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高标准住宅建筑的暖通空调设计

北京瀚江新材料

2022-09-27

基于高标准住宅建筑方案的暖通空调设计革新与应用研究

文/北京市住宅建筑设计研究院有限公司

果海凤刘郁林王英琦李瑞雪白羽

助力 2030 年碳达峰和 2060 年碳中和的伟大目标， 2021 年北京市土地公开出让首次采用“竞地价 + 竞高标准商品住宅建设方案”方式供地。高标准商品住宅建设方案包括建筑品质篇和规划建筑设计篇，各 100 分，第一次以“竞建筑品质”的形式提出了高标准建设方案。建筑品质主要包括绿色建筑、装配式建筑、超低能耗建筑、健康建筑、宜居技术应用和管理模式 6 部分，其中，超低能耗建筑作为分值最高的板块，权重最重。

同时，实施超低能耗建筑，对绿色建筑、健康和宜居技术等得分都有贡献，是加分项。实施超低能耗建筑，倡导精细化设计和精细化施工，抓产品、保细节，严控建筑施工质量，全面提升建筑品质。

目前，北京已经开始执行居住建筑 80% 节能标准，超低能耗建筑是更节能的建筑形式，保温性好，气密性好，舒适度高；而且采暖负荷和制冷负荷显著降低，可避免使用市政热力或小区自建锅炉房，减少化石能源的使用；负荷低，设备容量减小，利用空气源热泵或地源热泵等可再生能源即可解决采暖和制冷问题，运行能耗大幅降低，利于节能减碳。

基于上述分析，超低能耗建筑中的暖通空调设计方案与普通住宅建筑不同，有其特殊性。本研究正是基于上述超低能耗建筑的特殊性，基于超低能耗建筑新风系统和厨卫通风系统研究的基础上，在保证建筑高舒适度要求的同时，兼顾人们正常的使用习惯，研究适合超低能耗建筑的采暖系统和空调系统，促进暖通空调产品的更新和超低能耗商品住宅小区的暖通空调方案革新迭代。

1 负荷分析

以北京地区典型户型148户型的六层住宅楼为例，按超低能耗建筑标准、北京市现有住宅标准（居住 75% 节能标准）及北京市新地标（居住 80% 节能标准）进行对比设计，采用专用暖通负荷计算软件（天正负荷计算软件）进行冷热负荷计算，并以此作为设备选型的依据。

典型楼栋如图1所示，6 层，一梯两户，每层建筑面积 312.8m²，层高3.05m，总建筑面积1876.8m²。按三种节能标准，建立计算模型，设定计算参数，如表 1 所示，进行冷热负荷计算。

图1 典型户型

表1 计算参数对比

设计建筑的冷热负荷计算结果如表2 和图2 所示。按照 75% 节能、80% 节能和超低能耗建筑标准，外围护结构的保温层厚度逐渐加大，传热系数降低依次减低，隔热性能不断提高；门窗的保温性、气密性也都有了极大的提高；同时，对建筑的整体气密性和无热桥设计也都有了相应要求。因此，按三种节能标准计算的典型建筑，其冷负荷（不含新风）和热负荷（不含新风）都大幅降低，超低能耗建筑相比 75% 节能建筑冷负荷降低了 20%，热负荷降低了 45%；相比 80% 节能建筑冷负荷降低了 17%，热负荷降低了 15%，保温隔热性大幅提升。

表2 计算结果对比

图2 计算结果对比

超低能耗建筑作为一种高节能性的建筑形式，其冬季采暖需求和夏季制冷需求极低，这一方面降低了采暖制冷设备的容量，同时延长了不需要任何采暖制冷设备的过度季的时间，冬季采暖季和夏季制冷季时间相对缩短，所以超低能耗建筑内的采暖制冷设备为极端天气下的辅助供冷供暖设备。

超低能耗建筑气密性要求高，室内外的漏风量低，减少了室内结露发霉的风险，降低了室外噪音和空气污染。较高的气密性也带来了新的问题，较普通住宅，超低能耗建筑必须配置新风系统，保证室内空气的流通和空气的新鲜性，新风系统也是超低能耗建筑后期舒适性的关键因素。

新风系统，一方面室内连续供应新风保证室内空气的新鲜，同时可有效控制室内 CO2、TVOC 的浓度达到健康标准，有效控制室内 PM2.5 指标达到良好以上标准。普通住宅内新风不是必须的，新风的引入带来了新鲜的空气，也会增加采暖能耗和制冷能耗。因此，新风系统必须带有高效热回收装置，要求热交换芯的显热回收效率 ≥75%，全热回收效率 ≥70%，最大量的回收室内的热量，降低新风负荷，且单位风量风机耗功率要≤0.45Wh/m³，进一步降低新风机的能耗。即使超低能耗建筑采用了高效带热回收的新风机，引入新风带来的冷负荷和热负荷也是很高的。由表 3 可知，新风冷负荷占总冷负荷的 8.3%，而新风热负荷占总热负荷的比例高达 38.0%，更突显了提高新风机热回收效率的重要意义，见图 3、图 4。

