策来加快建设和发展超低能耗建筑[1-2]。超低能耗建筑技术体系的核心是实现被动技术的最大化利用,减少建筑本身的冷热需求,同时优先应用可再生能源,期望以少量或零能耗的方式为建筑供暖、供冷和照明提供能源[3]。在使运行能耗最小化的同时,超低能耗住宅能给住户提供比常规住房更好的室内空气质量(IAQ)和室内舒适环境[4]。已有学者对超低能耗建筑的定义和政策[5-6]、关键技术在不同气候区的适应性[7-11]、不同功能的超低能耗建筑的运行效果[12-14]、人员行为在超低能耗建筑中的重要性[15-16]等进行了探讨。然而,现有研究有以下不足:1) 现有研究主要集中在北方传统住宅中的集中供暖系统的优化设计,而关于超低能耗住宅项目中暖通空调系统的设计经验和技术细节等信息非常有限,尤其是结合当地气候条件、当地居民的舒适需求和用能习惯,超低能耗住宅中的暖通空调系统设计应如何改进等信息,现有文献中少有提及;2) 住宅中人员行为多样、家庭情况复杂,长期实测数据收集较为困难,目前国内关于超低能耗建筑运行效果的探讨主要集中于办公、学校等公共建筑,针对超低能耗住宅的实际运行效果缺乏讨论。由于具有节约能源、优质室内环境的双重优势,超低能耗建筑正面临规模化、区域化发展的趋势,分享和探讨这种技术体系的设计经验和运行效果尤为重要。

本文以“中德·绿色公元”小区住宅为例,介绍住宅的被动式超低能耗技术方案,并着重分析在这种被动式超低能耗技术方案下配套的暖通空调设计方案,包括冷热源系统设计、新风系统及厨房通风系统设计、机房的设置等方面的技术要点,同时分析项目运行效果,旨在为同类建筑的暖通空调设计提供技术经验。

1 气候特征分析

青岛地处山东半岛东南部、北温带季风区域,属于我国五大气候分区中的寒冷地区。受海洋东南季风和海流影响,青岛呈现明显的海洋性气候,夏季湿热、冬季寒冷[17]。根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》的规定,青岛计算供暖期为99 d,供暖度日数(HDD18)为2 401 ℃·d;夏季海洋性气候明显,比较凉爽,空调度日数(CDD26)为22 ℃·d,相对较小。根据JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》得知,青岛最潮湿的月份为7月,平均干湿球温度差为1.93 ℃;最干燥的月份为10月,平均干湿球温度差为3.85 ℃。

2 项目概况与围护结构技术要点

中德被动式超低能耗住宅推广示范小区坐落于青岛市黄岛区,占地面积约为37 559 m2,总建筑面积为68 731.07 m2,其中地上建筑面积为43 707.48 m2。本文研究的案例建筑为6层(6层以上为阁楼层),层高为3 m,户型为140 m2和160 m22种,且均为精装修。

项目设计采用了高性能的围护结构,同时东、西、南朝向的外窗上部均设置金属电动百叶遮阳帘,夏季降低太阳辐射得热,减少空调负荷,外围护结构的保温措施、传热系数、热惰性指标见表1。同时项目对关键部位如门窗洞口、管道穿墙洞口、风井等部位进行了气密性处理,建筑室内外50 Pa压差下换气次数N50=0.5 h-1。同时加强了对建筑阳台、墙角、屋顶等围护结构热桥薄弱环节的保温,防止其结露、发霉,提高室内居住舒适性及健康性的同时,减少建筑热损失,降低建筑能耗。

表1 外围护结构保温措施、传热系数及热惰性指标

3 暖通空调系统优化设计

3.1 负荷计算

该项目采用德国被动房规划设计软件PHPP(passive house planning package)计算建筑能耗,通过建立物理模型,输入气象条件、围护结构参数、冷热源机组及输配系统参数、建筑生活用电等参数,计算建筑能耗值。PHPP软件是由德国被动房协会PHI(Passive House Institute)开发的、对节能项目进行规划设计与评估的一个计算软件,该软件根据ISO 13790标准建立了传热计算模型,不仅能够进行准确的能量需求计算,还可以对建筑的整体能效进行评估,因此PHPP是被动房、近零能耗建筑及其他节能建筑实施过程中的一个理想的规划设计工具[18]。经计算,该项目年供暖需求为9 kW·h/(m2·a),年供冷需求为21 kW·h/(m2·a),一次能源需求为60 kW·h/(m2·a)。

