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幸福堡|新疆首座PHI認證被動房2019-03-07 11:37來源:綠色建筑研習社作者:CCHVAC
建設(shè)地點:烏魯木齊市 設(shè)計時間:2010年8月~2011年9月 工程竣工日期:2014年9月 設(shè)計單位:新疆建筑設(shè)計研究院 主設(shè)計人:劉鳴 新疆烏魯木齊“幸福堡”工程由新疆大成房地產(chǎn)開發(fā)公司投資建設(shè);由德國海德堡能源與環(huán)境研究所負責牽頭,召集德國被動房研究所、德國“文化橋”設(shè)計事務(wù)所及新疆建筑設(shè)計研究院聯(lián)合設(shè)計完成的集商業(yè),辦公和餐飲于一體的被動式商業(yè)綜合樓,其中暖通專業(yè)由新疆建筑設(shè)計研究院獨立完成施工圖設(shè)計。 該工程建設(shè)地點位于新疆烏魯木齊市幸福路,總建筑面積為:7791.03m2,其中地下建筑面積:3163.50m2,地上建筑面積:4627.53m2,建筑基底面積:939.59m2,建筑層數(shù)為地上6層,地下2層;建筑總高度為 23.40m;建筑體形系數(shù)為0.23;建筑耐火等級為二級;建筑工程等級為二級;地下室耐火等級為一級。設(shè)計抗震烈度為8 度;屋面防水等級為 Ⅱ 級;結(jié)構(gòu)體系為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。 各層建筑功能表 該工程被動區(qū)與非被動區(qū)做如下劃分:-2F地下車庫及生活熱水換熱站及-1F商業(yè)用房為非被動區(qū),該區(qū)域建筑面積為3163.50m2;地上1F至6F為被動區(qū),該區(qū)域建筑面積為4627.53m2。 該建筑于2014年9月建成,并于當年取得德國被動房研究所頒布的認證,成為西北地區(qū)第一座被動式建筑,也是當時全國最大的一座由德國被動房研究所頒布認證的被動式建筑。 1.建筑熱工 外墻采用300mm厚巖棉與XPS板保溫,使其最終主體部位的傳熱系數(shù)滿足德國被動式建筑的相關(guān)要求。地下室頂板及外墻按照德國被動式建筑的要求進行保溫處理,將被動區(qū)與非被動區(qū)進行隔離。 窗井、雨篷等構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)脫離,保證此部位不會產(chǎn)生熱橋。外窗傳熱系數(shù)及得熱系數(shù)均滿足德國被動式建筑要求并配以電動外遮陽措施有效的降低了建筑物的夏季空調(diào)能耗。 2.蒸發(fā)冷卻技術(shù)+地板輻射供冷 充分利用新疆地區(qū)空氣含濕量和濕球溫度低的這種干熱氣候特點,利用蒸發(fā)冷卻冷水機組制取16-21℃冷凍水用于地板輻射供冷及新風降溫。在大幅度提高了整個空調(diào)系統(tǒng)能效的基礎(chǔ)上使得整個空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)干工況運行,避免了冷凍水溫度過低造成的先除濕再加濕的能源浪費。 實際運行時地板輻射供冷承擔室內(nèi)大部分顯熱冷負荷,室內(nèi)的全部潛熱冷負荷和小部分室內(nèi)顯熱冷負荷均由新風熱回收式機組承擔,同時地板輻射系統(tǒng)還可承擔冬季供暖作用。 3.高效新風熱回收機組 所有新風處理設(shè)備均采用板翅式全熱回收機組,熱回收效率≥75%。尤其在冬季可節(jié)省大量的新風加熱量。需要說明本設(shè)計采用的板翅式熱回收器是一種由可滲透水蒸氣分子的膜材料生產(chǎn)而成的板翅式熱回收器。 與金屬材質(zhì)不同,使用這種特殊材質(zhì)制成的板翅式熱回收器,其進排風通道之間的空氣發(fā)生的是熱濕交換,完全可以實現(xiàn)全熱回收的功能,且熱回收效率可滿足設(shè)計要求。 