嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)被動房負(fù)荷特性及空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化

本文刊發(fā)于《綠色建筑》雜志2024年第4期，原標(biāo)題為：嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)被動房負(fù)荷特性及空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化。作者：李高超，顧文波，阿熱帕提·西爾買買提；作者單位：新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院、新疆大學(xué)西北能源碳中和教育部工程研究中心。

0 引 言

在嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)，冬季采暖能耗最大，但可再生能源的利用率卻很低。改善能效水平能在可再生能源利用率低的情況下，降低建筑對化石能源的需求量，通過減小內(nèi)墻表面與室內(nèi)環(huán)境的溫度差，提高室內(nèi)熱舒適性；同時，增設(shè)空氣處理設(shè)備優(yōu)化室內(nèi)新風(fēng)環(huán)境，并降低能源成本。

被動式超低能耗建筑簡稱被動式建筑，起源于20世紀(jì)90年代的德國，其理念是在極低的建筑供暖及制冷需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)舒適度的最優(yōu)化，并充分利用可再生能源，是建筑熱舒適性的最優(yōu)解決方案之一。此外，被動式建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的保溫隔熱性能及建筑氣密性，使得采暖季僅憑設(shè)備散熱和人體產(chǎn)熱即可維持舒適室內(nèi)氣候，相比于傳統(tǒng)建筑，可以節(jié)約80%～90% 的供暖與制冷能耗，使建筑性能提升5～10倍，具有巨大的節(jié)能潛力。

在理論研究方面，徐偉等通過探究國際現(xiàn)存被動式建筑標(biāo)準(zhǔn)體系，為我國被動式建筑的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。于震等概述了中國被動式建筑的發(fā)展歷程和重點(diǎn)示范工程，對被動式建筑的發(fā)展方向進(jìn)行展望。Wolfgang Feist 等通過濕熱動態(tài)模擬表明，在世界上所有相關(guān)氣候區(qū)都有可能實(shí)現(xiàn)被動式住宅。馮國會等以沈陽建筑大學(xué)近零能耗建筑示范中心為例，通過節(jié)能率及敏感性分析兩方面對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價，結(jié)果表明，對建筑能耗影響程度由大到小依次為窗墻比、外窗傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)。史蕓桐等以哈爾濱市、沈陽市和北京市為代表城市，利用DeST分別建立居住、辦公建筑模型，對基準(zhǔn)建筑與近零能耗建筑進(jìn)行模擬，分析熱負(fù)荷與供暖時間的變化規(guī)律。

在“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動下，我國還將在“十四五”期間大力發(fā)展被動式建筑，江蘇省提出到2025年，所有新建建筑均采用被動式建筑技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。被動式建筑能夠實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域“碳中和”、減少碳排放，是未來節(jié)能建筑的發(fā)展方向和必然趨勢，其高能效引起了我國建筑業(yè)的廣泛關(guān)注。

筆者借助DeST-C軟件分別對嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的辦公建筑進(jìn)行模擬，在我國寒區(qū)氣候條件下建立被動式建筑模型，將其與基準(zhǔn)建筑進(jìn)行對比，分析其負(fù)荷變化規(guī)律及自然采光對建筑全年能耗的影響。此外，筆者將烏魯木齊市作為我國嚴(yán)寒地區(qū)代表，對4種方案下的空調(diào)冷熱源配置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此研究對嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)新建被動式超低能耗辦公建筑的實(shí)施具有參考價值。

1 模型建立

1.1 建筑概況

該辦公建筑地上共6層，長34m、寬16m、高4m，總建筑空調(diào)面積為2304m2，體形系數(shù)為0.225。其標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示，其中，設(shè)備用房和走廊為非空調(diào)區(qū)域，窗墻比為0.3。

圖1 辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

1.2 參數(shù)設(shè)定

基準(zhǔn)建筑參數(shù)按照GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置。

（1）暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)運(yùn)行時間為：采暖季連續(xù)運(yùn)行，空調(diào)季僅工作時間運(yùn)行，周末不運(yùn)行；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度和相對濕度分別為采暖季20℃、30%，空調(diào)季26℃、60%。

（2）室內(nèi)溫散熱參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 室內(nèi)散熱參數(shù)

