河南省被動式超低能耗公共建筑的冷熱需求特征

宋麗偉

被動式超低能耗建筑的概念，借鑒于歐洲超低能耗建筑“Passivhaus”的概念：其在采暖和空調(diào)季節(jié)，盡量少地依賴主動的采暖和空調(diào)措施，可維持室內(nèi)的舒適環(huán)境（全年室溫維持在20～25℃，相對濕度在30～60%之間）。在不采用主動制冷的前提下的超溫/超濕的時間頻率：室內(nèi)空氣溫度大于25℃的年小時數(shù)的百分比≤10%；絕對室內(nèi)空氣濕度大于12g/kg的年小時數(shù)的百分比 ≤20%（有主動制冷時≤10%）。

被動式技術(shù)的五大基本特點：高標準的外墻外保溫；無熱橋設(shè)計；高性能被動式門窗；建筑具有很好的氣密性；帶高效熱回收功能的新風設(shè)備。

被動式超低能耗建筑的冬季室內(nèi)得熱主要依賴于太陽照射和使用過程的發(fā)熱，如人體和設(shè)備，從而減少使用外部能源。保溫性能良好的非透明的圍護結(jié)構(gòu)和品質(zhì)優(yōu)異的外窗，使得即使在寒冷的冬季和炎熱的夏季，室內(nèi)也能維持設(shè)計溫度。“無熱橋設(shè)計”也是確保被動式超低能耗建筑高質(zhì)量和舒適度的基本原則之一，它還可以防止水分積聚對保溫系統(tǒng)及建筑墻體造成的損害，延長建筑物的使用壽命。高效節(jié)能的熱回收綜合家居通風系統(tǒng)持續(xù)為被動式超低能耗建筑的室內(nèi)帶來新鮮的空氣。采用高效的熱回收裝置，使得廢氣排出室內(nèi)時通過與引進的室外新鮮空氣的熱交換重新進入建筑物內(nèi)，實現(xiàn)高效全熱回收，其中顯熱回收率在75%以上。

圖1 超低能耗建筑五個基本特點

一、項目的被動式技術(shù)

項目位于河南省鄭州市二七區(qū)鄭登路與西南繞城高速交匯處向南1.5公里路西。用地面積4338.98㎡，總建筑面積3800㎡，其中一棟辦公建筑，層數(shù)為2層，局部3層，建筑1561.86㎡，項目通過德國PHI的認證。

項目的主要被動式技術(shù)措施如下：

（1）外墻外保溫：150mm厚石墨聚苯板保溫，其外墻U值為0.21W/㎡K。屋頂采用150mm厚XPS，其屋頂U值為0.21W/㎡K。

（2）高效能被動式門窗：外窗采用內(nèi)充氬氣的三玻兩腔中空玻璃（5+18Ar+5+18Ar+5），傳熱系數(shù)0.91W/㎡K，采用玻璃暖邊技術(shù)，窗框采用鋁包木型材，開啟方式采用內(nèi)開內(nèi)倒方式。外窗氣密性為8級，水密性等級6級、抗風壓性能等級9級。在南側(cè)及東西兩側(cè)外窗設(shè)置外遮陽，外遮陽采用電動控制活動外遮陽百葉，屋頂天窗采用電動遮陽百葉。

（3）自然通風措施，建筑朝向為南偏西10度，有利于過渡季節(jié)及夏季自然通風，其中A區(qū)（公共建筑）過渡季節(jié)，在開窗的情況下，主要功能房間平均自然通風換氣次數(shù)不小于2次/h的面積比例為90%，B區(qū)B1(居住建筑）每套住宅自然通風開口面積與地面面積的比例為5%。

（4）圍護結(jié)構(gòu)整體氣密性：房屋的氣密性N50≤0.6h-1，即在室內(nèi)外壓差50Pa的條件下，建筑的漏風量不得大于換氣次數(shù)0.6次。

二、基于PHPP計算的能耗分析

PHPP是依據(jù) EN ISO 13790-2008《建筑物的能量性能. 空間加熱和冷卻用能量的計算》，以月為計算單位采用穩(wěn)態(tài)的計算方法，建立建筑物的熱平衡方程，求取建筑物的冷熱需求。它是將建筑物視為一個整體，建筑物內(nèi)部的溫度分布均勻。

