寒冷地区超低能耗建筑节能性能提升的关键路径研究.pdf

建筑经济CONSTRUCTION ECONOMY第 44 卷第 S1 期2023 年 7 月Vol.44 No.S1Jul.2023摘要：超低能耗建筑能够实现节能环保，符合双碳战略目标下建筑市场的发展趋势。针对寒冷地区超低能耗建筑，从供能设备选择和施工质量控制两个方面出发，提出提升超低能耗建筑节能性能的关键路径；并以保定某被动式超低能耗居住建筑为例，利用Energy Plus分析实施关键路径后的建筑能耗特性，计算结果显示其全年相对节能率为57.67%，节能效果良好。关键词：超低能耗住宅；热回收换热器；空气源热泵；新风系统；能耗模拟中图分类号：TU201.5文献标识码：A文章编号：1002-851X（2023）S1-0379-05DOI：10.14181/ki.1002-851x.2023S1379Research on the Key Path to Improving the Energy-saving Performance of Ultra-low Energy Buildings in Cold RegionsWANG Yanjun1，SHAO Zenghui1，GAO Ruiguo1，XU Jizheng1，TIAN Zhimin2，SHI Guohua2（1.Hebei Construction Group Co.，Ltd，Baoding 071000，China；2.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）Abstract：Ultra-low energy buildings can achieve energy conservation and environmental protection，which is in line with the development trend of the building market under the dual carbon strategy goals.This article focuses on the selection of energy supply equipment and construction quality control for ultra-low energy buildings in cold regions，proposing a key path to improve the energy-saving performance of ultra-low energy buildings.Taking a passive ultra-low energy residential building in Baoding as an example，Energy Plus was used to analyze the energy consumption characteristics of the building after implementing the above path，and the calculation results show a relative energy-saving rate of 57.67%throughout the year，indicating a good energy-saving effect.Keywords：ultra-low energy consumption housing；heat recovery exchanger；air source heat pump；fresh air system；energy consumption simulation1引言被动式超低能耗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，采用高效新风热回收技术，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。随着我国近几年被动式超低能耗建筑的飞速发展，绿色建筑理念也逐渐得到人们的认可，越来越多学者致力于建筑节能，降低建筑负荷等方面的研究当中。王选等人对被动式超低能耗居住建筑太阳能集热系统进行优化研究，经过优化的太阳能新风系统不仅能够承担建筑的新风负荷，在一定的太阳能保证率的条件下还能承担生活热水负荷。邹芳睿等人利用敏感性分析原理*基金项目：河北省重点研发计划项目“装配式钢结构住宅超低能耗关键技术研发与应用”（20376201D）作者简介：王砚君，高级工程师，学士，主要研究方向：新风热回收 技术。寒冷地区超低能耗建筑节能性能提升的关键路径研究*王砚君1，邵增会1，高瑞国1，许继峥1，田志敏2，时国华2（1.