（3）對被動式建筑采用可變新風(fēng)（最小新風(fēng)比為0.15、最大新風(fēng)比為1）及75% 的顯熱回收裝置，基準(zhǔn)建筑無熱回收設(shè)備。

（4）被動式建筑和基準(zhǔn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置如表2示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

（5）供冷供熱系統(tǒng)設(shè)備選用1臺制冷量為216.52kW的離心式電制冷機(jī)和1臺制熱量為544.99 kW 的燃?xì)鉄崴?/span>鍋爐。

2 結(jié)果和分析

2.1 負(fù)荷及能耗分析

2.1.1 自然室溫對比

筆者對烏魯木齊市和北京市的基準(zhǔn)建筑和被動式建筑全年自然室溫變化進(jìn)行對比，如圖2所示。

圖2 全年自然室溫對比

由圖2 及計(jì)算得出，烏魯木齊市全年平均室外溫度為7.14 ℃，基準(zhǔn)建筑全年平均自然室溫為12.57 ℃，被動式建筑全年平均自然室溫為21.62 ℃；北京市全年平均室外溫度為12.65 ℃，基準(zhǔn)建筑全年平均自然室溫為16.17 ℃，被動式建筑全年平均自然室溫為23.70 ℃。

以1月為例進(jìn)行分析。烏魯木齊市1月平均室外溫度為-12.45℃，被動式建筑的平均自然室溫為8.51℃；基準(zhǔn)建筑在1月開始時，自然室溫就在0℃以下，1 月平均自然室溫為-4.54℃。北京市1月室外溫度比烏魯木齊市高，平均室外溫度為-3.83℃，被動式建筑在1月1日和1月31日的自然室溫分別為12.91℃、12.25℃；基準(zhǔn)建筑在1月1日和1月31日的自然室溫分別為3℃、2.97℃。這表明被動式建筑由于其優(yōu)越的建筑保溫及高氣密性，具有良好的蓄熱性能，溫度回升快，抵抗外界溫度波動的能力較強(qiáng)。

2.1.2 空調(diào)負(fù)荷、性能指標(biāo)對比

2 個典型城市建筑全年逐時單位面積負(fù)荷對比，如圖3所示。

圖3 全年逐時單位面積負(fù)荷對比

烏魯木齊市和北京市建筑性能指標(biāo)總結(jié)對比分別如表3和表4所示。

表3 烏魯木齊市建筑性能指標(biāo)對比

表4 北京市建筑性能指標(biāo)對比

由圖3及表3可知，烏魯木齊市辦公建筑冬季熱負(fù)荷占主要部分。被動式建筑比基準(zhǔn)建筑采暖季累計(jì)熱負(fù)荷下降約64.5%，峰值熱負(fù)荷下降約60.1%。被動式建筑的冷負(fù)荷與基準(zhǔn)建筑相差不大，累計(jì)冷負(fù)荷約增30.1%，峰值冷負(fù)荷約減少30.3%。綜合來看，被動式建筑比基準(zhǔn)建筑全年累計(jì)負(fù)荷減少59.3%。由表4 可知，北京地區(qū)被動式建筑比基準(zhǔn)建筑采暖季累計(jì)熱負(fù)荷下降68.9%，峰值熱負(fù)荷約下降62.2%；兩類建筑累計(jì)冷負(fù)荷相差不大，被動式建筑累計(jì)冷負(fù)荷比基準(zhǔn)建筑約減少18.9%，峰值冷負(fù)荷下降的比例約為45.6%。

2.1.3 建筑逐月能耗對比

烏魯木齊市和北京市基準(zhǔn)建筑和被動式建筑全年能耗波動如圖4所示。

圖4 建筑逐月能耗對比

兩個城市建筑全年能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表5和表6所示。

表5 烏魯木齊市建筑全年能耗統(tǒng)計(jì)

表6 北京市建筑全年能耗統(tǒng)計(jì)

由表5和表6可知，對于烏魯木齊市而言，被動式建筑供熱耗氣量比基準(zhǔn)建筑減少63.2%，夏季制冷能耗減少54.5%。在北京地區(qū)，總體上被動式建筑比基準(zhǔn)建筑全年總能耗減少34.7%，其中，冬季供熱耗氣量減少66.0%，節(jié)約供暖費(fèi)用124608 元，夏季制冷能耗減少46.7%。

