辰能 • 溪树庭院被动式住宅冬季暖通系统运行情况分析

哈尔滨工业大学 王昭俊 刘念慈 卢文靖

哈尔滨工业大学寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室   

王昭俊 刘念慈 卢文靖

黑龙江辰能同发置业有限责任公司  刘兆新 杨勤勇 冯雪山

哈尔滨市地处我国严寒气候区，冬季漫长且寒冷，供暖期长达180天，需要集中供暖设施营造舒适的人居环境，建筑供暖能耗较高。哈尔滨辰能•溪树庭院是由住房和城乡建设部与德国能源署合作开展的国际科技合作项目——中德“被动式低能耗建筑示范项目”，是我国在严寒地区推广低能耗建筑的“探路工程”。

1项目简介与设计理念

辰能•溪树庭院B4住宅楼位于哈尔滨市南岗区，地上11层，配有地下车库，共3个单元66户。图1、2为B4住宅远景及近景图。其设计采用德国的被动房技术，如高保温隔热隔音的建筑外墙、气密性强的节能窗等高性能围护结构、顶棚辐射供暖和供冷系统、置换式新风系统、土壤源热泵、生物质锅炉、同层排水系统等新技术与新材料，旨在为住户营造舒适节能的住宅环境^[1-3]。

图1辰能B4住宅楼远景

图2辰能B4住宅楼近景

1.1围护结构

图3外墙外窗结构图

该项目外墙、屋顶、首层楼板均采用厚度为300mm石墨EPS保温板，保温效果远好于普通住宅使用的苯板。建筑外窗采用单框三玻双Low-E铝包木窗，并在被动房水暖管线穿外墙有保温部分、透气管出屋面部分、雨水管固定件部分、电线盒安装部分等施工节点，及门、窗处设计内外密封带，进行密封处理，并设置宽度大于300mm的岩棉保温板。图3为外墙与外窗结构图。

经测试计算，被动房屋面及主墙面传热系数为0.11W/(m²·K)；窗户本体传热系数为0.73W/(m²·K)；房间气密性达到n50≤0.44次/h[4]。其围护结构性能实测值与德国被动房规定的指标对比如表1所示。

表1被动房围护结构性能测试结果

从表1中可以看出，除屋面传热系数略大于德国被动房设计标准，被动房围护结构其他各项性能参数均满足德国标准，说明该被动房围护结构的整体保温性能较好。

1.2暖通系统

1.2.1供暖/冷系统

图4天棚辐射供暖/冷系统示意图

图5楼板结构图

该项目采用顶棚辐射供暖（冷）系统，将管径为20mm的PB管（聚丁烯塑料管）埋设于混凝土楼板中，管间距为200mm或250mm，利用冷热水为介质，通过辐射与室内进行热交换。冬季设计供回水温度30/28℃或33/31℃，夏季设计供回水温度控制在20/22℃。冬季供暖室内设计温度为20℃，夏季空调室内设计温度为26℃。相比于传统的散热器供暖，辐射供暖环境中人体会感到更加舒适[5]。图4、图5为顶棚辐射供暖/冷系统示意图及楼板结构图[6]。

1.2.2通风系统

该项目围护结构密闭性较好，为满足人员新风需求，采用置换通风式新风系统。置换通风是以“低速、低位、低温差送风，高位排风”为原则，将低于室温的新风从房间下部低速送入房间，在室内热源热羽流的上升气流卷吸、后续新风推动及排风口的抽吸作用下，气流向上单向流动，类似于层流的活塞流。因此，室内空气分层，靠近地面区域的空气较洁净、温度也较低，上部室温较高。图6为置换通风系统示意图。

图6置换通风系统原理图

被动房内的新风口设置在卧室、客厅靠外墙和外窗的地面上，室内热空气上升，通过门上方的通风口汇入卫生间，从卫生间的排风口排出。置换式新风系统将室外新风先送入人员活动区，人体感知的室内空气品质更高，通风系统效率更高。

新风系统将室外空气经过滤等处理后送入室内，保持室内相对湿度在30%~60％范围内。该系统采用显热回收机组，新风和排风分别从板式换热器的两侧通过，交换显热，其热回收效率达75%以上。

1.2.3冷热源

该被动房住宅供暖热源拟用生物质锅炉，加热送入室内的新风和室内空气，以营造健康舒适的室内空气环境。

地下车库供暖系统拟采用地源热泵系统。夏季将土壤中的冷量取出，为空调系统提供7℃的冷冻水；冬季将土壤中的热量取出，为供暖系统提供45℃的热水。

2暖通系统实际运行情况测试结果分析

2.1供暖/冷系统实际运行情况

该被动房自2013年竣工投入运行后，由于生物质锅炉只为B4供暖，均摊的水电人工费较高，另外物业不能提供供暖发票。随后的供暖季，采用了市政集中供热热源替代生物质锅炉，入户前设置混水装置。土壤源热泵用于地下车库供暖。