3.2 冷热源系统设计

3.2.1系统设计

该项目主要冷热源需求为供暖、制冷、生活热水。考虑到超低能耗建筑指标需求、青岛地方政府对可再生能源使用的鼓励政策及周边被动房体验中心项目中地源热泵系统良好的使用效果这3个原因,该项目冷热源方案确定采用地源热泵供冷供热。地源热泵系统原理图见图1。根据第三方检测机构对地块检测后提供的《地源热泵地勘及岩土体热响应试验报告》可知,地块的土壤平均温度为15.65 ℃,单孔双U地埋管每延米换热量为54 W/m,满足设计要求。

图1 系统原理图

该项目以单元为负荷单位设置地埋孔并设置一个对应的专用地源侧水泵房,每个单元内共用地源侧水系统,各单元地源侧系统相互独立。地埋孔总数为233个,每个孔有效深度为102 m。整体式水地源热泵新风机组均置于户内。机组名义工况为:制冷工况,冷水进/出水温度12 ℃/7 ℃,源侧进/出水温度25 ℃/30 ℃;制热工况,热水进/出水温度40 ℃/45 ℃,源侧进/出水温度10 ℃/5 ℃。地源侧水系统竖向通过专用管道井接入各户,并在入户支管设置压力无关型区域控制阀,使各户流量分配满足使用要求。每个单元机房水泵处各设置一个总水表,每户各设置一个分户水表,且每个总水表对应一个电表来统计机房耗电量,通过分户水表与总水表的比值再乘以电表统计的耗电量来统计各户用电费用。

3.2.2机组选择

该项目选用了专为低能耗建筑研发的整体式水地源热泵新风机组,是集新风、空调、除湿、生活热水于一体的集成系统,设备选型参数见表2,设备示意图见图2。该机组额定性能系数(COP)≥4.1;显热换热效率≥75%,全热换热效率≥70%;进风口过滤等级不低于G4+F7,采用PM2.5高效过滤网H11;新风及排风管路设置保温气密电动阀,并与机组内新风机及排风机联动;新、排风机及压缩机均采用无级变频控制,可根据室内温度、湿度、挥发性有机化合物(VOC)及CO2浓度实现变频控制,每个房间可以单独控制温湿度;可实现就地控制及远程控制,并能通过变频调节压缩机的转速满足室内的负荷变化,以达到节能的目的。

图2 设备示意图

表2 设备选型参数

该项目在建筑方案阶段预留了整体式水地源热泵新风机组的位置,见图3。设备应设置在靠近外墙专用机房、厨房专用区域或阳台,尽量减小室外新风进入室内的管道的长度,降低输送损耗;并且机房需要增加保温、消声、减振措施。

3.3 通风系统设计

3.3.1通风量计算

超低能耗建筑通风系统设计的重点在于新风气流组织设计及精细化的风量设计。超低能耗建筑的气流组织设计与传统建筑不同,它是以户为对象整体考虑送回风设计,将不同功能房间对送风量和排风量的要求联系在一起,实现气流在户内一定区域内的整体流通,以达到减小风量、降低通风能耗、同时降低施工成本(减少风管、风口)的目的。

超低能耗建筑是高气密性的建筑,在关闭门窗的情况下,居民已不能通过外门窗空气渗透得到足够的新鲜空气,同时考虑到居民的舒适体验和系统能耗,在供暖和供冷季都不提倡通过开窗来获取新风,所以住宅中单独设置了新风和排风系统。将卧室、起居室、厨房设置为送风区域,餐厅设置为回风区域,卫生间设置为排风区域,排风量比新风量略小,维持主要功能房间内的微正压。