同時由這種膜材料制成的板翅式熱回收器當室外溫度在-28℃,相對濕度處于40%-50%時,運行4個小時后,熱回收核心部位才開始結(jié)冰,此刻排風口開始受阻。而烏魯木齊白天一般溫度均在-20℃以上,故使用該材料的熱回收器可以保證熱回收機組在-15℃至-20℃也可正常運行。 4、靈活的自控系統(tǒng) 1)所有循環(huán)水泵及新風熱回收機組均采用變頻控制。 2)冷凝鍋爐采用多模塊組合方式,實際運行過程可按照熱量需求自動調(diào)節(jié)燃燒工況和模塊啟停數(shù)量。部分負荷時在保證供暖系統(tǒng)供回水溫度的前提下,鍋爐仍可高效運行。 3)在典型房間內(nèi)設(shè)置CO2濃度探測器,用于控制新風供給量及機組啟動。 4)室內(nèi)新風供暖用時間繼電器與房間溫控器相結(jié)合的控制方式 5.燃氣鍋爐完善的控制及節(jié)能措施 1)燃氣鍋爐內(nèi)部已配置一次側(cè)主循環(huán)泵,采用直流變頻節(jié)能循環(huán)泵及直流變頻風機,可根據(jù)負載需要自動調(diào)節(jié)所需流量、風量,節(jié)約電能。 2)燃氣鍋爐通過熱力耦合罐將熱源一次側(cè)與用戶采暖系統(tǒng)隔開,一次側(cè)設(shè)置比例調(diào)節(jié)閥,以調(diào)節(jié)采暖系統(tǒng)所需負荷;二次側(cè)設(shè)置循環(huán)泵及溫控裝置,針對室內(nèi)溫度進行控制。 3)燃氣鍋爐具有防凍功能。當鍋爐出水溫度低于6℃時,該功能將被激活,燃燒器將調(diào)整至最小燃燒功率。當鍋爐出水溫度高于8℃時,該功能將被關(guān)閉,燃燒器恢復正常。 4)燃氣鍋爐輸出功率具備自動調(diào)節(jié)功能。輸出功率自動根據(jù)供暖需求進行調(diào)整,當負荷較低時可僅開啟一個模塊,并且最低功率可調(diào)制13kw。 1.本工程設(shè)計參照的依據(jù) 截止本工程設(shè)計完成時國內(nèi)還未出臺針對公共建筑的被動式建筑設(shè)計標準或規(guī)范,設(shè)計人員故采用德國被動房 2.建筑熱工 被動式建筑冬季供暖主要靠自由熱,即室內(nèi)人體、照明、設(shè)備得熱量和透過窗戶的太陽照射得熱量;夏季主要靠外遮陽、自然通風、地板輻射供冷等降溫措施。 所以,它對建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能要求很高,具體圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是否達標,必須經(jīng)專門的PHPP軟件核算,但一般必須滿足以下要求: 1)建筑外保溫的所有不透明部位必須很好保溫。對于嚴寒寒冷氣候的傳熱系數(shù)應(yīng)小于0.15 W/(m2·K)。 2)窗戶必須保溫好,對于嚴寒寒冷氣候的傳熱系數(shù)應(yīng)小于0.80 W /(m2K),g-value=50%。 3)為了室內(nèi)空氣質(zhì)量和節(jié)約能源,被動式建筑的高效熱回收熱交換效率應(yīng)大于75%。 4)在室內(nèi)外壓差50Pa下,通過建筑縫隙每小時泄漏的空氣量必須小于0.6倍建筑體積。 5)建筑的邊緣,轉(zhuǎn)角,連接和縫隙等部位的設(shè)計不應(yīng)有熱橋,無法避免的熱橋,必須盡可能最小化,應(yīng)小于0.01 W /(m2·K)。 本設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù) 3.冷熱負荷的計算 1)冷負荷的計算 本工程空調(diào)冷負荷的構(gòu)成與常規(guī)工程基本是一樣的,主要包括外墻及屋面?zhèn)鳠崂湄摵?、外窗溫差傳熱冷負荷、外窗的太陽輻射冷負荷以及人體、照明、設(shè)備等內(nèi)部發(fā)熱量形成的冷負荷。