河北建设集团股份有限公司，河北 保定 071000；2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003）建 筑 经 济2023年380得出了各设计指标对能耗结果的影响权重，结果表明：天津地区被动式超低能耗建筑在设计方法上应着重关注外窗综合得热系数的选取、新风热回收效率的提升以及外墙传热系数。陈强结合山东地区的现状及示范工程，围绕围护结构热工设计、通风与空调系统设计、采光照明和遮阳设计等关键技术方面提出相应策略，提出了被动式超低能耗建筑施工方法、测试、工程认定和运营管理各阶段的节能技术要点。我国建筑运行能耗占社会总能耗的22%，在各类建筑运行能耗中，供能系统用能占比接近40%；围护结构传热能耗占建筑能耗60%-75%。因此，控制建筑运行能耗是非常必要的。为了保障超低能耗建筑运行阶段的节能特性，本文结合寒冷地区气候条件，分析并给出了供能设备选择和施工质量控制两方面的路径建议关键路径，并以寒冷B区（河北省保定市）某超低能耗居住建筑为研究对象，利用EnergyPlus研究其采用关键路径后的建筑能耗特性。2供能设备选择超低能耗建筑本身具有较好的气密性，为保证室内空气质量，室外的新风必须经过新风热交换机组进行过滤与换热后输送到室内，并通过空气源热泵供暖制热，满足人体舒适度。因此，选取合适的新风系统及空气源热泵能够很大程度上降低建筑能耗，提高建筑经济性。2.1新风系统超低能耗建筑的舒适性很大程度依赖于新风空调系统，且由于超低能耗建筑具有良好隔热性能和气密性，新风负荷占空调总负荷比重很大，因此，选择高效的新风热回收换热器、合适的滤网及风管流速，可降低新风系统运行能耗，对于超低能耗建筑的节能特性提升非常重要。（1）新风热回收器选用建议如表1所示，按工作原理不同，新风热回收换热器可分为转轮式、板式、溶液循环式、热管式和溶液吸收式，各类新风热回器工作特性、运行参数、使用场合、适用工况各不相同。板式及转轮式新风热回收换热器在热回收效率、初投资、温差适应性、运行能耗方面具有明显优势。同转轮式相比，板式串气可能性低，且无转轮转动所需电耗。在寒冷地区，虽然显热回收与全热回收节能效果接近，但全热回收可降低新风热回收装置的结霜概率，因此，寒冷地区超低能耗居住建筑建议采用板式新风热回收换热器。（2）新风滤网建议大部分寒冷地区空气中含有较高浓度粉尘，新风热回收系统内部常设置滤网，以防止大气颗粒物进入室内，影响人体健康。但随着时间推移，滤网上积尘增多，不仅使风机电耗增大，而且也存在积尘进入室内造成二次污染的风险。因此，寒冷地区超低能耗建筑建议采用过滤网自清洁技术（微颗粒凝聚技术、滤网自清洁技术），延长滤网使用寿命，降低新风系统运行能耗。（3）运行建议根据 被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）规定，热回收装置单位风量风机耗功率应小于0.45W/（m3/h）。为满足规定要求，可通过加大风管截面降低热回收装置内通风系统沿程阻力损失，综合考虑风管投资成本和风机运行成本，寒冷地区超低能耗建筑室内主风管设计风速建议取2.5m/s，支风管设计风速建议取1.8m/s。寒冷地区供暖季长，超低能耗建筑在供暖季的节能特性显著。但是，由于超低能耗建筑围护结构隔热性能良好，供冷季室外温度较低时，室内的热量难以透过围护结构传递到室外，建筑节能特性不明显。因此，建议在供冷季室外温度较低时，可以通过提高新风系统的送风量，送入室外温度较低的新风，降低供冷季空调系统的运行负荷，提升超低能耗建筑在供冷季的节能率。2.2冷热源选择空气源热泵将室外环境作为冷热源，冬季从环境空气取热，夏季向环境空气放热，无冷却水系统，机组放置于室外不占用建筑室内空间，能够高效和可控地供暖制冷，具有良好的降碳经济效益。表1各种换热器性能比较类型转轮式板式溶液循环式 热管式 溶液吸收式用途民用/工业民用民用工业工业能量回收形式 显热/全热 显热/全热显热显热全热热回收效率优好一般一般好串气可能性可能极少无无无温差适应性优优一般一般一般接管方便程度一般一般优一般一般系统稳定性优优一般优一般运行能耗小小较大小较大初投资小小大较大较大综合回收效果优好一般一般一般第 44 卷第 S1 期381（1）寒冷A区寒冷A区最冷月平均气温一般为-100，空气源热泵能效比衰减较快，普通型空气源热泵在-10下将无法工作。建议在寒冷A区超低能耗建筑采用运用喷气增焓技术的空气源热泵。这是因为，同普通型空气源热泵相比，喷气增焓压缩机增加了一个吸气口，从过冷器回来的气态制冷剂进入吸气口达到压缩机的中间腔，降低了中间腔的温度，进而降低了排气温度和排气过热度，提高了冷凝器的换热效率，且冷凝温度和蒸发温度间温差越大，运行性能越好。