表3 超低能耗户型负荷分析

图3 冷负荷分析

图4 热负荷分析

2 暖通空调系统

按超低能耗建筑设计标准，北京市地方标准《超低能耗居住建筑设计标准》DB11/T 1665-2019的要求，超低能耗建筑辅助供暖供冷应优先利用可再生能源，减少市政热力的使用，尽量避免采用化石能源。因此辅助供热供冷系统应综合考虑经济技术因素，优先选用空气源热泵、地源热泵、新风空调一体机和多联机等系统形式，详见表4。冷热源设计时，考虑多能互补集成，优先利用可再生能源，并兼顾生活热水需求。目前，常规住宅内多为市政热力 + 散热器 / 地暖 + 分体空调的采暖空调系统，随时超低能耗建筑的不断推广，市政热力和小区自建锅炉房规模必将会逐渐缩小，甚至被取消；而以分户独立、间歇供给、用户按需自主控制的新型采暖空调形式必将会成为行业主流，带来暖通空调技术的革新和暖通空调产品、部品和厂家的更新换代，见表 5。

表5 暖通空调系统方案比选

超低能耗建筑冷热负荷极低，但是极端天气下也需要开启辅助采暖制冷设备。表 6 为超低能耗户型各个房间的冷负荷和热负荷计算值。以 15m²的主卧室为例，其热负荷约为 500W，冷负荷约为 820W；20m² 左右的起居室其冷负荷也不到1KW, 热负荷仅 600W；而 148m² 的户型，其总冷负荷约为 4.6KW，总热负荷约为2.8KW。

表6 房间负荷分析

拟定采用多联机的采暖制冷方式，根据负荷计算表，每个房间的负荷值都很小，只能选择多联机室内机的最小机型，制冷量为 1.7KW，制热量为 1.9KW，超配 1.7 倍以上，严重偏大；按照 148 户型的总冷负荷和总热负荷，多联机室外机选择 3HP 机型，甚至 2HP 机型就够了。可是室外机的选型受限于室内机型号（室内机冷热负荷叠加），只能选择 4HP 机型，其总制冷量为 11.2KW，总制热量 12.5KW，冷负荷超配率为 229%，热负荷超配率高达 557%，“大马拉小车”现象严重。

由此可知，随着节能标准的提高，围护结构的保温隔热性能提升，室内负荷降低，与之相适应的暖通空调产品也面临巨大的挑战，一方面，匹配超低能耗建筑的低负荷率的变频产品、满足超低温运行、可实现智能控制和自动控制的暖通空调产品亟待研发；另一方面，适合超低能耗建筑的更节能、更高效、具有更高能效等级（综合能效性能系数）的暖通空调产品亟待研发。

3 经济性对比

选取典型户型 148 户型，按超低能耗建筑标准和现行普通建筑标准进行对比分析，在室内舒适性标准相同的前提下，选用相同类型的暖通空调设备形式（新风 + 多联机），采用不同的围护结构，进行冬季和夏季负荷计算和暖通空调设备选型，进行全年采暖和空调耗电量估算和对比分析，见表 7。

表7 采暖和制冷费用对比分析

（备注：1. 因生活热水、新风、设备、照明等项目的耗电量，超低能耗建筑和普通建筑基本无差别，未测算；本测算仅比较采暖和空调的运行费用；2. 因实际运行费用影响因素较多，人的使用习惯和行为习惯不同、舒适性标准和舒适性要求不同，开启时间不同，运行费用也会有较大差别；3. 同时，本测算按不利条件计算，舒适性标准高，设备选型保守，若再考虑过渡季时间长短不同（超低能耗建筑，保温性和气密性好，室内温度受室外影响小，过渡季时间相对延长，采暖季和制冷季相对缩短）、阶梯电价不同等因素，超低能耗建筑采暖空调全年运行费用会更低。）

4 总结

结合我国 2030 碳达峰，2060 碳中和的宏伟目标，北京市作为首都一直是先动先行。建筑领域实现碳中和的途径，主要是推行节能建筑，降低建筑需求侧能源需求；大力提倡可再生能源，降低化石能源的使用，推行电气化，清洁能源和绿色电能使用。北京第一批高标准拿地正是未来商品房建设模式初探，是建设模式、建设标准发生深刻变革的开始。

从超低能耗示范项目，到规模化推广，这不光是建筑本身的革命和进步，更是给传统住宅建筑的暖通空调设计带来了颠覆性改变。无论是建设方，设计人员，设备厂家还是真正使用者，都要秉承开拓创新，颠覆传统思维定式，认识，学习，接受新建筑，改变传统观念，并不断提高认识接纳这一新式节能建筑形式，推动暖通空调设计进步，暖通空调产品迭代创新能效提升。双碳政策下，高质量高标准建设居住区，建筑节能，超低能耗建筑大势所趋。

本文来源：《建设科技》2021年12月23期

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