但計算過程中存在兩點差異是設(shè)計人員需要注意的: a、由于新疆室外空氣非常干燥,其空氣含濕量遠低于室內(nèi)空氣含濕量。故室內(nèi)人體等產(chǎn)生的潛熱冷負荷完全可以由新風來承擔,在冷源的設(shè)計選型時可不考慮該部分冷負荷。 b、由于被動式建筑的空調(diào)冷負荷指標要求較低,內(nèi)部發(fā)熱量一定的情況下如何有效的降低圍護結(jié)構(gòu)形成的冷負荷成為重點。圍護結(jié)構(gòu)冷負荷中,外窗太陽輻射冷負荷是占有相當大的比例,因而采用合適的外遮陽措施及嚴格控制外窗的得熱系數(shù)對降低室內(nèi)冷負荷可以起到事半功倍的效果。 2)熱負荷的計算 被動式建筑供暖熱負荷計算與常規(guī)建筑有一定差別,除需考慮圍護結(jié)構(gòu)和通風熱負荷外還要考慮建筑內(nèi)人員及太陽輻射對建筑熱負荷的影響。除此之外設(shè)計人員在具體計算過程中還應(yīng)注意以下幾點: a、圍護結(jié)構(gòu)基本耗熱量的計算與常規(guī)設(shè)計相同,但由于圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)的大幅減小該部分的計算結(jié)果較常規(guī)工程會有明顯下降。 b、被動式建筑對于氣密性的要求是非常嚴格的(室內(nèi)外50Pa壓差下,透過門窗縫隙滲透的風量不大于0.6次換氣次數(shù)),實際使用過程中,室內(nèi)外壓差一般遠低于50Pa,在這種情況下,門窗縫隙的冷風滲透量不再計算。 c、不再計算大門冷風侵入耗熱量。雖然建筑物的大門一般會經(jīng)常開啟,但烏魯木齊地處嚴寒地區(qū),其主入口本身要設(shè)置門斗。通過合理設(shè)置門斗兩道門的間距,可有效的避免其同時開啟,故大門的冷風侵入耗熱量實際也是可不計算的。 經(jīng)PHPP軟件計算本建筑單位面積年供熱能耗為14.09kWh/m2a,單位面積年供冷能耗為4.0kWh/m2a,一次能源(熱水、供熱、制冷、其它用電)年能耗為54kWh/m2a,全年25℃超溫頻率≤10%。德國被動房研究所實測建筑氣密性n50=0.2h-1,以上指標均滿足德國被動房考核標準。 1.冷源的設(shè)計 因烏魯木齊夏季度日數(shù)CDD26=36(℃·d),空調(diào)系統(tǒng)運行周期較短,能耗?。欢径热諗?shù)大HDD18=4329(℃·d),冬季的供熱能耗數(shù)倍于夏季。 另外烏魯木齊夏季屬干熱氣候區(qū),夏季空調(diào)任務(wù)=保證空氣品質(zhì)+降溫+加濕;所以末端設(shè)備可實現(xiàn)干工況運行,本工程項目基于干熱氣候區(qū),采用室內(nèi)不宜結(jié)露的地面輻射水供暖、供冷系統(tǒng),以降低一次投資和運行成本。 綜上所述,冷源采用設(shè)在屋頂?shù)拈g接蒸發(fā)冷水機組供冷水(16/21℃)。兩個高效二級蒸發(fā)冷卻功能段(間冷效率=80%,直冷效率70%)借助干、濕球溫差產(chǎn)生的天然驅(qū)動勢或冷源。 經(jīng)計算,蒸發(fā)冷卻冷水機組COPn=24.4,空調(diào)系冷源統(tǒng)綜合制冷系能系數(shù)SCOP=24.4,可見正式由于蒸發(fā)冷卻冷水機組這種特殊的工作原理使得主機的性能系數(shù)與綜合制冷系能系數(shù)是相同的,并且較傳統(tǒng)高溫冷水機組能效更高。 2.熱源的設(shè)計 本建筑冬季能耗超低,僅用2m3/m2的天然氣即可,供熱成本小于5元/m2如按集中供熱收費,烏魯木齊目前供熱計量收費按22元/m2計,則一個采暖季應(yīng)交熱費約17.1萬元,可見被動式建筑如采用集中供熱很不劃算。 故放棄城市集中供熱決定采用冷凝式燃氣熱水鍋爐作為供暖熱源,節(jié)省熱費的同時,供暖系統(tǒng)水溫的調(diào)節(jié)更加靈活。 