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 引言 江苏省住房城乡建设厅于2021年发布的《江苏省十四五”绿色建筑高质量发展规划》，明确提出到2025年新建超低能耗建筑总面积达到500万m2的工作目标。 超低能耗建筑可以充分利用当地的自然条件、气候环境，实现天然采光、自然通风，釆用高性能围护结构，保温隔热、提高气密性，降低制冷和采暖能耗。 超低能耗建筑在环境适应性、空气流通性、置身舒适性、能耗节约性等方面均具有显著优势，符合我国政府倡导的绿色低碳、可持续发展的经济理念，是当前和未来建筑标准的发展方向[1]。 2021年底，作为无锡市规模最大、江阴市第一座的超低能耗建筑，绿建三星江南大学行政楼开工建设。本文以该项目暖通空调设计为例，在满足夏热冬冷地区以制冷为主，兼顾供暖和除湿需求的前提下，从分析室外气象条件、提升围护结构性能、优化暖通空调系统等方面，探讨办公楼实现超低能耗建筑的技术方法，为无锡地区公共建筑超低能耗建筑的实施提供技术参考。 #1项目概况该行政楼位于江苏省江阴市，地处霞客大道以西、府前路以北、芦塘路以东、北环路以南；地上4层，地下1层，地上建筑高度17.85m，建筑面积3979平方米；该建筑平面呈L型，布局规整，体型系数0.25，综合平均窗墙比0.39。平面功能房间为办公室、会议室、接待室、服务大厅等。建筑南侧西侧的效果图、北侧、东侧的模型图分别如图1所示。高校行政楼，在严寒酷暑的1月、7~8月为寒暑假时间，此时间段恰好规避了空气源热泵机组在夏热冬冷地区运行效率最低的气象时段，为实施超低能耗建筑提供了有利条件。   图1江南大学江阴校区行政楼 #2能耗分析2.1气象要素特征江阴市处于夏热冬冷地区，属于亚热带温润季风气候，年平均温度16.9℃，其中7月份平均温度29.6℃，1月份平均温度为2.9℃， 江阴的气候特征是冬季寒冷，夏季高温高湿，6、7月份梅雨期期间湿度特别高。所以本项目建筑对冬季采暖、夏季降温除湿有非常明确的需求。室外空气的热湿状态带来的建筑热环境并不能满足人体的舒适要求，这也是计算空调能耗的先决条件。 基于ECMWF（欧洲中期天气预报中心）发布的ERA5[2]气候再分析资料，以2021年为例，根据地面2m高度的日最高气温、日最低气温、日平均干球温度、日平均湿球温度等气象要素分析江阴地区地面大气的温度、湿度环境特征。  由上图可见，江阴地区最低气温出现于1月上旬，可达-8.20℃；最高气温出现于7月中旬，可达35.06℃。30℃以上高温气温，从5月份上旬开始至10月中旬结束；5℃以下低温气温，上半年至3月中旬结束，下半年从11月中旬开始。从气温的变化情况分析，5月份和11月份，气温升高、降低的变化幅度最为剧烈；从干湿球温度的差异情况分析，冬季的空气湿度总体上小于夏季，但冬季也存在很多高湿度的天气。表明江阴地区总体上处于夏季湿热，冬季寒冷，且湿冷天数较多的气候环境之中，因此对建筑物的冬季供暖、夏季制冷都有一定的要求。 2.2围护结构性能本着近零能耗建筑“被动优先的原则”，本项目建筑围护结构的的热工性能进行了严格加强设计。外墙采用200mm厚、导热系数λ=0.480W/(m.K)的烧结淤泥多孔砖；外墙和屋面外保温均为150mm厚聚氨酯；外窗窗框型材采用8WG75系列铝合金聚氨酯窗，采用三玻两腔充氩气夹胶钢化玻璃，保温隔热性能是普通双玻中空玻璃的4倍，能达到 35dB 以上降噪效果，也可以很好的抵御紫外线的透射。 本工程选用的外窗、外门、户门的气密性均满足规范《建筑外门窗气密，水密，抗风压性能分级及检测方法》（GB/T 7106-2008）规定的8级要求；建筑幕墙气密性均满足规范《建筑幕墙、门窗通用技术条件》（GB/T31433-2015）规定的4级要求。本工程采用铝合金百叶可调外置遮阳，既能够减少夏季辐射得热，降低冷负荷，又可以兼顾冬季得热[3]。不透明围护结构和透明围护结构热工参数如表1和表2所示。 表1 不透明围护结构热工性能 表2 透明围护结构热工性能 2.3能耗分析本工程室内空气设计参数取值如下表3所示。