（2）寒冷B区寒冷B区最冷月平均气温一般在0左右，空气源热泵结霜问题不严重。因此，寒冷B区超低能耗居住建筑采用普通型空气源热泵。3施工质量控制寒冷地区超低能耗住宅建筑施工质量对建筑物后期运行能耗影响很大，尤以管道及外墙保温、门窗施工为关键因素。3.1管道保温施工管道保温主要是针对超低能耗建筑中空调系统的冷热水管道。良好的管道保温，不仅可以减少热媒或冷媒输送过程中的热损失，提高供能系统的节能性能；而且可以在供冷期，当室内露点温度低于冷媒温度时，防止出现管外凝露的问题。对于超低能耗建筑，空调系统中冷热水管道保温建议采用橡塑保温材料。因为，橡塑保温材料属于闭孔弹性材料，具有柔软、耐曲绕、不吸水、不结露、耐寒、耐热、阻燃、防水、导热系数低、减震、吸音等优良性能。但是，由于橡塑保温材料的柔软特征，切割时的切口不容易平直，切口误差较大，这导致超低能耗建筑在后期运行中发生保温层覆盖不严、结露、冷/热量损失等问题。因此，在橡塑保温施工过程中，务必采用保证切割质量的装置，保证管道保温施工质量。3.2外墙保温施工对于超低能耗建筑，通过墙体散失的冷/热量占到总冷/热量损失的1/3以上。因此，外墙保温施工至关重要。在寒冷地区超低能耗建筑外墙保温施工过程中，务必要重视以下两方面：一是对建筑节点构造和热桥进行处理，减小热桥对建筑能耗的不利影响；二是保温层应由地面向下延伸至冻土层以下。此外，为了保证建筑后期运行具有良好节能特性，还应检查墙体平整度，若墙体不平整，可利用膨胀钉结合点边粘贴法固定保温板。随着外保温材料厚度的增加，外墙传热系数降低，在供暖期有效保温降低建筑全年单位面积热负荷的同时，也导致供冷期向室外散热不利，进而增加了建筑全年单位面积冷负荷。因此，在实际工程应用中，应该考虑围护结构厚度限制和保温成本，合理确定保温材料的厚度。3.3门窗施工门窗缝隙造成的热损失约占建筑能耗的10%。对于寒冷地区超低能耗建筑，建议选择双框双玻窗，减少通过窗户造成的热损失。在施工过程中，还应做好窗框和窗扇之间的密封，减少冷空气的渗透，提高建筑的气密性。此外，可使用发泡胶填充门窗框与墙体间的缝隙，使墙体与门窗间形成弹性连接，并采取有效预防渗水措施，以免影响建筑的保温性能。4能耗模拟4.1建筑信息为了定量评价上述关键路径对超低能耗建筑节能性能提升的有效性，本文以寒冷B区河北省保定市某被动式超低能耗居住建筑为例，使用EnergyPlus建筑能耗模拟软件分别建立设计建筑能耗模型和参照建筑能耗模型，分析该超低能耗居住建筑的一次能源使用量及其相对节能率。为了衡量该超低能耗居住建筑的节能性能，本文将节能率定义为：建筑运行过程中，与参照建筑相比，超低能耗居住建筑节约能源量与参照建筑能源消费量之比。超低能耗居住建筑和参照建筑的空调系统形式如表2所示。表3具体给出了该超低能耗居住建筑所采取的施工控制技术。4.2结果分析（1）负荷指标经EnergyPlus能耗模拟研究表明，该建筑全年冷负荷为70265.03kWh，全年热负荷为37603.92kWh，全年单位面积冷负荷指标和热负荷指标分别为21.31kWh/（m2a）和11.55kWh/（m2a），远低于规范要求的冷热负荷指标。表2供暖、空调和新风系统性分类超低能耗居住建筑参照建筑供冷末端风机盘管+新风风机盘管+新风供热末端风机盘管+新风地暖+新风新风形式全热热回收效率75%无热回收冷源形式户式空气源热泵机组户式空气源热泵机组热源形式市政供热王砚君，等寒冷地区超低能耗建筑节能性能提升的关键路径研究建 筑 经 济2023年382（2）保温材料分析超低能耗建筑的冷热负荷受到围护结构保温性能和蓄热性影响。本文以图1所示的超低能耗居住建筑为例，研究不同外墙保温材料及厚度（100300mm）对超低能耗建筑空调负荷的影响。研究选用的两种外墙保温材料的物理性质如表4所示。能耗模拟结果如图1和图2所示。由图1和图2可见，随着外保温材料厚度的增加，外墙传热系数降低，建筑全年单位面积冷负荷不断升高，建筑全年单位面积热负荷逐渐降低，而建筑全年单位面积总负荷降低。这是因为随着保温材料增厚，围护结构保温隔热性能的提升，阻碍了室内外之间的热量传递，因此，供冷季冷负荷增加，而供暖季热负荷减少，但是对于寒冷地区超低能耗居住建筑，冷负荷的增加量远小于热表3主要热工参数部位名称超低能耗建筑参照建筑外墙构造200mm加气混凝土砌块+200mm硬泡聚氨酯200mm加气混凝土砌块工艺特点保温层由地面向下延伸0.9m；防火隔离带为300mm宽/200mm厚的岩棉条；金属构件与墙体间垫装高强度聚氨酯隔热垫块传热系数0.13W/（m2K）0.49W/（m2K）外窗构造5Low-E+16Ar暖边+5Low-E+16Ar暖边+5C4+12A+4工艺特点三玻铝包木窗；半内嵌安装；保温板覆盖窗框传热系数1.0W/（m2K）2.30W/（m2K）屋面构造120mm钢筋混凝土楼板+220mm挤塑聚苯板120mm钢筋混凝土楼板+70mm挤塑聚苯板工艺特点与外墙间设有500mm宽岩棉板，确保保温层连续传热系数0.16W/（m2K）0.45W/（m2K）表4外墙外保温材料参数外墙保温材料 导热系数W/（mK）密度 kg/m3比热J/（kgK）岩棉板0.04140230XPS板0.033221500图1不同厚度外保温材料下建筑全年单位面积冷/热负荷图2不同厚度外保温材料下建筑全年单位面积总负荷负荷的减小量。