北京市建筑设计研究院有限公司  王  颖

       【摘  要】本文基于百子湾保障房项目公租房地块4#楼实际工程设计，阐述寒冷（北京）地区超低能耗居住建筑的能耗及空调系统设计方法。根据当地室外气象参数，适合的室内设计参数，研究寒冷（北京）地区超低能耗建筑的供暖需求、供冷需求以及全年能耗分析，根据本项目特点，提出供暖供冷系统设计方案及技术措施，厨卫通风解决方案，中庭空调通风解决方案。保证室内舒适度的前提下，变革传统供暖方式，采用高能效比热泵技术，利用可再生能源，高效热回收新风系统，为住户提供清洁新风，并满足供暖、供冷需求，使室内达到人体舒适度要求。

       【关键词】超低能耗居住建筑 高效热回收新风系统 供热需求 供冷需求 一次能源需求

Abstract:The design of baiziwan low-income housing public rental housing project building block 4# residential project engineering based on this cold (Beijing) design method of the energy consumption and air conditioning system in passive ultra-low energy consumption of residential building. According to local meteorological parameters, selection of indoor design parameters for the research on the cold (Beijing) and the demand analysis of the cold energy consumption area of low energy consumption building heating demand, supply, heating and cooling system put forward design scheme and technical measures, kitchen ventilation solutions, air conditioning ventilation in atrium solutions. Guarantee the indoor comfort, change the traditional way of heating, the energy efficiency ratio of heat pump technology, the use of renewable energy, efficient heat recovery ventilation system, providing clean fresh air for residents, and to meet the heating and cooling demand, make indoor to human comfort requirements.
Keywords:passive ultra-low energy consumption residential building, high efficiency heat recovery fresh air system, heating demand, cooling demand, primary energy demand

0 引  言

       超低能耗绿色建筑是指适应气候特征和自然条件，通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构，采用高效热回收技术，最大程度地降低建筑供暖供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供舒适室内环境并能满足绿色建筑基本要求的建筑^[1]。

       国家“十二五”期间，在新型城镇化建设过程中，遵循控制能耗总量的原则，紧紧围绕绿色建筑、节能减排这个主题全方位展开技术研究。超低能耗建筑的优势主要表现在：更加节能、更加舒适、更好空气品质、更高质量保证。住建部“十三五”发展规划要求，北方寒冷地区，京津冀重点区域城市积极开展超低能耗建筑、近零能耗建筑建设示范，结合气候条件和资源禀赋情况，探索实现超低能耗建筑的不同技术路径，总结形成符合我国国情的超低能耗建筑设计、施工及材料、产品支撑体系。《北京市推动超低能耗建筑发展行动计划（2016-2018年）》的发展目标，三年内建设不少于30万平方米的超低能耗示范建筑，建造标准达到国内同类建筑领先水平，争取建成超低能耗建筑发展的典范。

       超低能耗建筑中如何解决建筑所需的较低供暖供冷需求是根本，如何做好系统设计使得能耗较少，需要研究和变革传统技术和方式，应充分利用可再生能源，采用高效空气能热泵技术。

1 项目概况与技术目标

       1.1 项目概况

       百子湾保障房项目公租房地块4#楼，由北京市保障性住房建设投资中心建设，地处北京市朝阳区百子湾地区，首层为配套商业，二至六层为居住建筑，有中庭贯穿各层，住户29户。二至六层做超低能耗示范设计，其建筑面积为1300 m²，每户建筑面积约35m²，体形系数为0.35，见图1。

       1.2 技术指标

       作为北京市超低能耗居住建筑示范项目，在设计之初，首先需要确定一个要达到的能耗指标。由于目前尚无国家标准，参照《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）》^[1]和河北省地标《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》DB13(J)/T177-2015 ^[2]，确定的能耗指标和气密性指标见表1，室内环境参数见表2。

       超低能耗居住建筑既要保证气密性指标，又要保证人员卫生要求，供给足够的新风量，最大限度的利用室内发热量，降低供热供冷需求，还需确定新风热回收设备的效率和通风系统的通风电力需求的技术指标，见表3。

2 寒冷（北京）地区超低能耗居住建筑能耗分析

       2.1 全年能耗计算输入参数的确定

       与传统住宅的暖通空调设计过程相同，首先需要进行负荷计算。而根据超低能耗建筑的特点，为了最大限度的降低一次能源需求，需要进行建筑的全年能耗计算分析。北京的气候分区属于寒冷B区，冬季寒冷，需供热；夏季炎热，需供冷。供暖供冷计算方式按照计算天数供暖期供冷期连续计算冷热需求，冬季计算天数为163天，夏季计算天数为92天。输入参数包括室内室外设计参数、设备参数、换气参数、内部发热源参数等，见表4。通风系统平均换气次数是按新风设备在一天24小时内不同的运行时间不同的换气次数得出的平均值；小时人流量是考虑每人每天进出8次，每天16小时的活动时间计算得出，属于经验统计值。

