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被动式建筑
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PHPP软件在被动房设计优化中的应用

时间:2018-07-10 22:54:09   作者:作者:宋昂扬 吴剑林 高彩凤 于震   来源:中国建筑科学研究院环能研究院   阅读:141  
内容摘要:以天津中新生态城被动房项目为例被动房作为一种超低能耗建筑,它的概念最早诞生于20世纪80年代的欧洲。此种节能概念是通过高质量的外围护结构和高效的新风热回收系统,降低建筑的负荷需求,从而达到在减少主动供暖和制冷设备使用的前提下,也能保证室内舒适度的目的。在冬季被动房甚至可以不使用传......

 以天津中新生态城被动房项目为例


被动房作为一种超低能耗建筑,它的概念最早诞生于20世纪80年代的欧洲。此种节能概念是通过高质量的外围护结构和高效的新风热回收系统,降低建筑的负荷需求,从而达到在减少主动供暖和制冷设备使用的前提下,也能保证室内舒适度的目的。在冬季被动房甚至可以不使用传统暖气,仅利用室内热源、新风热回收和新风加热的方式,保持高舒适度的室内热环境。


1991年在德国达姆施塔特(Darmstadt)东北部的Kranichstein社区建成了世界第一座被动房。1996年,Wolfgang Feist博士在达姆施塔特成立了被动房研究所(Passivhaus Institut,PHI)。


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被动房负荷及能耗计算软件PHPP


PHPP是一款由德国被动房研究所PHI开发的软件,专门针对被动房的负荷及能耗计算。该软件在被动房的设计咨询阶段主要发挥两方面的作用:一是它的计算结果是一座建筑是否能达到德国被动房认证标准的决定性依据。所谓德国被动房认证,是指能全面满足德国被动房研究所PHI认可的被动房标准的超低能耗建筑。二是在PHPP计算过程中,可以对建筑热工及设备的各项参数进行优化,从而使被动房在技术和经济指标上都能达到最优化的水平。因此PHPP是对被动房进行设计咨询过程中必不可少的辅助工具。


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被动房标准


被动房之所以能够成为世界公认的超低能耗建筑节能标准,其中一点便是得益于它有一套高起点和高量化程度的专业标准。被动房标准不仅规定了建筑供暖供冷需求、冷热负荷指标、建筑气密性和夏季超温频率指标,还对建筑一次能源消耗提出了要求。2015年版的被动房标准还引入了建筑可再生能源使用指标,根据建筑可再生一次能源需求量和对外供给量进行等级划分和评估。


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中新生态城被动式建筑项目简介


天津中新生态城位于天津滨海新区,是中国、新加坡两国政府为应对全球气候变化、加强环境保护和节约能源设立的战略性合作项目,建设目标为可持续发展的城市型和谐社区。生态城被动式建筑项目属于公屋二期工程,由两栋17层高层住宅组成(本文示例建筑典型楼层平面图如图1所示),总套数为105套,户型以100m2以下的两室一厅为主。该项目的目标是成为中国第一个同时获得德国被动房研究所PHI认证和中国被动式超低能耗绿色建筑标识的被动式高层住宅建筑。

图1 优化前的4号楼标准层平面图


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初期设计优化


被动式建筑理念应用在中国寒冷气候区,在规划及建筑设计初期阶段的优化,主要有以下几个方面:

1)规划布局上,建筑布置在阳光得热充足的区域,尽量减少周边建筑或其他物体对被动房的遮挡,有利于冬季阳光辐射得热。

2)平面设计时,控制被动房的表面积体积比,减少散热面,降低热负荷。

3)平面布局时,避免不必要的结构热桥,例如将外挑式阳台改为内包式阳台,如图2所示。

4)在建筑立面上对窗户的面积进行优化。北、东、西向外窗在保证室内光照充足和自然通风的前提下,尽量减小其面积;南向外窗的面积,因为要综合考虑到冬季阳光得热和夏季隔热,应避免过大。

5)避免过多的窗框对外窗的分割,如图3及图4所示。窗框与玻璃的连接处不可避免的存在热桥,同时它也是整个气密层的薄弱环节。并且过大的窗框面积还会增大冬季的热损失,因为被动房窗的窗框Uf值一般会高于玻璃Ug;另外窗框面积大也就增大了整窗的SHGC值,从而不利于冬季阳光辐射得热。