2.2新风系统热回收效率

在实际运行中，新风系统由物业管理人员统一控制。物业管理人员根据天气、室内外温差及空气质量变化等情况，适当开启或关闭新风机组、调整风量，并规定如表2所示的新风机组开启时间。当春季室外气温较低、早晚温差大且室内已停止供暖时，尽量避免或减少在早晚开启新风机组的时间，或调整风量以保持较高室温。可在中午温度较高时段开启新风机组以保持室内空气清新；在大风及扬沙天气，关闭新风机组和新风阀避免室外浮尘进入室内；对于花粉及浮尘过敏住户，关闭其新风出口或加装过滤装置。

表2新风机组运行时间表

通过调研了解到，实际运行中，对于正常缴纳新风机组运行费的住户，其新风口阀门均处于始终开启状态。同时，于2015年供暖季课题组对该被动房新风系统的新风机组换热效率进行现场测试发现，新风机组热回收效率随着风机频率增大而降低，当风机频率大于30Hz时，满足人均最小新风量30m³/h的要求，频率为30Hz和40Hz同时满足显热交换效率≥75%的要求。频率为50Hz时，显热交换效率分别为70.77%，达不到相关要求。根据现行规范要求的换气次数0.5次/h，计算得到的人均新风量大于30m³/h，但换热效率不满足≥75%的要求[7]。因此，当冬季室外气温较低时，新风机组的效率也降低，导致供暖负荷增大、建筑能耗增加。

2.3室内环境质量

课题组于2015年至2019年供暖季对该被动房室内热湿环境进行了连续测试。2015年供暖季该被动房室内空气温度及相对湿度测试结果如表3所示[8]。

表3 2015年供暖季室内环境参数测试结果

从表3中可以看出，2015年供暖季平均室温25.5℃，超出热舒适上限值24℃[9]，同时高于供暖室内设计温度20℃[10]；相对湿度为31.3%，室内空气流速为0.05m/s，满足热舒适标准的要求；外墙内表面平均温度为23.4℃，外窗内表面平均温度为21.6℃。实测每户平均新风量为96.9m³/h，满足德国被动房标准要求。

课题组于2019年供暖季对该被动房的室内温度与相对湿度进行了连续测试，结果如图7所示。

从图7中可见，室内温度整体明显高于热舒适温度上限值24℃，且随供暖期的推进，呈现上升趋势，达到29℃以上；室内相对湿度在20%~55%范围内波动，前期湿度处于相对较高水平，在30%~55%范围内，随着供暖期的推进室内相对湿度呈现下降趋势，在20%~40%范围波动，相对湿度整体较低。2019年供暖季相对于2015年被动房平均室温升高2.4℃，而相对湿度升高4.9%。

图72019年供暖季室内温湿度测试结果

于2015年及2019年供暖季对该被动房的室内空气品质进行了测试，2015年测试结果如表4所示[8]。

表42015年供暖季室内空气品质参数测试结果

从表4中看出，2015年供暖季室内二氧化碳平均浓度为732ppm，低于我国标准限值1000ppm[11]；Pm².5浓度平均值92μg/m³，高于德国标准限值25μg/m³和我国标准限值75μg/m³[11]；PM10浓度平均值为112μg/m³，低于我国标准限值150μg/m³[12]，但高于德国标准限值50μg/m³；噪声为31.8dB，低于我国标准限值40dB，但高于德国标准限值25dB。

2019年连续测试结果如图8所示。

图82019年供暖季室内二氧化碳、Pm².5测试结果

从图8中可见，室内二氧化碳在400~900ppm范围内波动，平均值为643.4ppm，低于中国标准限值1000ppm，整体二氧化碳水平达标。室内Pm².5浓度受室外Pm².5浓度影响较大，平均值为65.3μg/m³，87%的时间室内Pm².5浓度高于德国标准限值25μg/m³，33%的时间高于中国标准限值75μg/m³。因此认为该被动房室内Pm².5浓度不符合标准，需要通过合理的措施改善室内空气质量。

3对暖通系统运行的思考与建议

3.1供暖/冷系统

室内设计温度为20℃，但实际运行中，平均室温达到了25.5℃，室内存在过热现象。一方面，由于原设计拟采用生物质锅炉自行供暖，实际运行中采用集中热源供暖，导致供水温度高于设计值。另一方面，即使供回水温度在设计范围内，室温也偏高。说明供回水温度设计值过高，建议降低供回水温度。

该项目设计的顶棚辐射盘管的布置采用蛇型，而目前采用回型布置方式较多。实际运行时发现采用蛇型布置时，顶棚不同部位的表面温差过大，室温分布不均匀，影响人体热舒适；且夏季供冷易产生结露现象。因此，建议后续类似项目设计时采用回型布置。另外，该系统管道直接埋于结构层内，若后期管道漏水，不易维修。前期进行施工时应注意采取水压试验等措施，确保系统安全运行。