       由于首层是配套商业，仅按一般节能公共建筑设计，二层住户与首层商业房间楼板的传热温差按冬季临室温度为15℃取值，各户与楼梯间之间的隔墙也按冬季临室温度15℃取值，夏季时则分别按室外逐时温差的0.2倍和0.5倍取值。

       住宅用电设备包括冰箱、电视、洗衣机、洗碗机、计算机、显示器和其他随机用品，通过各设备散热量数据计算得出设备散热密度，即年均得热密度，为3.05 W/m²。

       2.2 外围护结构热工性能参数选择

       建筑的超低能耗主要是靠外围护结构超强的保温隔热性能和更高的气密性能获得的。4#楼采用外墙外保温系统，保温层连续完整，不出现结构热桥，外保温系统的连接锚栓采用阻断热桥措施。还应具有包绕整个供暖体积的连续完整的气密层。外窗的气密性不低于8级，水密性不低于6级，抗风压不低于9级。寒冷地区的供暖能耗在全年建筑总能耗中占主导地位，太阳辐射可降低冬季供暖能耗，但也会增加夏季空调能耗，因此，寒冷地区的东、西、南向的外窗均应考虑遮阳措施。表6 的外围护结构的热工性能参数取值，作为本楼超低能耗的保障。

       2.3 全年能耗计算结果及分析

       2.3.1 能耗计算结果

       全年能耗计算采用BEED软件。得出整栋楼热负荷、冷负荷、供暖需求、供冷需求、一次能源消耗量和通风系统电力需求及二氧化碳排放量等计算结果。见表7，表8。

       2.3.2 结果分析

       能耗构成分析详见图2~5。分析其构成可以引导我们找到着重解决的方向。从热负荷和供暖需求构成分析中可看出，围护结构失热占比2/3，通风失热占比1/3。其中，外墙、外窗和通风传热是巨大的。因此，着重解决外围护结构的传热和通风传热是超低能耗建筑降低供暖需求的主要方向，因而需要对外围护结构传热系数和气密性换气次数提出要求。在满足人体卫生标准需求的前提下尽可能减小通风传热并将排风中的热量极大限度回收，需采用高效热回收新风系统，热回收效率需持续提高。传统建筑计算冬季热负荷时不扣除人体和设备、灯光等的得热量，并以稳态传热原理进行计算，供热量是保守的。而超低能耗建筑的理念就是最大限度的降低供暖需求，则需将所有得热量扣除后得出最小供暖需求量。

       对冷负荷和供冷需求构成分析的结果，除了围护结构的传热外，外窗的太阳辐射热以及人体和设备的散热量也是占比较多的。夏季着重解决的方向则是降低外窗太阳辐射热和设备得热。

       结果与设计之初确定的技术指标相比，满足指标要求，同时也满足文献 [3] 对北京市公共租赁房的技术指标要求。指标计算结果中，供暖、供冷需求是输出端的需求，终端能耗量是输入端折合成的耗电量，一次能源需求是耗费自然界的一次能源的量。这里，供暖、空调及通风一次能源消耗量是体现超低能耗居住建筑在保证一定舒适度和卫生质量的前提下所必需的关键数值，是超低能耗建筑特别需要控制的。

       计算结果表明，所有输入参数都是预设的数值，实际工程中采用的材料、产品、设备的性能参数必须严格按照预设值控制，这是建造成功的超低能耗建筑的必要前提。

       2.4 各户型各层冷热负荷计算结果统计

       4#楼二至六层每层6户，有D1，D2，D3三种户型，每户建筑面积约35m²；各户围合一个面积为289m²的中庭。各户型各层逐时综合最大冷、热负荷计算结果统计看出，每户的综合最大冷、热负荷值都在0.5~1kW左右。

3 通风空调系统设计

       3.1 问题的提出

       能耗计算结果显示，超低能耗建筑的冷、热需求非常小，冬夏季在满足户内人员新风卫生条件的前提下，只需辅助供给极少量冷、热。这就提出一个问题，是不是还需要采用传统的住宅散热器或地板辐射供暖、分体空调供冷的方式。80年代，美国加州大学伯克利学院研究近零能耗建筑，提出采用供给30℃以下水温的供暖系统。这需要解决从哪获得30℃水，是否仍然需要采用化石能源？有没有新技术、新能源可以替代？

       科学技术发展到今天，地源热泵技术、空气源热泵技术、太阳能供暖供冷技术、高效热回收技术等一系列新技术和新设备，使得解决这些问题成为可能。暖通空调设计需要改变传统的主动供暖系统方式，正是遵循了超低能耗建筑的“被动优先，主动优化”的总原则，充分回收室内排风中的热量，充分利用可再生能源做辅助的供暖供冷，最大限度减少化石能源的使用。

       3.2 空调系统形式确定

       本楼地下车库小区联通，无地埋管空间，屋面面积也较小，没有设置太阳能集热板的足够空间，地源热泵技术和太阳能技术都无法采用。本楼的空调系统形式选择为集中高效新风热回收系统加户内新风冷热源一体机（以下简称“一体机”）的空气源热泵空调系统。

