来源:被动房网
河北省建筑科学研究院有限公司 郝翠彩
石家庄市建设工程安全生产监督管理站 徐素格
河北省建筑科学研究院有限公司 崔佳豪
河北燕诺科技有限公司 王涛
被动式超低能耗建筑作为一种既能大幅降低建筑能耗,又能保证室内环境质量的高品质建筑,逐渐得到人们的认可。河北、山东、河南等省份分别于2015年、2016年、2018年发布实施了本省的相关技术标准,国家近零能耗建筑技术标准于2019年发布实施。建设一栋合格的被动式超低能耗建筑,方案阶段的性能化设计尤为重要。本文通过一个项目案例,详细解析被动区域划分对建筑能耗结果和造价的影响。
案例为一座酒店建筑,位于河北省石家庄市(热工分区为寒冷B区),地下一层为设备用房和储藏间,地上1~3层为大堂、宴会厅和会议室,4~14层为酒店客房,15层局部为配套餐饮、局部为屋顶花园,总建筑面积18895.12m²。
1 不同被动区域划分方式对比分析
根据项目初步建筑方案,设定两种被动区域划分方式(以下简称“方式一”和“方式二”。
方式一:地上空间和通往地下的交通核(楼梯间、电梯间及前室)均为被动区域,地下部分储藏间和设备用房为非被动区域。
方式二:4~14层整层及交通核(地下室至十五层的楼梯间、电梯间及前室)为被动区域。1~3层(交通核除外)、15层(交通核除外)及地下室为非被动区域。
针对两种方式,分别使用DesignBuilder软件建立模型,进行能耗计算。
1.1 方式-能耗计算
建立模型,如图1所示。
图1 能耗计算模型
1.1.1 围护结构参数设置
设计建筑外围护结构传热系数依据河北省《被动式超低能耗公共建筑节能设计标准》DB13(J)/T263-2018表4.1.1外围护结构平均传热系数Km进行设置,参照建筑外围护传热系数依据河北省《公共建筑节能设计标准》DB13(J)81-2016表3.3.1-2寒冷地区围护结构热工性能限值进行设置,具体详见表1。
1.1.2 冷热源系统参数设置
本项目位于石家庄市市内某区,两条路十字交口西北角。考虑地理位置因素,设计建筑采用空气源热泵作为冷热源,参照建筑依据河北省《被动式超低能耗公共建筑节能设计标准》DB13(J)/T263-2018表3.0.4中的要求进行设置,具体对比,详见表2。
1.1.3 外门窗尺寸设置
依据建筑方案平面图的外墙轮廓线,对门窗位置进行定位设置,依据效果图,1~3层部位为幕墙,幕墙宽度依据平面图纸,幕墙高度根据剖面图确定。4~14层客房外窗按宽度为2.7m,高度为3.0m进行设置;西侧拐角窗按南向1.1m,高度3.0m进行设置;东侧拐角窗按照南向1.9m,高度3.0m进行设置。
表1 围护结构参数(方式一)
表2 空调与供暖系统设置
1.1.4 能耗计算结果
表3 能耗计算结果
1.2 方式二能耗计算
建立模型,如图2所示。
图2 能耗计算模型(浅紫色为非被动区域)
1.2.1 围护结构参数设置
设计建筑外围护结构传热系数依据河北省《被动式超低能耗公共建筑节能设计标准》DB13(J)/T263-2018表4.1.1外围护结构平均传热系数Km进行设置,参照建筑外围护传热系数依据河北省《公共建筑节能设计标准》DB13(J)81-2016表3.3.1-2寒冷地区围护结构热工性能限值进行设置,详见表4。
表4 方式二围护结构参数
1.2.2 冷热源系统参数设置
模拟过程中,空调系统效率及可再生能源利用率设置,以及参照建筑依据河北省《被动式超低能耗公共建筑节能设计标准》DB13(J)/T263-2018表3.0.4中的要求进行设置,详见表5。
表5 空调与供暖系统设置
1.2.3 外门窗尺寸设置
依据建筑方案,设置规则同方式一。
1.2.4 能耗计算结果
被动区域能耗计算结果和1~15层能耗计算结果,详见表6和表7。
表6 被动区域能耗计算结果
表7 1~15层能耗计算结果
1.3 能耗和造价对比分析
由表3可以看出,采取高效外围护结构及带热回收新风系统后,方式一相对节能率为49.51%。为了达到被动式超低能耗公共建筑标准要求(相对节能率50%及以上),经测算可再生能源利用率应在30%以上。根据项目所在地资源条件及项目方案效果,需在屋顶设置太阳能热水系统。经测算,屋顶可利用面积难以满足集热器布置需求。