全年度熱平衡計算：全年熱需求=全年熱損失-可利用的得熱，基本公式為：

其中：QH/C為冷熱需求，kWh/m2a。QT為圍護結(jié)構(gòu)傳熱冷熱損失，包括所有圍護結(jié)構(gòu)（外墻、窗、地面、屋面）、熱橋傳熱損失的年度累計值，kWh/m2a。QV為通風熱損失，kWh/m2a。QS為太陽輻射得熱，冬季為正值，夏季為負值，kWh/m2a。QI為內(nèi)部得熱，η為自由得熱利用系數(shù)。免費得熱：太陽得熱QS+室內(nèi)得熱QI。PHPP的供暖及制冷的時長根據(jù)建筑熱平衡進行自動計算，供暖及制冷時長不僅與室外氣象參數(shù)有關(guān)，同時還從建筑參數(shù)室內(nèi)的熱擾相關(guān)，所以PHPP中并無固定供暖季及供冷季。對于同一氣候分區(qū)，不同的建筑對應的供暖及制冷時長可能不相同。空調(diào)系統(tǒng)每日運行時間對建筑熱平衡中通過圍護結(jié)構(gòu)形成的熱損失及太陽得熱并不影響，這是由于室外氣候參數(shù)確定后，相應的供暖度時數(shù)即太陽輻射強度就唯一確定了。但空調(diào)系統(tǒng)每日運行時間可影響通風熱損失，建筑內(nèi)部的熱量，空調(diào)系統(tǒng)輔助設(shè)備用電量的計算，進而影響供熱功能需求以及一次能源需求。

新建超低能耗建筑采用PHPP的熱平衡計算，根據(jù)可再生一次能源(PER)需求和產(chǎn)量，共分為3個等級：普通級（Classic）、優(yōu)級（Plus）和特級（Premium）。

圖2 項目PHPP計算能耗結(jié)果：達到PHI的classic的標準。

圖3 建筑能耗分析結(jié)果

三、氣候特點對于冷熱需求的影響

PHPP能耗計算采用的室外環(huán)境參數(shù)：月度室外干球溫度的平均值和平均輻射強度。下表為PHI提供的鄭州全年室外計算溫度和太陽輻射量。

圖4 月度室外干球溫度的平均值和太陽輻射

1.夏季室外空氣焓值

夏季當室內(nèi)溫度為25℃，相對濕度為55%時，室內(nèi)空氣焓值為53.36kJ/kg。根據(jù)鄭州典型年室外空氣焓值變化圖，當室外焓值低于50kJ/kg，是可以通過加強通風帶走室內(nèi)的余熱余濕，6月8日～至9月5日室外焓值大部分時間高于室內(nèi)焓值，即加強通風也無法消除室內(nèi)余熱余濕，且新風會帶進大量的濕熱，因此必須開啟空調(diào)系統(tǒng)。同時，因超低能耗建筑墻體和外窗的傳熱極低，內(nèi)表面和室內(nèi)溫差小，室內(nèi)溫度有較好的穩(wěn)定性，在5月～6月上旬和9月上旬～10月上旬這兩個時間段內(nèi)，大部分時間可利用機械或自然通風，帶走室內(nèi)的余熱余濕，尤其應加強夜間通風。

圖5 夏季室外空氣焓值變化曲線

2.室外空氣濕度的影響

當夏季室內(nèi)25℃，相對濕度為60%時，空氣含濕量為12g/kg。根據(jù)PHI《德國超低能耗建筑標準》內(nèi)部得濕：住宅人員散濕100g/ (人·h)，夏天散濕量大于冬季。人體散濕量在夏季會形成室內(nèi)除濕能耗，然而冬季人體散濕會增加空氣含濕量。根據(jù)鄭州夏季室外空氣含濕量圖形，含濕量大于15～25g/kg時間段處于7月～9月初，自然通風或新風系統(tǒng)，如無除濕措施會大量導致除濕需求。本項目的新風機組采用全熱回收，夏季顯熱效率：77.3%，潛熱效率72.6%，可以阻擋大部分新風的含濕量，顯著減小除濕能耗。冬季11月15日～3月15日，新風含濕量基本小于5g/kg，新風需要適度加濕。