       3.2.1 高效新风热回收系统及运行

       如图6所示，由于每户面积较小，考虑经济技术原因，采用了每层集中处理新风的方式，每层设置新风净化系统。采用带冷热源热回收新风机组，显热回收效率不低于75%，排风量为新风量的90%~100%，COP值为2.8。热回收新风机组设置在每层的中庭通廊吊顶内。中庭内设置竖向新风、排风竖井，并伸出屋面，从屋面采风、排风。

       各层热回收新风机组向竖井取风、排风，新风机组进风口处设置G4/H11等级的过滤器，有效控制室外污染物及PM_2.5浓度，为室内提供更加洁净的新鲜空气，有效减小雾霾天气对室内空气品质的影响。热回收新风机组处理后的新风通过送风管送至每户一体机；每户卫生间设置回风口，各户回风管在中庭回廊汇合后接至热回收新风机组回风口。同时，中庭设置送回风口，给中庭送风。与竖向风竖井相连的进排风管道安装密闭阀门，当通风系统处于关闭状态时，确保进排风管路密闭阀处于关闭状态。

       在中庭设置热回收新风机组的控制面板，每户设置温度、CO₂传感器，机组根据各户室内温度、CO₂浓度参数自动变风量运行。热回收材料应用高分子纳米材质的全热交换芯体，可与卫生间排风进行全热热交换。既能有效的杜绝卫生间有害气体和异味，又可以最大限度的应用室内排气中的热量进行全热回收。卫生间集中排风全热热交换的控制运行分为使用和未使用两种模式。卫生间未使用模式，室内设计参数根据各项指标设定值，判断需要室外空气进行置换时，卫生间的排气扇与新风一体机联动启动，实现室内的空气置换及风压平衡，此时卫生间排气装置处于从动状态；卫生间使用模式时，卫生间排气扇会引导一体机联动启动送风，实现室内的空气置换和风压平衡，此时卫生间排气装置处于主动驱动状态。这样的气流组织模式，可最大程度控制室内污染空气区域的负压状态，进而避免室内污浊污染空气对其他区域的污染，同时又最大程度的保证了建筑整体能源效率。

       3.2.2 户内空调系统形式

       如图7所示，每户内设置一套新风冷热源一体机，作为辅助的供暖供冷系统。室内机吊装于吊顶内，室外机设置在阳台处空调板上。热回收新风机组送风管接入一体机内。户内设置送风管和回风管，卧室及起居室设置送风口，起居室的另一角设置回风口，并保证室内气流组织的合理性。

       空调系统运行中需要特别重视控制要求，才能更好的获得节能效果。当热回收新风机组处理量能够承担室内冷热负荷时，室内一体机不运行，室内送风为直流式；当不能承担时，一体机启动，机内阀门动作，送风风量加大，户内回风启动，形成新风及循环送风系统，直至室内温度达到设计要求，一体机停止工作。

       3.2.3 厨房通风设计

       每户厨房设置独立的排油烟补风口。补风从室外直接引入，风道入口处设置保温密闭电动风阀，电动风阀与排油烟机联动，排油烟机未开启时，应关闭严密不漏风，排油烟机启动时，应与补风口连锁开启，达到风量平衡。补风口设置在灶台附近下部，缩短补风距离。

4 结束语

       超低能耗建筑设计，应注重气候、环境的适应性设计、一体化设计和性能化设计。为实现超低能耗的目标，需根据不同气候区的特点，确定围护结构的性能，尽量利用被动式建筑设计手段，降低建筑对主动式建筑环境和能源设备的依赖，暖通空调系统仅作为辅助手段，需要对设计方案权衡优化，因此在方案阶段就要求暖通、建筑物理专业设计人员参与到设计中。

       超低能耗建筑设计，需要准确的建筑负荷及能效预测，全年能耗计算的准确性相当重要，基础数据的取值需要准确。需要改变传统的供暖方式，充分利用可再生能源，利用热泵技术。还需要热泵能效大幅提高，还需要研发适用范围更广的新产品。

       超低能耗建筑需要特别注重气密性。设计时，宜尽可能减少管道穿墙和楼板，穿越处必须采取密封措施。管道穿越外围护结构时，预留套管与管道间的缝隙采用岩棉密实封堵，套管周边200mm再用密封带（防水隔气材料）与结构墙专用密封胶粘接密封。风管宜采用高气密性的风管，需特别注意做好新风管道负压段和排风管道正压段以及接口易漏气的部位的密封。

参考文献

       [1] 住房和城乡建设部.被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）[S].北京，2015
       [2] 住房和城乡建设部科技发展促进中心.DB13(J)/T177-2015被动式低能耗居住建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015：15-16
       [3] 北京市住房和城乡建设委员会.北京市超低能耗建筑示范工程项目及奖励资金管理暂行办法[S].北京，2017，附件1

       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。