由于XPS板蓄热能力强于岩棉板，所以，使用XPS板作为外保温的超低能耗建筑冷负荷较大，热负荷较小，比岩棉板更具节能优势。值得注意的是，随着保温层厚度增加，建筑的空调负荷变化趋缓。（3）季节特性分析本文分别以1月15日、4月15日和7月15日作为供暖季、过渡季和供冷季的典型日，比较超低能耗建筑和参照建筑的供冷和供热能耗，图3展示了气候变化对寒冷地区超低能耗居住建筑节能特性的影响。由图3a）可知，在供暖季典型日，超低能耗建筑全天能耗波动较为平缓，每小时平均能耗为31.63kWh；参照建筑全天用能水平差异显著，日间每小时能耗约为138.97kWh，夜间每小时能耗约为62.11kWh。超低能耗建筑在供暖季具有显著的节能性能，单日节能率约为70%。由图3b）可知，在过渡季典型日，超低能耗建筑单日能耗为96.44kWh，而参照建筑单日能耗为130.63kWh，超低能耗建筑单日能耗比参照建筑低34.19kWh。由图3c）可知，在供冷季典型日，超低能耗建筑单日能耗为555.76kWh，参照建筑单日能耗为585.63kWh，超低能耗第 44 卷第 S1 期383建筑单日耗能比参照建筑低27.87kWh。与供暖季典型日相比，在过渡季典型日和供冷季典型日，超低能耗居住建筑节能率略低，分别为35.45%和5.37%。此外，各典型日内超低能耗居住建筑的能耗波动低于参照建筑，尤其是在供暖季。（4）能耗分析经过EnergyPlus对该超低能耗建筑能耗模拟计算，设计建筑与参照建筑全年供暖、供冷和照明的各类分项能源消耗详见表5。设计建筑使用高效新风热回收气源热泵供冷供暖技术，高性能的保温材料和外窗。根据EnergyPlus对比参照建筑，被动式超低能耗设计建筑相对节能率在55%以上，具有良好的经济效益。5结论针对寒冷地区超低能耗建筑，本文研究超低能耗建筑降耗主要路径，得到以下结论：（1）在超低能耗住宅建筑中新风热回收器应用板式及装轮式换热器比其它型式换热器具有明显优势；在超低能耗建筑新风系统采用过滤网自清洁技术可降低新风系统运行能耗；新风系统设计方面严格控制并尽量减小单位风量风机耗功率，优化风管布置。在寒冷A区选用带喷气增焓技术的空气源热泵比常规热泵能够显著提高制热效率。（2）在施工优化过程中，严格控制管道、外墙保温及门窗施工质量，最大程度减小建筑能量损失。参考文献1 倪海峰，陈志国，惠超微.被动式超低能耗住宅新风空调混合送风系统研究与实践J.墙材革新与建筑节能，2019（5）：42-44.2 王选，孙峙峰，袁静，等.被动式超低能耗居住建筑太阳能新风系统的应用分析及其优化设计J.建筑科学，2017（2）：107-112.3 邹芳睿，宋昆，郭而郛，等.基于天津地区的被动式超低能耗建筑指标体系研究J.建筑科学，2018（6）：49-55.4 陈强.山东地区被动式超低能耗建筑节能研究D.济南：山东建筑大学，2016.5 周敏，杨若溪.“碳中和”下建筑全过程绿色能源发展初 探J.智能建筑，2021（6）：27-31.6 孙峙峰.绿色建材 新风热回收及净化系统评价技术导则及 建筑门窗评价技术导则 工作研讨会召开J.暖通空调，2016（11）：104.7 贾琳琳.北方寒冷地区大气颗粒物污染特征及源解析研 究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.8 赵鹏瑞，鱼欣媛.新风系统在居住建筑类被动房中的应用探讨J.建设科技，2018（13）：48-53.9 魏玲，何嘉鹏，阎丽萍.中国东部窗户能耗模拟及节能分 析J.南京工业大学学报（自然科学版），2002（4）：70-73.图3不同典型日超低能耗居住建筑和参照建筑的逐时建筑能耗表5设计建筑与参照建筑全年供暖、供冷和照明的分项能耗分类设计建筑（kWh/（m2 a）参照建筑（kWh/（m2 a）电耗一次能源消耗 电耗 标准煤 一次能源消耗供暖12.0831.4218.4338.58144.33供冷11.7130.4312.2831.92照明9.9625.8911.9531.07一次能源总耗量87.74207.32相对节能率57.67%王砚君，等寒冷地区超低能耗建筑节能性能提升的关键路径研究