该项目新风量按照30 m3/(人·h)(160 m2户型按照5人考虑,新风量为150 m3/h;140 m2户型按照4人考虑,新风量为120 m3/h)选取,满足相关设计规范对卫生的要求;同时各户使用的整体式水地源热泵新风机组负担新风负荷和其他室内全部负荷,其中热回收段负担部分新风负荷,起到新风预热预冷作用。根据通风系统的质量流量平衡原则和负担的负荷需求,选择的通风系统设计风量及其负担的送排风区域见表3。

表3 通风系统设计风量 m3/h

3.3.2通风系统气流组织设计

被动式超低能耗建筑只在卧室、起居室区域送风,过道、餐厅作为溢流区,浴室、厨房、卫生间作为回风区,住宅户内通风系统气流组织示意图见图4。这种气流组织方式可以保证卧室、起居室、餐厅等主要功能房间的空气质量,同时当关闭卧室门时,室内多余的气流可通过溢流口进入起居室、餐厅的公共区域,保证室内气压不过大。注意风管走向应便于精装吊顶遮盖,与结构专业配合穿梁留洞。

图4 住宅户内通风系统气流组织示意图

3.3.3厨房通风系统的设计

居住类建筑厨房应设置独立的排油烟补风系统,以降低厨房排油烟导致的冷热负荷。设置独立补风系统时,补风引入口应设保温密闭型电动风阀,且电动风阀应与排油烟机联动;厨房宜安装闭门器,避免厨房通风影响其他房间的气流组织和送排风平衡;应对补风管道尺寸进行校核,避免补风口流速过高造成的噪声问题,补风管道应保温,防止结露;补风口尽可能设置在灶台附近,缩短补风距离,补风系统不应影响油烟排放效果。

4 运行效果分析

为了获取建筑真实运行数据及对各系统运行进行评估分析,小区内的住宅建立了完善的建筑能耗监测系统。系统可以实现对建筑照明、插座、暖通空调、生活热水和其他用电系统设备的耗电量进行计量,同时对空调设备冷水侧、冷却水侧的供回水温度、流量、供冷供热量进行计量。各能耗计量设备经标定后接入系统,所有计量设备具有数据远传功能,按照设定频率,将采集到的参数上传至中央能耗监测平台,满足建筑能耗监管的基本要求。

本文用于数据分析的室内环境参数采集内容包括2#楼中间层典型户(供暖面积为122.63 m2)的室内温度、湿度、CO2浓度、PM2.5浓度,数据采集时间为供冷季2021年8月11—20日、供暖季2022年1月16—25日;耗电量参数采集内容包括2#楼整体式水地源热泵新风机组耗电量、地源侧水泵耗电量,数据采集时间为2021年11月1日至2022年3月31日、2022年7月1日至9月30日,由于部分住户未入住,因此采用其他用户耗电的平均值对缺失数据进行了估算。数据采集时项目入住率为50%左右。

4.1 室内温湿度分析

4.1.1供冷季分析

典型户型供冷季室内外监测温湿度对比如图5所示,室内温湿度取各个房间室内平均值进行分析。供冷季监测期间室外温度在27～34 ℃之间变化,室内温度基本位于25～26 ℃之间;室外相对湿度在76%～90%之间变化,室内相对湿度基本位于50%～60%之间。由以上监测分析可知,供冷季室内温湿度参数稳定,且均处于舒适区间,室内热环境良好。

图5 典型户型供冷季监测温湿度

4.1.2供暖季分析

典型户型供暖季室内外监测温湿度对比如图6所示,室内温湿度取各个房间室内平均值进行分析。供暖季监测期间室外温度在-2.9～2.7 ℃之间变化,室内温度位于21.2～21.8 ℃之间;室外相对湿度在56%～81%之间变化,室内相对湿度位于40%～46%之间。由以上监测分析可知,供暖季室内温湿度参数稳定,且均处于舒适区间,室内热环境良好。