2.2 烏魯木齊市被動房圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱參數(shù)敏感性分析

2.2.1 氣密性研究

通過改變被動式建筑與室外的換氣次數(shù)來衡量氣密性對負(fù)荷的影響，不同通風(fēng)換氣次數(shù)下的建筑負(fù)荷和建筑加濕量分別如圖5和圖6所示。

圖5 不同通風(fēng)換氣次數(shù)下的建筑負(fù)荷

圖6 不同通風(fēng)換氣次數(shù)下的建筑加濕量

不同的通風(fēng)換氣次數(shù)對建筑負(fù)荷有明顯影響。由圖5可知，隨著氣密性的升高，建筑熱負(fù)荷在1－4月、9－12月顯著上升。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)換氣次數(shù)為0時，建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷為209085.86 kW，而當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)換氣次數(shù)為5次/h時，建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷為1635821.04 kW。氣密性增加時，冷負(fù)荷在采暖季與過渡季波動不明顯，在夏季顯著增加，烏魯木齊市夏天室外溫度很高，增加的換氣次數(shù)使制冷負(fù)擔(dān)加重。由圖6可知，通風(fēng)換氣次數(shù)增加時，房間逐月加濕量均上升。換氣次數(shù)對建筑熱負(fù)荷和濕負(fù)荷影響較為顯著，建筑的采暖及制冷能耗隨通風(fēng)換氣次數(shù)的增加而增大。

2.2.2 外墻傳熱系數(shù)

不同的外墻傳熱系數(shù)與建筑負(fù)荷和加濕量的關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同外墻傳熱系數(shù)下的建筑負(fù)荷和加濕量

不同的外墻保溫層厚度決定了通過非透明維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損，進(jìn)而影響建筑的采暖和制冷能耗。由圖7可知，低的外保溫層厚度使建筑熱負(fù)荷明顯增加，導(dǎo)致更大的采暖能耗，且增長率隨傳熱系數(shù)的增大而增大。計(jì)算得出，當(dāng)傳熱系數(shù)從0.2W/(m2·K) 增至0.6 W/(m2·K) 時，建筑耗氣量從5.06萬m3/a增至5.62萬m3/a，建筑空調(diào)耗電量由9.34萬kW·h/a 增至9.65萬kW·h/a。隨著傳熱系數(shù)的變化，建筑的冷負(fù)荷及濕負(fù)荷并無明顯波動。

2.2.3 外窗傳熱系數(shù)

建筑的冷、熱負(fù)荷和加濕量隨外窗傳熱系數(shù)的變化如圖8所示。

圖8 不同外窗傳熱系數(shù)下的建筑負(fù)荷和加濕量

由圖8可知，外窗的傳熱系數(shù)對能耗也有影響，隨著外窗傳熱系數(shù)增大，采暖及制冷能耗均增加。當(dāng)傳熱系數(shù)由1W/(m2·K) 增大到2W/(m2·K) 時，建筑耗氣量從5.05萬m3/a 增至5.49萬m3/a，建筑空調(diào)耗電量為從9.39萬kW·h/a 增至9.56萬kW·h/a。建筑的冷負(fù)荷及濕負(fù)荷隨著外窗傳熱系數(shù)的改變并無明顯波動。

2.3 自然采光對被動式建筑能耗的影響

自然采光對建筑領(lǐng)域綠色低碳轉(zhuǎn)型有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者以烏魯木齊市為例，分析自然采光對被動式建筑全年能耗的影響，如圖9所示。

圖9 自然采光對被動式建筑全年能耗的影響

由圖9可知，在不考慮自然采光的前提下，建筑全年累計(jì)照明耗電量為132273.15kW；在自然采光的作用下，建筑全年累計(jì)照明耗電量為119391.13kW。計(jì)算得出，考慮自然采光時，建筑全年節(jié)約照明能耗為12882.02kW，約節(jié)省電費(fèi)5024 元[烏魯木齊市電費(fèi)取0.39 元/(kW·h)]。

2.4 空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)烏魯木齊市能源結(jié)構(gòu)特征以及該被動式建筑負(fù)荷特點(diǎn)，擬采用4種冷熱源方案進(jìn)行探討。