本工程采用北京绿建软件股份有限公司的暖通负荷软件进行逐时冷、热负荷计算，夏季空调总冷负荷为223.7KW，冷负荷指标56.08W/m2；冬季空调总热负荷为196.2 KW，热负荷指标49.17 W/m2；最大冷负荷时刻均发生在14:00；按照楼层统计的夏季冷负荷汇总表，如表4所示。 表3 室内设计参数 表4 各层冷负荷指标分析表 本工程采用北京绿建软件股份有限公司的超低能耗软件进行能耗模拟计算，其中将1月15日至2月15日定义为寒假时间，7月15日至8月25日定义为暑假时间，空调负荷分项柱状图如图2所示；逐月耗冷暖需求、冷热负荷峰值折线图如图3所示；建筑能耗构成占比示意图如图4所示。 通过模拟计算得出，本工程年耗冷量为28.73KWh/m2，占整体建筑能耗的57%，占比最大，而年耗热量的占比最低；与常规建筑相比，本工程的新风负荷占比明显升高，而围护传热和窗日射等的负荷占比则大大降低；本工程的冷负荷峰值出现在8月，而耗冷需求的峰值则出现在9月；本工程的热负荷峰值出现在1月，而耗热需求的峰值则出现在3月；这些结论又进一步印证了气象条件、围护结构热工性能以及高校寒、暑假特点等因素可有效降低空调能耗。   #3暖通空调系统3.1空调系统设计本工程每层均设置独立的双级高效热回收型新风机组，其设计参数如表5所示。每台新风机组内设置两级表冷器，一级表冷除湿比例90%，二级表冷除湿比例为10%，内置一套直膨压缩循环，机组设置了板翅式热回收联合冷凝热回收，显热回收效率不低于75%，其工作原理图如图3所示。新风机组除了负担自身新风冷负荷外，还可负担部分室内冷负荷和全部的湿负荷。 空调系统采用高效热回收型双级直膨新风机组热回收，辅以变冷媒流量变频多联式空调机组，过渡季节和冬夏季，优先采用室外新风进行风系统免费供冷供热，当室外新风焓值不满足要求时，开启全热交换新风机组压缩机进行供冷供热。 1-4层楼每层热回收型新风机组的参数如表5所示当新风负荷也不满足时，开启多联机进行空气调节。压缩机多联式空调机组制冷综合性能系数IPLV（C）大于6，系统灵活启闭，运行高效，本项目在多联机设计过程中，考虑到本办公楼的人员不可能同时出现在办公和会议室的特点，刻意将每层办公和会议尽量合用一个系统，室内外机连接率控制在接近1.3以下，以减少VRV室外机的装机容量。 在夏热冬冷地区的梅雨季节，室内闷热潮湿，且公建需考虑渗透风带入室内湿量，采用具备较强除湿能力的二级直膨除湿新风机组，热交换器采用板翅式热回收，系统设置冷凝热回收装置，可实现免费再热，能提供17-23℃、6g/kg干空气的温暖、干燥风，其空气处理过程如图4所示。 并在装修二次设计过程中，严格避免送风口对着固定座位的办公人员正上方吹送，最大限度提高室内送风舒适度。 在过渡季节，室外温、湿度适宜时，可仅通过新风机组承担室内全部的冷负荷和湿负荷，实现全新风直流工况，达到高效节能的目的。同时这也与新冠疫情常态化防控期间，空调系统运行策略相吻合，既保证室内适宜的热湿环境，又满足安全、卫生需求。 该办公楼空调系统设计理念与运营方式充分体现了超低能耗建筑的“主动优化”的精神。 表5 1-4层新风机组参数选型 3.2通风系统设计本工程根据每层功能房间人员的新风量要求，新风量除三层为4000m3/ｈ外，其余每层均为3000m3/ｈ，新风口设置在房间靠近走道一侧处，减少新风管线长度，降低新风机组的机外余压。为了降低空调负荷，保证整栋建筑微正压状态，按照75%送风量的比例确定排风量。 在普通建筑中，公共卫生间的排风在超低能耗建筑中所占用的比例较大，尤其在热负荷中占1/4-1/3的比例。因此在超低能耗公共建筑中，需要把公共卫生间排风纳入到整体通风考虑。每层公共卫生间按10次/h的换气次数设置机械排风，排风量为950m3/ｈ，在保证卫生间排风独立支路和卫生间负压的前提下，将各层卫生间排风纳入到各层的整体排风热回收系统，其余每层排风口设置在会议室等人员密集场所的房间内侧以及走道等公共过流区[4]。 热回收型双冷源新风机组中新风与排风各自独立通道，实现换热不换质，保持室内卫生和正压，保证卫生间排风不会串味。 为了有效保证建筑的气密性，减少室内外空气流通，本工程每层独立的送排风管道均通过管井接至屋面对应的热回收型双冷源新风机组，减少外围护结构的开洞，保证其优秀的热工性能。 