严寒和寒冷地区 ▎被动房负荷特性及空调系统优化

 0 引 言 

在严寒和寒冷气候区，冬季采暖能耗最大，但可再生能源的利用率却很低。改善能效水平能在可再生能源利用率低的情况下，降低建筑对化石能源的需求量，通过减小内墙表面与室内环境的温度差，提高室内热舒适性；同时，增设空气处理设备优化室内新风环境，并降低能源成本。

被动式超低能耗建筑简称被动式建筑，起源于20世纪90年代的德国，其理念是在极低的建筑供暖及制冷需求的基础上，实现舒适度的最优化，并充分利用可再生能源，是建筑热舒适性的最优解决方案之一。此外，被动式建筑外围护结构优良的保温隔热性能及建筑气密性，使得采暖季仅凭设备散热和人体产热即可维持舒适室内气候，相比于传统建筑，可以节约80%～90% 的供暖与制冷能耗，使建筑性能提升5～10倍，具有巨大的节能潜力。

在理论研究方面，徐伟等通过探究国际现存被动式建筑标准体系，为我国被动式建筑的发展奠定了理论基础。于震等概述了中国被动式建筑的发展历程和重点示范工程，对被动式建筑的发展方向进行展望。Wolfgang Feist 等通过湿热动态模拟表明，在世界上所有相关气候区都有可能实现被动式住宅。冯国会等以沈阳建筑大学近零能耗建筑示范中心为例，通过节能率及敏感性分析两方面对外围护结构进行评价，结果表明，对建筑能耗影响程度由大到小依次为窗墙比、外窗传热系数、外墙传热系数。史芸桐等以哈尔滨市、沈阳市和北京市为代表城市，利用DeST分别建立居住、办公建筑模型，对基准建筑与近零能耗建筑进行模拟，分析热负荷与供暖时间的变化规律。

在“双碳”目标的驱动下，我国还将在“十四五”期间大力发展被动式建筑，江苏省提出到2025年，所有新建建筑均采用被动式建筑技术进行设计施工。被动式建筑能够实现建筑领域“碳中和”、减少碳排放，是未来节能建筑的发展方向和必然趋势，其高能效引起了我国建筑业的广泛关注。

笔者借助DeST-C软件分别对严寒和寒冷地区的办公建筑进行模拟，在我国寒区气候条件下建立被动式建筑模型，将其与基准建筑进行对比，分析其负荷变化规律及自然采光对建筑全年能耗的影响。此外，笔者将乌鲁木齐市作为我国严寒地区代表，对4种方案下的空调冷热源配置进行优化设计。此研究对严寒和寒冷地区新建被动式超低能耗办公建筑的实施具有参考价值。

1 模型建立

1.1 建筑概况

该办公建筑地上共6层，长34m、宽16m、高4m，总建筑空调面积为2304m²，体形系数为0.225。其标准层平面图如图1所示，其中，设备用房和走廊为非空调区域，窗墙比为0.3。

图1 办公建筑标准层平面图

1.2 参数设定

基准建筑参数按照GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》设置。

（1）暖通空调（HVAC）系统运行时间为：采暖季连续运行，空调季仅工作时间运行，周末不运行；室内设计温度和相对湿度分别为采暖季20℃、30%，空调季26℃、60%。

（2）室内温散热参数设置如表1 所示。

表1 室内散热参数

（3）对被动式建筑采用可变新风（最小新风比为0.15、最大新风比为1）及75% 的显热回收装置，基准建筑无热回收设备。

（4）被动式建筑和基准建筑围护结构的参数设置如表2示。

表2 围护结构参数设定

（5）供冷供热系统设备选用1台制冷量为216.52kW的离心式电制冷机和1台制热量为544.99 kW 的燃气热水锅炉。

2 结果和分析

2.1 负荷及能耗分析

2.1.1 自然室温对比

笔者对乌鲁木齐市和北京市的基准建筑和被动式建筑全年自然室温变化进行对比，如图2所示。

图2 全年自然室温对比

由图2 及计算得出，乌鲁木齐市全年平均室外温度为7.14 ℃，基准建筑全年平均自然室温为12.57 ℃，被动式建筑全年平均自然室温为21.62 ℃；北京市全年平均室外温度为12.65 ℃，基准建筑全年平均自然室温为16.17 ℃，被动式建筑全年平均自然室温为23.70 ℃。

