PHPP軟件在被動房設(shè)計優(yōu)化中的應(yīng)用

以天津中新生態(tài)城被動房項目為例

被動房作為一種超低能耗建筑，它的概念最早誕生于20世紀80年代的歐洲。此種節(jié)能概念是通過高質(zhì)量的外圍護結(jié)構(gòu)和高效的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，降低建筑的負荷需求，從而達到在減少主動供暖和制冷設(shè)備使用的前提下，也能保證室內(nèi)舒適度的目的。在冬季被動房甚至可以不使用傳統(tǒng)暖氣，僅利用室內(nèi)熱源、新風(fēng)熱回收和新風(fēng)加熱的方式，保持高舒適度的室內(nèi)熱環(huán)境。

1991年在德國達姆施塔特(Darmstadt)東北部的Kranichstein社區(qū)建成了世界第一座被動房。1996年，Wolfgang Feist博士在達姆施塔特成立了被動房研究所(Passivhaus Institut，PHI)。

PHPP是一款由德國被動房研究所PHI開發(fā)的軟件，專門針對被動房的負荷及能耗計算。該軟件在被動房的設(shè)計咨詢階段主要發(fā)揮兩方面的作用：一是它的計算結(jié)果是一座建筑是否能達到德國被動房認證標準的決定性依據(jù)。所謂德國被動房認證，是指能全面滿足德國被動房研究所PHI認可的被動房標準的超低能耗建筑。二是在PHPP計算過程中，可以對建筑熱工及設(shè)備的各項參數(shù)進行優(yōu)化，從而使被動房在技術(shù)和經(jīng)濟指標上都能達到最優(yōu)化的水平。因此PHPP是對被動房進行設(shè)計咨詢過程中必不可少的輔助工具。

被動房之所以能夠成為世界公認的超低能耗建筑節(jié)能標準，其中一點便是得益于它有一套高起點和高量化程度的專業(yè)標準。被動房標準不僅規(guī)定了建筑供暖供冷需求、冷熱負荷指標、建筑氣密性和夏季超溫頻率指標，還對建筑一次能源消耗提出了要求。2015年版的被動房標準還引入了建筑可再生能源使用指標，根據(jù)建筑可再生一次能源需求量和對外供給量進行等級劃分和評估。

天津中新生態(tài)城位于天津濱海新區(qū)，是中國、新加坡兩國政府為應(yīng)對全球氣候變化、加強環(huán)境保護和節(jié)約能源設(shè)立的戰(zhàn)略性合作項目，建設(shè)目標為可持續(xù)發(fā)展的城市型和諧社區(qū)。生態(tài)城被動式建筑項目屬于公屋二期工程，由兩棟17層高層住宅組成（本文示例建筑典型樓層平面圖如圖1所示），總套數(shù)為105套，戶型以100m²以下的兩室一廳為主。該項目的目標是成為中國第一個同時獲得德國被動房研究所PHI認證和中國被動式超低能耗綠色建筑標識的被動式高層住宅建筑。

圖1 優(yōu)化前的4號樓標準層平面圖

被動式建筑理念應(yīng)用在中國寒冷氣候區(qū)，在規(guī)劃及建筑設(shè)計初期階段的優(yōu)化，主要有以下幾個方面：

1)規(guī)劃布局上，建筑布置在陽光得熱充足的區(qū)域，盡量減少周邊建筑或其他物體對被動房的遮擋，有利于冬季陽光輻射得熱。

2)平面設(shè)計時，控制被動房的表面積體積比，減少散熱面，降低熱負荷。

3)平面布局時，避免不必要的結(jié)構(gòu)熱橋，例如將外挑式陽臺改為內(nèi)包式陽臺，如圖2所示。

4)在建筑立面上對窗戶的面積進行優(yōu)化。北、東、西向外窗在保證室內(nèi)光照充足和自然通風(fēng)的前提下，盡量減小其面積；南向外窗的面積，因為要綜合考慮到冬季陽光得熱和夏季隔熱，應(yīng)避免過大。

5)避免過多的窗框?qū)ν獯暗姆指睿鐖D3及圖4所示。窗框與玻璃的連接處不可避免的存在熱橋，同時它也是整個氣密層的薄弱環(huán)節(jié)。并且過大的窗框面積還會增大冬季的熱損失，因為被動房窗的窗框U_f值一般會高于玻璃的U_g值；另外窗框面積大也就增大了整窗的SHGC值，從而不利于冬季陽光輻射得熱。

圖2 優(yōu)化后的4號樓標準層平面圖

在開始負荷及能耗計算之前，首先必須確定建筑外圍護結(jié)構(gòu)的邊界。圖5至圖8中所示粗虛線為建筑的外圍護結(jié)構(gòu)界線，它是分割建筑內(nèi)、外部環(huán)境的邊界，因此必須保證此處的保溫隔熱措施。直接供暖區(qū)與間接供暖區(qū)之間的內(nèi)墻，以及分戶墻和分戶樓板的保溫做法按照天津地方標準實施。