方案一為1臺制冷量為216.52kW 的離心式冷水機(jī)組，1臺制熱量為544.99kW的燃?xì)鉄崴仩t。

方案二為1臺制冷量為216.52kW的螺桿式冷水機(jī)組，3臺制熱量為393.03kW的空氣源熱泵。

方案三為模擬計(jì)算采用DeST默認(rèn)的VRF多聯(lián)機(jī)型號及參數(shù)，在每層設(shè)置1套多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，室外機(jī)在屋頂放置，依據(jù)各個房間逐時負(fù)荷及每層房間總負(fù)荷進(jìn)行室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)選型，新風(fēng)使用專用新風(fēng)機(jī)處理。

不同方案的對比結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同空調(diào)方案下的逐月能耗統(tǒng)計(jì)

由圖10 可知，方案一的年耗電量為402900kW·h，年耗氣量為49500m3；方案二的年耗電量為706000kW·h；方案三的年耗電量為553100kW·h；方案四的年耗電量為404400kW·h，燃煤82.43t。4種方案的能耗及經(jīng)濟(jì)性對比如表7所示。

表7 能耗及經(jīng)濟(jì)性對比

由表7可知，從能源消耗角度分析，采用VRF多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)更節(jié)能；從經(jīng)濟(jì)性角度分析，螺桿式電制冷機(jī)結(jié)合空氣源熱泵更經(jīng)濟(jì)。冷熱源優(yōu)化分析應(yīng)依據(jù)建筑的不同功能、當(dāng)?shù)啬茉捶峙淝闆r、空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的具體形式等條件而定，只有具體情況具體分析，才能合理應(yīng)用現(xiàn)有能源，選出最合理的空調(diào)冷熱源方案。空氣源熱泵省去鍋爐，節(jié)省了很大空間，減輕了采暖對大氣造成的污染，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展；VRF空調(diào)系統(tǒng)自動化程度高，使用靈活，在中小型辦公建筑領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間。

3 結(jié) 論

筆者以烏魯木齊市和北京市為典型城市，分析被動式建筑在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的節(jié)能潛力，得出如下結(jié)論。

（1）被動式建筑由于其優(yōu)越的建筑保溫及高氣密性，具有良好的蓄熱性能；對被動式建筑采用可變新風(fēng)及75%的顯熱回收裝置，能耗明顯降低。

（2）烏魯木齊市被動式建筑比基準(zhǔn)建筑全年累計(jì)負(fù)荷減少59.3%，供熱耗氣量減少63.2%，CO2排放量減少63.2%，夏季制冷能耗減少54.5%，考慮自然采光時建筑全年節(jié)約照明能耗12882.02kW，約節(jié)省電費(fèi)5024元；北京市被動式建筑比基準(zhǔn)建筑采暖季累計(jì)熱負(fù)荷下降68.9%，累計(jì)冷負(fù)荷比基準(zhǔn)建筑約減少18.9%，總體上被動式建筑比基準(zhǔn)建筑全年總能耗減少34.7%，其中，冬季供熱耗氣量減少66.0%，折合CO2排放量減少66.0%，節(jié)約供暖費(fèi)用124608元。

（3）換氣次數(shù)對建筑熱負(fù)荷和濕負(fù)荷影響較為顯著。外窗及外墻傳熱系數(shù)對建筑的熱負(fù)荷影響較為顯著，而建筑的冷負(fù)荷及濕負(fù)荷隨著外墻及外窗傳熱系數(shù)的變化并無明顯波動。

（4）對于烏魯木齊市中小型被動式辦公建筑而言，從能源消耗的角度來看，采用VRF多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的總能耗更低；從經(jīng)濟(jì)性的角度分析，螺桿式電制冷機(jī)結(jié)合空氣源熱泵更經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)束語

筆者借助DeST建立辦公建筑模型，以烏魯木齊市和北京市為典型城市，分析被動式建筑在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的節(jié)能潛力，對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，研究了不同傳熱系數(shù)的外墻和外窗及不同氣密性對嚴(yán)寒地區(qū)建筑負(fù)荷的影響，并對烏魯木齊市被動式建筑空調(diào)冷熱源方案進(jìn)行優(yōu)化，以期為嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)新建被動式超低能耗辦公建筑的實(shí)施提供一定參考。