在屋頂鍋爐間設(shè)置2臺制熱量分別120 kW(兩模塊)及180kW(三模塊)的冷凝式模塊燃氣熱水鍋爐。其中三模塊鍋爐設(shè)計供回水溫度為80℃/60℃,主要負責全樓的新風加熱系統(tǒng)、散熱器供暖系統(tǒng)及生活熱水輔助加熱系統(tǒng)。 兩模塊鍋爐設(shè)計供回水溫度為40℃/30℃,主要負責全樓的地板輻射供暖系統(tǒng)。每臺模塊鍋爐均內(nèi)置本體循環(huán)水泵,通過耦合罐連接二次側(cè)變頻循環(huán)泵;整個鍋爐會根據(jù)實際的建筑負荷及室外氣溫自動調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)模塊工作數(shù)量以改變鍋爐的輸出功率。 當供回水溫度為50-30℃時,最高熱效率可達107%。采用冷凝式鍋爐主要是考慮冬季供暖的初寒期及末寒期,熱媒供回水溫度不太高時,燃氣鍋爐的冷凝熱可以一并加以利用。 1.空調(diào)冷熱水系統(tǒng)的設(shè)計 本工程空調(diào)方式采用地板敷設(shè)供冷+新風系統(tǒng),地板輻射承擔室內(nèi)大部分顯熱冷負荷,室內(nèi)的全部潛熱冷負荷和小部分室內(nèi)顯熱冷負荷均由熱回收式空調(diào)機組承擔;由于本工程冷源為設(shè)置于屋面的蒸發(fā)冷卻冷水機組,為便于冬季、夏季工況切換,為此管路系統(tǒng)專門設(shè)置切換用電動調(diào)節(jié)閥。 空調(diào)系統(tǒng)補水:通過下室變頻補水泵向屋面蒸發(fā)冷卻冷水機組補充軟化水,然后再由機組向系統(tǒng)補水,同時該機組還起到為系統(tǒng)定壓的作用。為保證系統(tǒng)水質(zhì),水泵吸入端過濾器應(yīng)定期清洗或更換過濾網(wǎng)。 冬季空調(diào)用熱水由屋頂燃氣鍋爐提供,分別供給每臺熱回收機組的加熱段加熱新風使用。 2.地板輻射供暖供冷系統(tǒng)的設(shè)計 本工程地板輻射系統(tǒng)冬夏兩用,為加大該系統(tǒng)夏季供冷量,全樓盤管間距均采用100mm。地暖盤管夏季通入由屋面蒸發(fā)冷卻冷水機組制取的16/21℃冷水進行制冷,經(jīng)計算,設(shè)計工況下地板輻射供冷單位面積制冷量約26w/m2。 由于地暖盤管間距均為100mm,如冬季供暖供回水溫度仍按常規(guī)45/35℃進行設(shè)計,則會出現(xiàn)實際供熱量遠大于熱負荷及地面溫度超規(guī)范要求等問題。故設(shè)計時根據(jù)建筑物熱負荷及地面度規(guī)范要求對地暖系統(tǒng)冬季供回水溫度做出修正,最終采用40/30℃的低溫熱水。 3.新風系統(tǒng)的設(shè)計 新風處理設(shè)備采用板翅式全熱回收機組,板翅式熱回收器的材質(zhì)未采用金屬材質(zhì)而是使用了一種可滲透水蒸氣分子的膜材料。 使得進排風通道之間的空氣可以進行熱濕交換,從而實現(xiàn)了全熱回收的功能。地下二層車庫通風用新風熱回收機組熱回收效率≥65%,其余樓層新風熱回收機組熱回收效率≥75%。 本工程按照各區(qū)域人員新風量標準計算出送風量,下表5列出了歐洲EN13779標準中不同室內(nèi)空氣品質(zhì)下對人員新風量的要求,其中被動式建筑新風標準為30m3/h/人,對應(yīng)表中“中等空氣質(zhì)量”一欄的要求。 由于本設(shè)計新風除滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)要求外還起到室內(nèi)供暖及供冷的作用,故最終新風量是按照人員新風標準與供暖供冷新風量比較后取大值計算。經(jīng)計算實際新風量處于35-45 m3/h·人,完全滿足被動式建筑的要求,甚至部分房間可以達到“高質(zhì)量空氣”的標準。 