圖3 外窗優(yōu)化前

圖4 外窗優(yōu)化后（整窗面積不變）

該建筑的首層除公共區(qū)域外歸于建筑的外部空間，二層住宅與首層非供暖區(qū)之間的樓板、首層非供暖區(qū)與公共區(qū)域之間的內(nèi)墻需要加裝保溫層。頂樓設(shè)備用房必須全部覆蓋保溫層。

德國被動房標準的能耗指標基于單位能源相關(guān)面積，住宅內(nèi)部、設(shè)備及交通空間、電梯井及樓梯均有不同的能源相關(guān)面積計算方法等。示例建筑的能源相關(guān)面積計算可得為4260 m²，而國內(nèi)計算方法結(jié)果建筑面積為5620m²。

設(shè)計初期先行選定了一些合理參數(shù)，并在設(shè)計過程中對其逐步確立和優(yōu)化。選定方法包括：

1)在合理區(qū)間內(nèi)選取相對更為不利的值。例如：項目高性能的保溫材料，可能包括模塑聚苯板、硬質(zhì)聚氨酯板、巖棉或擠塑聚苯板。初步計算中，可將保溫材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為相對較不利的模塑聚苯板。

2)無法確定的參數(shù)，先憑經(jīng)驗估值，后期確定后調(diào)整。例如：在初步計算中細部熱橋的影響，用熱橋?qū)е碌膫鳠嵯禂?shù)增加量代替。

3)可以從軟件產(chǎn)品庫中選取部分建筑構(gòu)件和設(shè)備的參數(shù)。例如玻璃g值、玻璃U_g值、窗框U_f值、玻璃／窗框／外墻間的線性熱橋系數(shù)等。

4)強制性或推薦性標準適用范圍內(nèi)選取最不利的極限值。例如：氣密性的強制性要求n₅₀不得超過0.6次／h，新風(fēng)熱回收效率不低于75％（本文中的熱回收效率均指顯熱回收效率）。

5)在合理范圍內(nèi)選取的平均值。例如新風(fēng)最大送風(fēng)量。

6)可暫時忽略一部分次要參數(shù)。例如：外窗的尺寸和面積必須與設(shè)計相一致，但是窗框?qū)ν獯暗木唧w分割方式并不作詳細計算。

7)不確定是否配備的設(shè)備，可視計算結(jié)果而定。例如外遮陽和新風(fēng)濕回收，若計算結(jié)果顯示制冷或除濕負荷過大則再增加。

圖5 外圍護結(jié)構(gòu)邊界剖面圖

圖6 標準層外圍護結(jié)構(gòu)邊界

圖7 頂層外圍護結(jié)構(gòu)邊界

圖8 首層外圍護結(jié)構(gòu)邊界

在以上基本參數(shù)確定之后，設(shè)計中首先調(diào)整一些可變參數(shù)，使該建筑在冬季達到德國被動房標準要求。該計算條件下外墻及屋頂?shù)谋貙雍穸炔粦?yīng)低于260mm。隨后在夏工況下對自然通風(fēng)的制冷能力進行量化分析，超溫頻率計算結(jié)果為28％，超過了被動房標準的上限值(10％)，所以本項目主動制冷不可避免，需要進一步計算供冷需求量。

制冷工況下的時計算設(shè)定值為：室內(nèi)設(shè)定溫度25℃，室內(nèi)空氣相對濕度60％，室內(nèi)濕源為100g／(人·h)。此時制冷除濕全年累計負荷計算結(jié)果為25 kW·h／(m²·a)，超過天津氣象參數(shù)下所允許上限值，夏季計算結(jié)果不達標。由此可見該項目的設(shè)計難點不在供暖季而在空調(diào)季。

為達到德國被動房夏季標準，可以通過以下兩個途徑解決：一是使用外遮陽或遮陽玻璃，進一步降低制冷負荷（內(nèi)遮陽經(jīng)過試算無法滿足要求）。二是配備濕回收率較高的全熱回收新風(fēng)裝置，對新風(fēng)預(yù)除濕以降低空調(diào)除濕負荷。但是以上途徑是否可行，受到行政審批、業(yè)主接受度、產(chǎn)品市場等多種實際因素的制約，需進一步調(diào)研探討。

該項目的一次能耗指標以德國被動房新舊標準過渡期的不可再生一次能源需求量為準。在前述計算達標的前提下，需要對一次能耗的其他影響因素進行分析，這包括供暖、空調(diào)、熱水設(shè)備的能耗及其輔助電耗，家用電器、照明、電梯的電耗等?，F(xiàn)階段采用的是一系列標準值，以確定一次能耗的大體區(qū)間。包括供暖及制冷設(shè)備的性能系數(shù)值、每戶配備2.5 m²的太陽能集熱器供給生活熱水、人工照明能效為80 lm／W的節(jié)能燈具、輔助電耗、家用電器及電梯的能耗使用軟件預(yù)設(shè)建議值等?；谝陨蠀?shù)，不可再生一次能源需求量計算結(jié)果不高于110kw·h／(m²·a)，能夠滿足德國被動房標準的一次能耗要求。