以1月为例进行分析。乌鲁木齐市1月平均室外温度为-12.45℃，被动式建筑的平均自然室温为8.51℃；基准建筑在1月开始时，自然室温就在0℃以下，1 月平均自然室温为-4.54℃。北京市1月室外温度比乌鲁木齐市高，平均室外温度为-3.83℃，被动式建筑在1月1日和1月31日的自然室温分别为12.91℃、12.25℃；基准建筑在1月1日和1月31日的自然室温分别为3℃、2.97℃。这表明被动式建筑由于其优越的建筑保温及高气密性，具有良好的蓄热性能，温度回升快，抵抗外界温度波动的能力较强。

2.1.2 空调负荷、性能指标对比

2 个典型城市建筑全年逐时单位面积负荷对比，如图3所示。

图3 全年逐时单位面积负荷对比

乌鲁木齐市和北京市建筑性能指标总结对比分别如表3和表4所示。

表3 乌鲁木齐市建筑性能指标对比

表4 北京市建筑性能指标对比

由图3及表3可知，乌鲁木齐市办公建筑冬季热负荷占主要部分。被动式建筑比基准建筑采暖季累计热负荷下降约64.5%，峰值热负荷下降约60.1%。被动式建筑的冷负荷与基准建筑相差不大，累计冷负荷约增30.1%，峰值冷负荷约减少30.3%。综合来看，被动式建筑比基准建筑全年累计负荷减少59.3%。由表4 可知，北京地区被动式建筑比基准建筑采暖季累计热负荷下降68.9%，峰值热负荷约下降62.2%；两类建筑累计冷负荷相差不大，被动式建筑累计冷负荷比基准建筑约减少18.9%，峰值冷负荷下降的比例约为45.6%。

2.1.3 建筑逐月能耗对比

乌鲁木齐市和北京市基准建筑和被动式建筑全年能耗波动如图4所示。

图4 建筑逐月能耗对比

两个城市建筑全年能耗进行统计如表5和表6所示。

表5 乌鲁木齐市建筑全年能耗统计

表6 北京市建筑全年能耗统计

由表5和表6可知，对于乌鲁木齐市而言，被动式建筑供热耗气量比基准建筑减少63.2%，夏季制冷能耗减少54.5%。在北京地区，总体上被动式建筑比基准建筑全年总能耗减少34.7%，其中，冬季供热耗气量减少66.0%，节约供暖费用124608 元，夏季制冷能耗减少46.7%。

2.2 乌鲁木齐市被动房围护结构热参数敏感性分析

2.2.1 气密性研究

通过改变被动式建筑与室外的换气次数来衡量气密性对负荷的影响，不同通风换气次数下的建筑负荷和建筑加湿量分别如图5和图6所示。

图5 不同通风换气次数下的建筑负荷

图6 不同通风换气次数下的建筑加湿量

不同的通风换气次数对建筑负荷有明显影响。由图5可知，随着气密性的升高，建筑热负荷在1－4月、9－12月显著上升。经计算，当围护结构换气次数为0时，建筑全年累计热负荷为209085.86 kW，而当围护结构换气次数为5次/h时，建筑全年累计热负荷为1635821.04 kW。气密性增加时，冷负荷在采暖季与过渡季波动不明显，在夏季显著增加，乌鲁木齐市夏天室外温度很高，增加的换气次数使制冷负担加重。由图6可知，通风换气次数增加时，房间逐月加湿量均上升。换气次数对建筑热负荷和湿负荷影响较为显著，建筑的采暖及制冷能耗随通风换气次数的增加而增大。

2.2.2 外墙传热系数

不同的外墙传热系数与建筑负荷和加湿量的关系如图7所示。

图7 不同外墙传热系数下的建筑负荷和加湿量

不同的外墙保温层厚度决定了通过非透明维护结构的热损，进而影响建筑的采暖和制冷能耗。由图7可知，低的外保温层厚度使建筑热负荷明显增加，导致更大的采暖能耗，且增长率随传热系数的增大而增大。计算得出，当传热系数从0.2W/(m²·K) 增至0.6 W/(m²·K) 时，建筑耗气量从5.06万m³/a增至5.62万m³/a，建筑空调耗电量由9.34万kW·h/a 增至9.65万kW·h/a。随着传热系数的变化，建筑的冷负荷及湿负荷并无明显波动。

2.2.3 外窗传热系数

建筑的冷、热负荷和加湿量随外窗传热系数的变化如图8所示。

图8 不同外窗传热系数下的建筑负荷和加湿量

由图8可知，外窗的传热系数对能耗也有影响，随着外窗传热系数增大，采暖及制冷能耗均增加。当传热系数由1W/(m²·K) 增大到2W/(m²·K) 时，建筑耗气量从5.05万m³/a 增至5.49万m³/a，建筑空调耗电量为从9.39万kW·h/a 增至9.56万kW·h/a。建筑的冷负荷及湿负荷随着外窗传热系数的改变并无明显波动。