图6 典型户型供暖季监测温湿度

4.2 室内空气质量分析

4.2.1室内CO2浓度分析

由于超低能耗建筑密闭性较好,当外窗关闭时,新风系统成为室内外空气的主要交换通道,因此CO2浓度是室内空气质量及舒适性的重要标准之一。

根据GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》对人员密集场所CO2体积分数控制值的要求,该住宅项目属于人员长期停留区域,室内CO2体积分数控制值为900×10-6。对该项目典型户型进行连续10天监测,监测结果如图7所示。从图中可以看到,新风机组正常开启后冬季有4天室内CO2体积分数超过900×10-6,主要是因为周末家庭人员短暂聚集,室内人员数量超过设计值,新风量不足导致室内CO2体积分数短时增大,这种情况可以通过短暂开窗等方式补给新风。总体来讲,监测时间段内室内CO2体积分数平均值夏季为771×10-6,冬季为865×10-6,均在我国GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的允许范围内。取室外CO2体积分数为400×10-6,夏季室内CO2体积分数超出室外371×10-6,冬季室内CO2体积分数超出室外465×10-6,根据欧洲标准EN 13779:2007,该项目冬夏季室内空气质量均达到欧洲Ⅱ级标准(优等Good)。

图7 典型户型室内监测CO2体积分数

4.2.2室内PM2.5浓度分析

随着人们对PM2.5影响人体健康认识的逐渐深入,室内PM2.5浓度已成为评价室内环境质量的重要指标之一。对于建筑中人员长期停留的房间,参考世界卫生组织第三个过渡期目标值,室内PM2.5质量浓度24 h平均值不宜超过37. 5 μg/m3,这与欧美现行室内空气质量要求的限值相当。

在室外空气质量不理想时,新风热回收系统设置低阻高效的空气净化装置,不仅可为室内提供更加洁净的新鲜空气,也可有效地降低室外污染天气对室内空气质量的影响,同时也可减缓热回收装置因积尘造成的换热效率下降。该项目室内PM2.5监测值如图8所示,夏季PM2.5质量浓度平均值为11.1 μg/m3,冬季PM2.5质量浓度平均值为27.3 μg/m3,均在限值范围内。

图8 典型户型室内监测PM2.5质量浓度

4.3 全年供暖、供冷需求分析

为了了解该项目实际运行年供暖需求及年供冷需求情况,在2021年11月至2022年3月供暖季、2022年7—9月供冷季期间,对2#楼整个楼栋住户的整体式水地源热泵新风机组、地源侧水泵耗电量进行了监测和分析,结果如表4、5所示。根据监测结果,同时考虑机组及水泵实际运行效率(由于入住率较低,系统末端开启率低,冬季系统平均运行效率约为2.00,夏季系统平均运行效率约为2.76),换算得到实际年供暖需求约为32.2 kW·h/(m2·a),年供冷需求约为14.5 kW·h/(m2·a)。

表4 2#楼年供暖需求分析

表5 2#楼年供冷需求分析

实际测量得到的年供暖需求比PHPP能耗模拟计算得到的年供暖需求高23.3 kW·h/(m2·a),而年供冷需求比PHPP能耗模拟计算得到的年供冷需求低6.5 kW·h/(m2·a)。参考欧洲相关超低能耗住宅的运行监测结果[19-21],分析实测值与能耗模拟值差异的原因主要是人员行为和模拟设置之间的差异。结合该项目住宅人员行为的特点,供暖实测值大于模拟值的原因主要归结为以下几个方面:

1) PHPP能耗模拟计算过程中设置了符合设计要求的气密性指标。该项目竣工后对门窗关闭时的建筑整体气密性指标进行了测试验证,气密性水平符合设计要求。但在实际运行时,气密性指标并不是恒定的,与人员行为有很大关系。虽然设置了新风系统,但是由于习惯、心理需求等原因,我国居民冬季仍习惯于开窗通风,导致大量没有经过预热的冷风侵入室内,大幅增加了供暖能耗。

2) 我国居民的饮食习惯和德国有很大不同,烹饪时油烟量较大。虽然前期设计阶段已经根据正常需求设置了厨房补风量,但是不同家庭烹饪习惯不同,当大功率的抽油烟机长时间运行时,仍需通过加大新风量来补风,增加了供暖能耗。