計算過程中還對與節(jié)能相關(guān)的技術(shù)參數(shù)進行敏感性分析。參與評價的參數(shù)包括：保溫材料厚度、玻璃U_g值、窗框U_f值、玻璃g值、外遮陽的遮陽系數(shù)、新風(fēng)顯熱回收效率、新風(fēng)平均換氣率、新風(fēng)濕回收效率和氣密性。各參數(shù)性能以100％為起始值，即初期計算時所使用的數(shù)值。敏感性分析時變量以20％為間隔，在從±80％的區(qū)間內(nèi)變化。

供暖季累計熱負荷的初始計算結(jié)果為14.1 kW·h／(m²·a)，其在各參數(shù)影響下的詳細變化如圖9所示。敏感性曲線的斜率表示該參數(shù)對熱負荷的影響。如圖9所示，圍護結(jié)構(gòu)的保溫層在厚度降低20％以上時是最決定性的影響因素；而其厚度在初始基礎(chǔ)上如果再增加，其影響力便退居第三位，弱于熱回收率和玻璃g值。也就是說保溫在260mm的基礎(chǔ)上再增加厚度所能帶來的效益會相對下降，所以過厚的保溫層意義不大。對熱負荷影響最大的各參數(shù)依次為：新風(fēng)熱回收率、玻璃g值、保溫層厚度、玻璃U_g值等。

圖9 供暖季敏感性曲線

空調(diào)季的敏感性計算結(jié)果顯示，對制冷和除濕負荷之和影響最大的各參數(shù)依次為：玻璃g值、新風(fēng)平均換氣率、濕回收率、外遮陽等。

通過以上敏感性分析可得：1)新風(fēng)濕回收裝置對夏季新風(fēng)除濕負荷有重大影響，應(yīng)考慮設(shè)置。2)玻璃g值對供暖季和空調(diào)季負荷有截然相反的影響，因此必須根據(jù)具體情況進行優(yōu)化。3)保溫層厚度在滿足被動房要求的前提下，不必過大。4)在不影響自然采光的前提下，應(yīng)盡量選用比內(nèi)遮陽效果更好的外遮陽。上述結(jié)論對具體設(shè)備的選型和參數(shù)設(shè)定都有重要的指導(dǎo)意義。

以PHPP的計算結(jié)果為依據(jù)，確定設(shè)備的選型范圍和參數(shù)要求。一方面要確定達到被動房標準必須配備的設(shè)備；另一方面要確定多個參數(shù)的最低限值，指導(dǎo)設(shè)備選型。

以供暖季為例：熱回收效率75％是PHI建議的最低值，該參數(shù)也被作為新風(fēng)機組選型時的前提條件；相較于初步計算，后期選型時玻璃的g值升高和保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)下降，降低了供暖季熱負荷，因而將外墻和屋頂?shù)谋貙雍穸冗M一步優(yōu)化降低至220mm；為滿足被動房標準對室內(nèi)輻射溫度的建議性指標，外窗的參數(shù)需要達到適用寒冷氣候區(qū)被動窗性能要求，即玻璃U_g值不大于0.7w/(m²·K)，窗框U_f值不大于0.8 w/(m²·K)的要求。至此，對被動房冬季指標起決定性影響的新風(fēng)熱回收率、玻璃g值、外墻及屋頂?shù)谋貙雍穸?、玻?span style="margin:0px;padding:0px;line-height:1.6;">U_g值都已確定。

在建筑負荷大幅降低的前提下，寒冷氣候區(qū)僅用空氣加熱或制冷的方式就能滿足被動式建筑全年室內(nèi)舒適度的要求。本項目采用戶式分散系統(tǒng)，采取新風(fēng)加空氣源熱泵一體機或新風(fēng)加戶式中央空調(diào)多聯(lián)機。決策時經(jīng)濟性指標在選型時或成為主導(dǎo)因素。

下一步的設(shè)計工作在主要材料及設(shè)備選型確定后進行施工圖深化設(shè)計，進行更加細化的計算，實現(xiàn)設(shè)計階段的質(zhì)量控制目的。

采用以PHPP為代表的能耗計算軟件指導(dǎo)設(shè)計，能夠得到相對準確合理的設(shè)計參數(shù)，滿足被動房標準的各項技術(shù)要求，從而確定適合的建材和設(shè)備，對被動式建筑在設(shè)計階段實現(xiàn)最大程度的優(yōu)化。

被動式建筑的品質(zhì)保障在于高水平的設(shè)計和施工，其設(shè)計核心是通過專業(yè)軟件模擬計算，實現(xiàn)對建筑整體負荷及能耗的綜合把控和具體參數(shù)的優(yōu)化分析。

只有以準確的計算結(jié)果為指導(dǎo)，才能使被動房的設(shè)計明主次、有目標。否則可能導(dǎo)致技術(shù)參數(shù)選取的隨意性和盲目性，無法在技術(shù)和經(jīng)濟上取得最優(yōu)化的效果。

作者｜宋昂揚   吳劍林   高彩鳳   于震

單位｜中國建筑科學(xué)研究院環(huán)能研究院