2.3 自然采光对被动式建筑能耗的影响

自然采光对建筑领域绿色低碳转型有重要的现实意义。笔者以乌鲁木齐市为例，分析自然采光对被动式建筑全年能耗的影响，如图9所示。

图9 自然采光对被动式建筑全年能耗的影响

由图9可知，在不考虑自然采光的前提下，建筑全年累计照明耗电量为132273.15kW；在自然采光的作用下，建筑全年累计照明耗电量为119391.13kW。计算得出，考虑自然采光时，建筑全年节约照明能耗为12882.02kW，约节省电费5024 元[乌鲁木齐市电费取0.39 元/(kW·h)]。

2.4 空调系统方案设计

根据乌鲁木齐市能源结构特征以及该被动式建筑负荷特点，拟采用4种冷热源方案进行探讨。

方案一为1台制冷量为216.52kW 的离心式冷水机组，1台制热量为544.99kW的燃气热水锅炉。

方案二为1台制冷量为216.52kW的螺杆式冷水机组，3台制热量为393.03kW的空气源热泵。

方案三为模拟计算采用DeST默认的VRF多联机型号及参数，在每层设置1套多联机系统，室外机在屋顶放置，依据各个房间逐时负荷及每层房间总负荷进行室内机、室外机选型，新风使用专用新风机处理。

不同方案的对比结果如图10所示。

图10 不同空调方案下的逐月能耗统计

由图10 可知，方案一的年耗电量为402900kW·h，年耗气量为49500m³；方案二的年耗电量为706000kW·h；方案三的年耗电量为553100kW·h；方案四的年耗电量为404400kW·h，燃煤82.43t。4种方案的能耗及经济性对比如表7所示。

表7 能耗及经济性对比

由表7可知，从能源消耗角度分析，采用VRF多联机系统更节能；从经济性角度分析，螺杆式电制冷机结合空气源热泵更经济。冷热源优化分析应依据建筑的不同功能、当地能源分配情况、空调系统运行状况的具体形式等条件而定，只有具体情况具体分析，才能合理应用现有能源，选出最合理的空调冷热源方案。空气源热泵省去锅炉，节省了很大空间，减轻了采暖对大气造成的污染，促进经济可持续发展；VRF空调系统自动化程度高，使用灵活，在中小型办公建筑领域有广泛的应用空间。

3 结 论

笔者以乌鲁木齐市和北京市为典型城市，分析被动式建筑在严寒和寒冷地区的节能潜力，得出如下结论。

（1）被动式建筑由于其优越的建筑保温及高气密性，具有良好的蓄热性能；对被动式建筑采用可变新风及75%的显热回收装置，能耗明显降低。

（2）乌鲁木齐市被动式建筑比基准建筑全年累计负荷减少59.3%，供热耗气量减少63.2%，CO2排放量减少63.2%，夏季制冷能耗减少54.5%，考虑自然采光时建筑全年节约照明能耗12882.02kW，约节省电费5024元；北京市被动式建筑比基准建筑采暖季累计热负荷下降68.9%，累计冷负荷比基准建筑约减少18.9%，总体上被动式建筑比基准建筑全年总能耗减少34.7%，其中，冬季供热耗气量减少66.0%，折合CO2排放量减少66.0%，节约供暖费用124608元。

（3）换气次数对建筑热负荷和湿负荷影响较为显著。外窗及外墙传热系数对建筑的热负荷影响较为显著，而建筑的冷负荷及湿负荷随着外墙及外窗传热系数的变化并无明显波动。

（4）对于乌鲁木齐市中小型被动式办公建筑而言，从能源消耗的角度来看，采用VRF多联机系统的总能耗更低；从经济性的角度分析，螺杆式电制冷机结合空气源热泵更经济。

4 结束语

笔者借助DeST建立办公建筑模型，以乌鲁木齐市和北京市为典型城市，分析被动式建筑在严寒和寒冷地区的节能潜力，对建筑围护结构的热参数进行敏感性分析，研究了不同传热系数的外墙和外窗及不同气密性对严寒地区建筑负荷的影响，并对乌鲁木齐市被动式建筑空调冷热源方案进行优化，以期为严寒和寒冷地区新建被动式超低能耗办公建筑的实施提供一定参考。