 图2 优化后的4号楼标准层平面图


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PHPP初步计算


在开始负荷及能耗计算之前,首先必须确定建筑外围护结构的边界。图5至图8中所示粗虚线为建筑的外围护结构界线,它是分割建筑内、外部环境的边界,因此必须保证此处的保温隔热措施。直接供暖区与间接供暖区之间的内墙,以及分户墙和分户楼板的保温做法按照天津地方标准实施。


图3 外窗优化前


图4 外窗优化后(整窗面积不变)


该建筑的首层除公共区域外归于建筑的外部空间,二层住宅与首层非供暖区之间的楼板、首层非供暖区与公共区域之间的内墙需要加装保温层。顶楼设备用房必须全部覆盖保温层。


德国被动房标准的能耗指标基于单位能源相关面积,住宅内部、设备及交通空间、电梯井及楼梯均有不同的能源相关面积计算方法等。示例建筑的能源相关面积计算可得为4260 m2,而国内计算方法结果建筑面积为5620m2


设计初期先行选定了一些合理参数,并在设计过程中对其逐步确立和优化。选定方法包括:

1)在合理区间内选取相对更为不利的值。例如:项目高性能的保温材料,可能包括模塑聚苯板、硬质聚氨酯板、岩棉或挤塑聚苯板。初步计算中,可将保温材料的平均导热系数设定为相对较不利的模塑聚苯板。

2)无法确定的参数,先凭经验估值,后期确定后调整。例如:在初步计算中细部热桥的影响,用热桥导致的传热系数增加量代替。

3)可以从软件产品库中选取部分建筑构件和设备的参数。例如玻璃g值、玻璃Ug值、窗框Uf值、玻璃/窗框/外墙间的线性热桥系数等。

4)强制性或推荐性标准适用范围内选取最不利的极限值。例如:气密性的强制性要n50得超过0.6次/h,新风热回收效率不低于75%(本文中的热回收效率均指显热回收效率)。

5)在合理范围内选取的平均值。例如新风最大送风量。

6)可暂时忽略一部分次要参数。例如:外窗的尺寸和面积必须与设计相一致,但是窗框对外窗的具体分割方式并不作详细计算。

7)不确定是否配备的设备,可视计算结果而定。例如外遮阳和新风湿回收,若计算结果显示制冷或除湿负荷过大则再增加。

图5 外围护结构边界剖面图


 图6 标准层外围护结构边界

 图7 顶层外围护结构边界


 图8 首层外围护结构边界


在以上基本参数确定之后,设计中首先调整一些可变参数,使该建筑在冬季达到德国被动房标准要求。该计算条件下外墙及屋顶的保温层厚度不应低于260mm。随后在夏工况下对自然通风的制冷能力进行量化分析,超温频率计算结果为28%,超过了被动房标准的上限值(10%),所以本项目主动制冷不可避免,需要进一步计算供冷需求量。


制冷工况下的时计算设定值为:室内设定温度25℃,室内空气相对湿度60%,室内湿源为100g/(人·h)。此时制冷除湿全年累计负荷计算结果为25 kW·h/(m2·a),超过天津气象参数下所允许上限值,夏季计算结果不达标。由此可见该项目的设计难点不在供暖季而在空调季。


为达到德国被动房夏季标准,可以通过以下两个途径解决:一是使用外遮阳或遮阳玻璃,进一步降低制冷负荷(内遮阳经过试算无法满足要求)。二是配备湿回收率较高的全热回收新风装置,对新风预除湿以降低空调除湿负荷。但是以上途径是否可行,受到行政审批、业主接受度、产品市场等多种实际因素的制约,需进一步调研探讨。


该项目的一次能耗指标以德国被动房新旧标准过渡期的不可再生一次能源需求量为准。在前述计算达标的前提下,需要对一次能耗的其他影响因素进行分析,这包括供暖、空调、热水设备的能耗及其辅助电耗,家用电器、照明、电梯的电耗等。现阶段采用的是一系列标准值,以确定一次能耗的大体区间。包括供暖及制冷设备的性能系数值、每户配备2.5 m2的太阳能集热器供给生活热水、人工照明能效为80 lm/W的节能灯具、辅助电耗、家用电器及电梯的能耗使用软件预设建议值等。基于以上参数,不可再生一次能源需求量计算结果不高于110kw·h/(m2·a),能够满足德国被动房标准的一次能耗要求。