3.2通风系统

实际运行中，冬季随着室外气温降低，换热效率降低，不满足75%的设计标准。即使室内新风量达到要求，但用户无法根据个性化需求，调节新风量及新风系统的启闭。在后续的低能耗建筑设计中，需要加强新风系统的人工干预和智能控制，提高系统热回收效率，同时为住户提供对新风系统的控制能力，使新风系统的运行更加个性化。

另外，送入室内的新风也存在颗粒物污染水平偏高的情况。这可能由于哈尔滨冬季室外气温过低、室内外空气温差太大、新风进入风管迅速冷凝，在换热器中结冰导致新风系统无法正常工作。在后续运行中，需要定时关闭新风系统让换热器解冻，或安装旁通风道等方式来实现新风系统的除霜功能。同时，在投资允许的情况下，鼓励安装智能升温的新风系统，根据室内外温湿度情况自动调节系统运行。

最后，对于新风系统的过滤效果较差的问题，应定期更换新风系统过滤器或者增设亚高效过滤器。必要时可在住户新风口增设压力传感装置，监测住户新风口过滤网过滤效果，根据实际情况及时更换过滤网。

3.3室内环境

测试发现，冬季室内温度过高，居民感到过热，且不舒适。如图9所示，-1表示稍凉，0表示热中性，1表示稍暖，2表示暖，3表示热。可见，冬季50%的居民感到“稍冷”、“中性”和“稍暖”，另50%的居民感觉“暖”和“热”。这表明半数居民感到过热，这意味着该建筑冬季的室温过高。正由于室温偏高，部分居民会开窗降温，增加了供暖能耗。因此，在后续的运行中建议降低供回水温度或循环水量，既节能又舒适。

图9冬季居民受试者热感觉投票分布图

4结论

通过对哈尔滨辰能•溪树庭院B4住宅楼暖通系统的运行效果分析后发现：

（1）该被动房围护结构具有较高性能，整体满足德国被动房设计标准要求。（2）该被动房冬季室温高于热舒适标准上限值24℃，50%的居民感到热。室温过高，湿度过低，室内热湿环境质量需进一步改善。建议运行中降低供回水温度或循环水量，既节能又舒适。（3）室内二氧化碳浓度达标，PM10浓度低于我国标准150μg/m³，但室内33%的时间Pm².5浓度高于我国标准限值75μg/m³。应定期更换新风系统过滤器或者增设亚高效过滤器，必要时可在住户新风口增设压力传感装置，监测住户新风口过滤网过滤效果，根据实际情况适时更换过滤网。（4）由于严寒地区室外气温低，为解决换热器结霜问题，建议通过安装旁通风道等方式来实现新风系统的除霜功能。也可安装智能升温的新风系统，根据室内外温湿度自动调节系统运行。

参考文献

[1]张时聪,徐伟,姜益强,等.“零能耗建筑”定义发展历程及内涵研究[J].建筑科学,2013,29(10):114-120.

[2]彭梦月.欧洲超低能耗建筑和被动房的标准、技术及实践[J].建筑科技,2011,5:41-47.

[3]裴智超,曾宇,侯毓,等.严寒地区三星级绿色建筑住宅项目——哈尔滨辰能•溪树庭院绿色建筑实践[J].建筑科技,2012(20):62-65.

[4刘兆新,姜莹.中德合作“被动式低能耗建筑”示范项目——哈尔滨“辰能·溪树庭院”节能技术应用[J].建设科技,2013(9):26-27.

[5]Zhaojun Wang,Haoran Ning,Yuchen Ji,Juan Hou,Yanan He.Human thermal physiological and psychological responses under different heating environments[J].Journal of Thermal Biology.2015,52(8):177-186.

[6]吉玉辰,王昭俊,苏小文.严寒地区被动房辐射楼板换热性能实验研究[J].煤气与热力.2019，39(8):A16-A22

[7]王昭俊，薛庆雯，余志义，吉玉辰.严寒地区被动式超低能耗住宅新风机组换热效率测试与分析.建筑科学.2017,33(6):21-25.

[8]王昭俊，吉玉辰，薛庆雯，余志义.严寒地区被动式超低能耗住宅冬季室内环境研究.暖通空调.2018,48(4):66-70.

[9]ASHRAE Standard55-2017,Thermal environmen-tal Conditions for Human Occupancy,American Society of Heating,Refrigerating and Air Conditioning Engineering,Inc,Atlanta,2013.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.民用建筑供暖通风与空调设计规范（GB50736—2012）.北京:中国建筑工业出版社,2012.

[11]国家质量监督检验检疫总局,卫生部,国家环境保护总局.室内空气质量标准（GB/T18883-2002）.北京:中国标准出版社,2002.

[12]中华人民共和国住房和城乡建设部.近零能耗建筑技术标准（GB/T51350-2019）.北京:中国建筑工业出版社,2019.