由表6可以看出,按方式二划分被动区域后,被动区域相对节能率为60.44%。在可再生能源利用率仅为25%的情况下,被动区域即可满足被动式超低能耗公共建筑标准要求。
由表3和表7对比可以看出,方式一比方式二,全年单位面积一次能源消耗降低15.02kWh/m²;每年节约一次能源消耗283804.7kWh,折合电能109155.7kWh,每年节约电费10.92万元。但方式一中,屋顶花园、1~3层玻璃幕墙及可再生能源三项,与现行标准65%节能建筑标准相比增加的投资约为320万元,静态投资回收期约为29.35年。
1.4 能源系统分析
根据本项目方案和效果图,在不改动外立面的前提下,可再生能源利用主要为空调系统。太阳能光伏发电及太阳能热水目前不具备安装空间,故暂不考虑。项目位于市区,风能不具备安装及使用条件。
空调系统的可再生能源形式有两种:(1)土壤源热泵;(2)低温空气源热泵。
土壤源热泵,运行稳定,室外天气对该系统影响基本可忽略,但对场地和机房要求高,初投资大,运行效率高。
低温空气源热泵,运行稳定,室外气温对设备效率有一定影响,在-20℃以上均能正常工作,运行效率会根据室外气温有25%以内的折减,初投资较少,运行效率低于土壤源热泵。
小结:经过综合分析,建议采用方式二进行被动区域划分。
2 建议方式可行性分析
2.1 被动区域划分
依据能耗和造价分析结果,建议采用方式二进行被动区域划分,即:,4~14层区域及通往地下、1~3层、15层的交通核(楼梯间、电梯间及前室)部位为被动区域。1~3层区域(宴会厅、大堂、会议室)、15层区域(屋顶花园及配套餐饮)及地下部位储藏间和设备用房为非被动区域。
2.2 围护结构建议
2.2.1 非透明围护结构
(1)外墙
1)外墙采用外保温系统,保温材料采用250mm厚岩棉条A级;
2)室外地坪+500mm以下部位的外墙外保温系统,采用250mm厚耐腐蚀、耐冻融性能较好的挤塑聚苯板(B1级),且应从地上外墙连续粘贴至地下室外墙,并向下延伸至室外地坪-1000mm处。
(2)屋面
为了保证顶层用户室内环境,建议屋面采用250mm厚高容重石墨聚苯板(B1级),设置隔汽层和防水层,并设置≥40mm厚保护层(上人屋面保护层内增设钢筋网片)。
(3)被动区域与非被动区域之间的楼板
楼板上表面采用150mm厚挤塑聚苯板(B1级),并设置≥40mm厚保护层(保护层内增设钢筋网片)。
2.2.2 透明围护结构
被动区域与室外(包括非被动区域)联通的门窗均为被动门窗。其中:
框料:型材传热系数K≤1.3W/(m²·K)。整窗框玻比27:73。
玻璃配置:5low-e+16Ar暖边+5low-e+16Ar暖边+5C;玻璃的太阳能总透射比g≥0.35,玻璃选择性系数LSG≥1.25;玻璃传热系数K≤0.8W/(m²·K),整窗传热系数K≤1.0W/(m²·K)。
2.3 成本增量计算
设计建筑与参照建筑的保温厚度及性能参数依据表4中的数据进行计算,计算完成后的结果,如表8所示。
表8 项目前期投资成本增量计算
2.4 运行效益分析
以下分析仅针对建筑被动区域(4~14层),其面积为12057.31m²。
根据能耗模拟,参照建筑的供冷、照明年一次能源消耗量为72.73kW·h/(m²·a),电力的一次能源换算系数2.6,每平米折合电量为27.97度,电价按照1元/度计算,则总价为34.33万元。酒店采暖采用市政供暖方式,依据石家庄地区地暖收费标准,公共建筑32元/m²计算,每年采暖费为38.58万元。综上所述,参照建筑年供冷、供暖和照明运行费用为72.91万元。
根据能耗模拟,设计建筑单位面积供冷、供暖、照明年一次能源消耗量为60.98kW·h/(m²·a)。根据电力的一次能源换算系数2.6,每建筑平米折合电量为23.45度,电价按照1元/度计算,设计建筑年供冷、供暖和照明运行费用为28.27万元。
小结:设计建筑与参照建筑相比,被动区域造价增加729.85万元,每年运行费用节约44.64万元,增量成本静态回收期为17年。
3 结论
被动区域划分对被动式超低能耗建筑的综合效果影响较大,被动式超低能耗建筑方案阶段应做好充分的前期性能化设计。
本文出自《建设科技》2020年19期,主题:中国被动式低能耗建筑十年发展。