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技术参数敏感性分析


计算过程中还对与节能相关的技术参数进行敏感性分析。参与评价的参数包括:保温材料厚度、玻璃Ug值、窗框Uf值、玻璃g值、外遮阳的遮阳系数、新风显热回收效率、新风平均换气率、新风湿回收效率和气密性。各参数性能以100%为起始值,即初期计算时所使用的数值。敏感性分析时变量以20%为间隔,在从±80%的区间内变化。


供暖季累计热负荷的初始计算结果为14.1 kW·h/(m2·a),其在各参数影响下的详细变化如图9所示。敏感性曲线的斜率表示该参数对热负荷的影响。如图9所示,围护结构的保温层在厚度降低20%以上时是最决定性的影响因素;而其厚度在初始基础上如果再增加,其影响力便退居第三位,弱于热回收率和玻璃g值。也就是说保温在260mm的基础上再增加厚度所能带来的效益会相对下降,所以过厚的保温层意义不大。对热负荷影响最大的各参数依次为:新风热回收率、玻璃g值、保温层厚度、玻Ug值等


 图9 供暖季敏感性曲线


空调季的敏感性计算结果显示,对制冷和除湿负荷之和影响最大的各参数依次为:玻璃g值、新风平均换气率、湿回收率、外遮阳等。


通过以上敏感性分析可得:1)新风湿回收装置对夏季新风除湿负荷有重大影响,应考虑设置。2)玻璃g值对供暖季和空调季负荷有截然相反的影响,因此必须根据具体情况进行优化。3)保温层厚度在满足被动房要求的前提下,不必过大。4)在不影响自然采光的前提下,应尽量选用比内遮阳效果更好的外遮阳。上述结论对具体设备的选型和参数设定都有重要的指导意义。


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设备选型和参数要求


以PHPP的计算结果为依据,确定设备的选型范围和参数要求。一方面要确定达到被动房标准必须配备的设备;另一方面要确定多个参数的最低限值,指导设备选型。


以供暖季为例:热回收效率75%是PHI建议的最低值,该参数也被作为新风机组选型时的前提条件;相较于初步计算,后期选型时玻璃的g值升高和保温材料的导热系数下降,降低了供暖季热负荷,因而将外墙和屋顶的保温层厚度进一步优化降低至220mm;为满足被动房标准对室内辐射温度的建议性指标,外窗的参数需要达到适用寒冷气候区被动窗性能要求,即玻璃Ug值不大于0.7w/(m2·K),窗框Uf值不大于0.8 w/(m2·K)的要求。至此,对被动房冬季指标起决定性影响的新风热回收率、玻璃g值、外墙及屋顶的保温层厚度、玻璃Ug都已确定。


在建筑负荷大幅降低的前提下,寒冷气候区仅用空气加热或制冷的方式就能满足被动式建筑全年室内舒适度的要求。本项目采用户式分散系统,采取新风加空气源热泵一体机或新风加户式中央空调多联机。决策时经济性指标在选型时或成为主导因素。


下一步的设计工作在主要材料及设备选型确定后进行施工图深化设计,进行更加细化的计算,实现设计阶段的质量控制目的。


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总结


采用以PHPP为代表的能耗计算软件指导设计,能够得到相对准确合理的设计参数,满足被动房标准的各项技术要求,从而确定适合的建材和设备,对被动式建筑在设计阶段实现最大程度的优化。


被动式建筑的品质保障在于高水平的设计和施工,其设计核心是通过专业软件模拟计算,实现对建筑整体负荷及能耗的综合把控和具体参数的优化分析。


只有以准确的计算结果为指导,才能使被动房的设计明主次、有目标。否则可能导致技术参数选取的随意性和盲目性,无法在技术和经济上取得最优化的效果。


作者|宋昂扬  吴剑林  高彩凤  于震

单位|中国建筑科学研究院环能研究院


标签:PHPP  被动房  
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