3) 项目运行监测时,住户入住率较低,仅为近50%,监测住户相邻房间空置不供暖,隔墙之间的传热导致了供暖能耗的增加。

和供暖情境不同,夏季制冷能耗实测值小于模拟值,分析出现这种情况的原因主要是空调运行时长的差异。模拟中空调为每天24 h运行,而居民实际空调运行时间主要和居民在室时间和使用习惯有关,一般居民在室期间才会开启空调,也有部分居民习惯在夏季优先开启风扇降温,居民每天实际运行空调时间短于24 h,所以制冷能耗低。

经计算,2#楼全年供暖耗电量约为72 791 kW·h,折算到单位供暖面积年耗电量约为16.08 kW·h/(m2·a),因此典型住户年供暖费用约为1 085元(青岛居民电价为0.55元/(kW·h))。根据《青岛西海岸新区关于调整居民集中供热价格的通知》,居民供热价格为30.40元/m2(供暖面积),计算得到该户集中供暖费用约为3 727元。和普通住宅集中供暖费用相比,超低能耗住宅中住户的供暖费用每年可减少70.9%,用户既可以享受到舒适的室内环境,又可以缴纳较低的供暖费用,既舒适又节能。

综合而言,本文通过实际住宅中的监测运行数据对超低能耗建筑设计方案、暖通空调系统的设计方案进行了验证,证明了在北方寒冷地区,被动式超低能耗住宅不仅可以营造舒适的室内热湿环境、提供良好的室内空气质量,还可以实现较低的运行能耗。此外,政府目前在大力提倡建筑电气化、零碳供暖等碳减排技术[22],北方供暖方式的转型也是建筑领域的挑战之一。北方传统集中供暖的热源主要是燃煤[23]。超低能耗建筑技术体系中通过地源热泵和热回收新风系统进行供暖,能源消耗主要是电力。在碳减排的目标下,超低能耗住宅的供暖方式符合国家对建筑全面电气化的倡导,可作为替代传统锅炉供暖的可行方式之一。

5 结论

本文以青岛地区中德被动式超低能耗住宅推广示范小区为例,介绍了被动式超低能耗住宅的被动设计和暖通空调系统的设计方案,着重介绍了冷热源系统、通风系统、机房设置等方面的设计细节,同时应用实测数据分析了系统运行效果。本文的研究为探寻超低能耗住宅的实现方案,尤其是暖通空调系统的设计提供了技术经验。本文主要设计经验及结论总结如下。

1) 超低能耗建筑被动设计需注重建筑气密性、高效非透明外围护结构使用、高性能门窗选择,确定各个环节执行严格准确的性能化设计。

2) 在暖通空调系统设计方面,总结出以下经验:① 采用了整体式水地源热泵新风机组,集新风、空调、生活热水于一体,满足住户的冷热用能需求;② 由于风机及压缩机均设置在户内,在建筑方案阶段需要考虑将设备设置在专用机房内,同时做好机组自身及出风口的消声隔音处理;③ 新风气流要保证从卧室、起居室区域溢流至过道、餐厅区域,最后从卫生间排至室外;④ 应设计配套的智能控制及能源管理系统,使机组能源系统能够高效运行。

3) 通过对典型住户冬夏季室内监测数据分析可知,冬夏季室内热湿环境及空气质量均满足设计要求。实际测量得到的年供暖需求比PHPP能耗模拟计算得到的年供暖需求高23.3 kW·h/(m2·a),而年供冷需求比PHPP能耗模拟计算得到的年供冷需求低6.5 kW·h/(m2·a)。

4) 项目年供暖需求与年供冷需求的实测值与能耗模拟值差异的原因主要是人员行为和模拟设置之间的差异。从用户角度考虑,超低能耗住宅住户的供暖费用可比集中供热每年减少70.9%,住户既可以享受到舒适的室内环境,又可以缴纳较低的供暖费用,既舒适又节能。此外,超低能耗住宅的能源消耗主要是电力,符合国家建筑全面电气化的碳减排规划,这种供暖方式可作为替代传统锅炉供暖的可行方式之一。