新风机组的新风入口及排风出口均安装电动密闭型保温阀，与机组连锁启闭，开启时先开电动风阀后启动风机，停机时顺序相反，又进一步保证建筑的气密性。 3.3主动降低能耗措施及空气质量监测本工程除办公室外，有主要功能房间会议室和财务服务大厅等人员密集场所。本工程在各个房间距离地面1.5m处设置空气质量传感器和颗粒物浓度监测传感器，在一层门厅出入口处设置实时监测数据显示屏，实时显示室内温度、相对湿度、CO2浓度等，实时监控室内甲醛、PM2.5、PM10等各项参数，同时，实现超标实时报警和联动变频新风机组，保障室内空气健康、含氧量充足，温湿环境适宜。 热回收型双冷源新风机组的送风口处安装风量传感器和风量控制阀，监控实际新风量与设计值的偏差；新风机组送风口处设置初效G4和中效F7两级空气过滤净化器，新风机组空气净化装置对≥0.5μm细颗粒物的一次通过计数效率宜≥80%，提高室内的空气品质，使得室内PM2.5年均质量浓度不高于25μｇ/m3 ，PM10年均质量浓度不高于50μｇ/m3。 #4其他超低能耗建筑措施简介本工程建筑屋顶设置250m2的光伏阵列，采用多晶太阳能电池板，装机容量为31.25KW，光伏系统年发电量为33215KWh，计划实现光伏发电和该建筑并网运行，体现了超低能耗建筑“发展可再生能源”的精神。 在墙体连接、穿外墙和屋面的管道固定件的安装等施工过程中，尽量减少系统性热桥，避免产生不必要的热桥，无法避免处将线状热桥转换为点状热桥；在外门窗安装、围护结构洞口及屋面檐角等气密性处理关键的部位施工中，严格完成气密性测试，如若发现薄弱环节，需改善补救，增强整体建筑的气密性。 #5结语通过该项目的时间，获得几点启示： 1）超低能耗建筑引发的室内空调能耗的极大降低，导致需要容量更小的水系统末端或VRF末端设备相对应，产品研发部门需关注到这一点，并生产出容量更小的末端设备与超低能耗建筑相适应； 2）超低能耗建筑需要各个专业尤其是建筑、暖通专业大胆地设计、小心地求证、认真的选材、综合考虑能耗降低的技术措施，才能设计出优异的建筑产品，对暖通专业而言，首先得仔细分析空气处理过程，然后才是选产品，这才是优秀的暖通设计过程； 3）该项目有会议室等不常用房间，新风系统的如何做到按需供给；可否加大新风量及排风量，并采用变频调节，在过渡季节正真做到风系统的免费供冷仍然是需要后续研究的课题。 4）从负荷分析来看，新风负荷在冬夏季所占比例较大，对于此类建筑来说，今后类似建筑进一步节能的重点可以放在新风负荷的进一步降低上。 随着全球推动实现碳达峰、碳中和的目标，随着超低能耗技术的不断探索，必然将有越来越多的超低能耗建筑乃至近零能耗及零能耗建筑落地，可降低能源消耗，提高综合经济效益和社会效益，对中国社会健康发展具有深远意义。该高校行政楼超低能耗建筑的设计、实施，为类似项目积累经验和可参考的样本，希望带动无锡市建设低能耗教育建筑的积极性。 参考文献： [1]近零能耗建筑技术 徐伟 编著 [M] 北京：中国建筑工业出版社 2019年 [2]ECMWF Reanalysis v5, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, https://www./en/forecasts/dataset/ecmwf-reanalysis-v5 [3]超低能耗建筑设计原理 司大雄 崔国游 陈先志 主编 [M] 北京：中国建筑工业出版社 2011年 [4]韩武松 宋占寿 赵刚 北京市某被动式超低能耗幼儿园暖通空调系统设计[J] 暖通空调，2021，51(7):72-77 [5]撒世忠 陆卫锋 某办公楼干盘管空调系统新风处理过程的探讨[J] 江苏建筑，2021，第五期（总第215期），115-117 作者介绍： 王红星，女，1987年3月生，动力工程及工程热物理工学硕士，暖通高级工程师，注册公用设备工程师 撒世忠，男，1975-，土木工程工学学士，暖通工学硕士，高级工程师，注册公用设备师（暖通空调），发表学术论文36篇 |
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