歐洲EN13779標準中不同室內(nèi)空氣品質(zhì)下對人員新風量的要求 -1F--6F層空調(diào)風系統(tǒng)配置表 雖然熱回收機組對降低冬季新風加熱量作用明顯,但在實際使用過程中還應(yīng)注意防凍問題,本工程采用了以下幾種防凍措施: 1)室外新風通過地道進行預熱,使得機組的進風溫度高于機組排風的露點溫度。 2)熱回收機組新風入口及排風出口上安裝的保溫電動密閉閥除與機組聯(lián)動外,應(yīng)對閥門的漏風率做出要求,建議漏風率≤‰2,以防止夜間機組停機時室內(nèi)相對潮濕的空氣通過其向室外滲透而結(jié)冰,另外也保證了建筑物具有良好的氣密性。 3)對熱回收器的材質(zhì)提出要求,比如采用某種結(jié)構(gòu)比較特殊材質(zhì)對排風中的水分子進行過濾,不讓其在排風通道停留過長時間而結(jié)冰。 4)白天如果熱回收機組進風溫度<-12℃時(對應(yīng)室外空氣溫度為-18℃),建議機組應(yīng)停止工作,避免熱回收機組發(fā)生凍結(jié)。 1.室內(nèi)新風供暖用時間繼電器與房間溫控器相結(jié)合的控制方式。其中時間繼電器可按照上班、下班、節(jié)假日等不同模式實現(xiàn)間歇供熱。 2.在機組回風段設(shè)置CO2濃度探測器,用于控制新風供給量和機組的啟動。由于新風系統(tǒng)要用于房間供暖,故每個房間通風量的控制應(yīng)將兩者結(jié)合考慮,最終確定房間溫控器的控制優(yōu)先于室內(nèi)CO2濃度控制。 3.冷凝鍋爐按照熱量需求自動調(diào)節(jié)燃燒工況,無須專人值班。NOx排放小于30ppm/m3,排煙溫度小于45℃,水蒸氣排放量也大幅下降。 該建筑完整的一個采暖季的實測數(shù)據(jù) 從上表可以算出該建筑采暖季實際單位面積耗電量僅0.71 kWh/ m2;故采暖季單位建筑面積耗氣量為2.67m3/ m2a,目前烏魯木齊采暖用天然氣價格為1.37元/m2,則該建筑采暖季單位面積采暖費為2.67×1.37=3.66元/ m2a,與烏魯木齊當前22元/ m2的集中供熱采暖熱費相比大幅降低。整座建筑的暖通系統(tǒng)從近兩年的運行情況來看存在以下兩點問題: 1)初次設(shè)計嚴寒地區(qū)被動式公共建筑,設(shè)備選型尤其是熱源的選擇富余系數(shù)選取偏大。 2)個別熱回收機組進排風通道上的電動密閉閥漏風率超設(shè)計要求,冬季外墻進排風口明顯掛冰,造成此處通風不暢。 德國達被動房研究所貝特霍爾德·考夫曼博士向烏魯木齊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)大成實業(yè)有限責任公司總經(jīng)理熊波(右)頒發(fā)“被動式房屋”認證標識。 被動式建筑標準已收到國際廣泛重視,實踐證明它的節(jié)能技術(shù)是成熟的,技能效果得到驗證,收益效果巨大。 但也必須清楚德國被動房是一個完成的體系,從標準、設(shè)計、施工、咨詢?nèi)藛T及被動房認證都有一套嚴格標準和從業(yè)資格。 幸福堡工程在設(shè)計過程中采用的許多規(guī)范、標準及技術(shù)措施都是基于歐盟或德國現(xiàn)行規(guī)范,與我國的現(xiàn)行規(guī)范和標準并不對等。 被動房要實現(xiàn)其節(jié)能目標,設(shè)計不僅要關(guān)注建筑性能的每一個點,還要關(guān)注全過程的管理。只有所有環(huán)節(jié)的質(zhì)量得以保證,才不會在工程使用時出現(xiàn)節(jié)能短板。 本文轉(zhuǎn)自中國建筑學會暖通空調(diào)分會和中國制冷學會空調(diào)熱泵專業(yè)委員會(CCHVAC) 上一篇: 德國正能源屋:水晶大樓
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