圖6 夏季室外空氣含濕量變化曲線

3.冬季室外平均溫度的影響

根據(jù)冷需求柱狀圖，該項目熱需求發(fā)生在11月～3月，11月和3月熱需求遠遠小于12、1、2三個月。該建筑外墻和地面的熱量損失，主要發(fā)生在這4個月內(nèi)，尤其是12月、1月、2月份。可以判斷，冬季制熱需求主要為11月底至來年3月初。

圖7 冷需求柱狀圖

4.太陽輻射的影響

通過外窗冬季熱損失和輻射得熱量比較，北、東、西三方向外窗的輻射得熱較小，但南向和水平天窗得熱量較大，尤其是南向外窗，得熱遠遠超過熱損失，總體上冬季外窗的輻射得熱大于熱損失，冬季太陽得熱占總體得熱的53%，內(nèi)部的熱占22%，靠自然得熱，可滿足本項目冬季3/4的熱需求，冬季有明顯的節(jié)能效果。

圖8 冬季太陽輻射得熱與外窗的傳熱比較

四、夏季建筑的冷需求特點

圖9 全年冷需求

（1）超低能耗建筑5月和9月的冷需求較不明顯，在5月底和9月初。冷需求的時間大為縮短，這與當?shù)仄胀ńㄖ忻黠@的不同，鄭州地區(qū)一般公共建筑5月和9月也有明顯的冷需求。顯然，冷需求的特征與圍護結(jié)構(gòu)的被動式特點（如熱惰性值較大）有關(guān)。6月和8月大部分時間處于冷需求，其中7月全月處于峰值。

（2）太陽輻射得熱：北向外窗全年太陽輻射值變化不大（夏季升值不大），即北向外窗在滿足采光的情況下可盡量減小面積以節(jié)省造價。南向外窗夏季本來屬得熱量較大，但因為采用了外遮陽措施，太陽輻射得熱無明顯升高甚至略減（說明外遮陽在夏季減少太陽得熱，起到重要作用）。各方向的外窗于太陽輻射量夏季明顯高于其他三季，水平面（屋面天窗）太陽輻射量明顯高于其他各方向，天窗采用了外遮陽措施。

（3）除濕需求在6～8三個月中，主要發(fā)生在7月和8月，項目所在地進入高溫高濕的桑拿天較多，除濕需求明顯。制冷需求中，顯熱所占的比例，6月份為91%（天氣屬于干熱），7月、8月份分別為66%和69%（屬于濕熱天氣）。夏季空調(diào)顯熱能耗需求為10.2kWh/m2a（占整個冷需求的71%），潛熱能耗需求為4.2kWh/m2a需求，（占29%）。夏季高溫高濕的天氣使得潛熱冷需求所占的比例較大，主要是新風除濕。

冬季建筑的熱需求特點：

根據(jù)建筑冬季熱損失和得熱的占比，可以得出，冬季主要的熱損失來自于：最大熱損失外窗（14.9kWh/㎡a），外墻（10.5kWh/㎡a），屋面（6.5kWh/㎡a），地面（6.1kWh/㎡a)。而得熱主要來自于被動式的手段：太陽得熱（20.9kWh/㎡a），內(nèi)部得熱（11.6kWh/㎡a），得熱的占比遠大于供熱設(shè)備，良好的圍護結(jié)構(gòu)和氣密性對于被動式得熱起到了關(guān)鍵作用。

圖10 建筑冬季熱損和得熱占比

五、結(jié)語

項目所在地河南省的氣候特點，如夏季室外空氣的焓值，空氣的相對濕度，太陽輻射等因素，都會對建筑的冷熱需求產(chǎn)生直接影響。和普通建筑相比，采用被動式的技術(shù)會大幅地降低相同氣候條件下超低能耗公共建筑的冷熱需求，進而降低建筑的能耗。