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

本文刊發(fā)于《綠色建筑》雜志2024年第4期，原標題為：嚴寒和寒冷地區(qū)被動房負荷特性及空調(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)存被動式建筑標準體系，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)展歷程和重點示范工程，對被動式建筑的發(fā)展方向進行展望。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結(jié)構(gòu)進行評價，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，對基準建筑與近零能耗建筑進行模擬，分析熱負荷與供暖時間的變化規(guī)律。

在“雙碳”目標的驅(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)進行設(shè)計施工。被動式建筑能夠實現(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軟件分別對嚴寒和寒冷地區(qū)的辦公建筑進行模擬，在我國寒區(qū)氣候條件下建立被動式建筑模型，將其與基準建筑進行對比，分析其負荷變化規(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寒地區(qū)代表，對4種方案下的空調(diào)冷熱源配置進行優(yōu)化設(shè)計。此研究對嚴寒和寒冷地區(qū)新建被動式超低能耗辦公建筑的實施具有參考價值。

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。其標準層平面圖如圖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 辦公建筑標準層平面圖

1.2 參數(shù)設(shè)定

基準建筑參數(shù)按照GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》設(shè)置。

（1）暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)運行時間為：采暖季連續(xù)運行，空調(diào)季僅工作時間運行，周末不運行；室內(nèi)設(shè)計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，基準建筑無熱回收設(shè)備。

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

表2 圍護結(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的離心式電制冷機和1臺制熱量為544.99 kW 的燃氣熱水鍋爐。

2 結(jié)果和分析

2.1 負荷及能耗分析

2.1.1 自然室溫對比

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

圖2 全年自然室溫對比

由圖2 及計算得出，烏魯木齊市全年平均室外溫度為7.14 ℃，基準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。

2.1.2 空調(diào)負荷、性能指標對比

2 個典型城市建筑全年逐時單位面積負荷對比，如圖3所示。

圖3 全年逐時單位面積負荷對比

烏魯木齊市和北京市建筑性能指標總結(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對比

表4 北京市建筑性能指標對比

由圖3及表3可知，烏魯木齊市辦公建筑冬季熱負荷占主要部分。被動式建筑比基準建筑采暖季累計熱負荷下降約64.5%，峰值熱負荷下降約60.1%。被動式建筑的冷負荷與基準建筑相差不大，累計冷負荷約增30.1%，峰值冷負荷約減少30.3%。綜合來看，被動式建筑比基準建筑全年累計負荷減少59.3%。由表4 可知，北京地區(qū)被動式建筑比基準建筑采暖季累計熱負荷下降68.9%，峰值熱負荷約下降62.2%；兩類建筑累計冷負荷相差不大，被動式建筑累計冷負荷比基準建筑約減少18.9%，峰值冷負荷下降的比例約為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行統(tǒng)計如表5和表6所示。

表5 烏魯木齊市建筑全年能耗統(tǒng)計

表6 北京市建筑全年能耗統(tǒng)計

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)來衡量氣密性對負荷的影響，不同通風(fēng)換氣次數(shù)下的建筑負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)對建筑負荷有明顯影響。由圖5可知，隨著氣密性的升高，建筑熱負荷在1－4月、9－12月顯著上升。經(jīng)計算，當圍護結(jié)構(gòu)換氣次數(shù)為0時，建筑全年累計熱負荷為209085.86 kW，而當圍護結(jié)構(gòu)換氣次數(shù)為5次/h時，建筑全年累計熱負荷為1635821.04 kW。氣密性增加時，冷負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)對建筑熱負荷和濕負荷影響較為顯著，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結(jié)構(gòu)的熱損，進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。計算得出，當傳熱系數(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，建筑的冷負荷及濕負荷并無明顯波動。

2.2.3 外窗傳熱系數(shù)

建筑的冷、熱負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。建筑的冷負荷及濕負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，建筑全年累計照明耗電量為132273.15kW；在自然采光的作用下，建筑全年累計照明耗電量為119391.13kW。計算得出，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5024 元[烏魯木齊市電費取0.39 元/(kW·h)]。

2.4 空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計

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荷特點，擬采用4種冷熱源方案進行探討。

方案一為1臺制冷量為216.52kW 的離心式冷水機組，1臺制熱量為544.99kW的燃氣熱水鍋爐。

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

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

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

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)濟性對比如表7所示。

表7 能耗及經(jīng)濟性對比

由表7可知，從能源消耗角度分析，采用VRF多聯(lián)機系統(tǒng)更節(jié)能；從經(jīng)濟性角度分析，螺桿式電制冷機結(jié)合空氣源熱泵更經(jīng)濟。冷熱源優(yōu)化分析應(yīng)依據(jù)建筑的不同功能、當?shù)啬茉捶峙淝闆r、空調(diào)系統(tǒng)運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，促進經(jīng)濟可持續(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建筑全年累計負荷減少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5024元；北京市被動式建筑比基準建筑采暖季累計熱負荷下降68.9%，累計冷負荷比基準建筑約減少18.9%，總體上被動式建筑比基準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)約供暖費用124608元。

（3）換氣次數(shù)對建筑熱負荷和濕負荷影響較為顯著。外窗及外墻傳熱系數(shù)對建筑的熱負荷影響較為顯著，而建筑的冷負荷及濕負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)機系統(tǒng)的總能耗更低；從經(jīng)濟性的角度分析，螺桿式電制冷機結(jié)合空氣源熱泵更經(jīng)濟。

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寒和寒冷地區(qū)的節(jié)能潛力，對建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱參數(shù)進行敏感性分析，研究了不同傳熱系數(shù)的外墻和外窗及不同氣密性對嚴寒地區(qū)建筑負荷的影響，并對烏魯木齊市被動式建筑空調(diào)冷熱源方案進行優(yōu)化，以期為嚴寒和寒冷地區(qū)新建被動式超低能耗辦公建筑的實施提供一定參考。