1工程概况本工程位于烟台市（寒冷A区），为中德合作被动式超低能耗绿色示范项目，总建筑面积2 246 m2，地上3层，无地下室，总建筑高度12.55 m。实际竣工效果如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F001图1实际竣工效果图幼儿园共8个班，各层使用功能如表1所示，围护结构传热系数及室内空调设计参数如表2、表3所示，室内CO2浓度控制≤1 000 mg/m3，PM2.5浓度控制在每小时平均≤35 μg/m3。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T001表1各层功能分布表层数使用功能面积/m2层高/m一层门厅、活动室、幼儿寝室、音体室、厨房、晨检室、卫生间等1 045.863.90(4.80)二层活动室、幼儿寝室、办公室、卫生间704.463.90三层活动室、幼儿寝室、办公室、卫生间676.163.9010.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T002表2围护结构传热系数 /外墙0.15屋顶0.1外窗0.8外门0.8地面（土壤）0.12W/（m2·K）10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T003表3空调室内设计参数主要功能房间夏 季冬季最小新风量/[m3/(h·人)]噪音标准/dB(A)温度/℃相对湿度/%温度/℃相对湿度/%寝室、活动室2660206025≤30活动室2660206025≤30教师办公室2660206030≤302负荷特性分析利用DeST能耗模拟软件对建筑逐时热平衡能耗计算与分析，以11月16日至次年3月31日作为采暖计算期（共计136天），以6月1日至8月31日作为制冷计算期（共计92天）。DeST能耗分析模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F002图2DeST能耗分析模型由于我国存在差异明显的不同气候分区，德国被动房技术指标对我国不同气候分区并不完全适用，国内尚没有针对被动式低能耗公共建筑的指标体系，但全年制冷、供暖能耗需求仍可参照德国被动房的要求［1］，即采暖需求≤15 kWh/(m2·a)，有效制冷需求≤15 kWh/(m2·a)。2.1热回收对负荷及能耗的影响分析根据负荷模拟结果，不同热回收效率下冬季供暖热负荷构成如表4所示，不同热回收效率下的夏季供空调冷负荷构成如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T004表4不同热回收效率下冬季供暖热负荷构成项目无热回收热回收效率50%55%60%65%70%75%80%85%室内显热负荷/kW-7.32-7.32-7.32-7.32-7.32-7.32-7.32-7.32-7.32新风显热负荷/kW54.7327.3724.6321.8919.1616.4213.6810.958.21总供暖热负荷/kW47.4020.0517.3114.5711.849.106.363.630.89热负荷指标/（W/m2）21.128.937.716.495.274.052.841.620.4010.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T005表5不同热回收效率下夏季空调冷负荷构成项目无热回收显热回收效率/潜热回收效率50%/40%55%/45%60%50%65%/55%70%/60%75%/65%80%/70%85%/75%室内显热负荷/kW31.7631.7631.7631.7631.7631.7631.7631.7631.76室内潜热负荷/kW13.6713.6713.6713.6713.6713.6713.6713.6713.67新风显热负荷/kW3.231.621.451.291.130.970.810.650.48新风潜热负荷/kW29.2017.5216.0614.6013.1411.6810.228.767.30总供冷冷负荷/kW77.8664.5762.9461.3259.7058.0856.4654.8453.21冷负荷指标 /（W/m2）34.7028.7728.0527.3326.6125.8825.1624.4423.71从表4可以看出，（1）冬季室内负荷为负值，说明冬季室内热量“富裕”，如果室内不送新风，冬季室内不需要外部热源供暖，这主要是由于室内人员密度较大，而被动房的保温性能又好，导致室内得热量大于围护结构散热量；（2）冬季采暖热负荷全部是由新风引起，新风负荷在整个负荷中占比越高，采用高效新风热回收后负荷降低的程度也越明显，因此，总热负荷及单位面积热负荷指标也将大幅度减小。从表5可以看出，夏季空调冷负荷由室内显热负荷、潜热负荷和新风负荷共同构成，其中室内负荷占约60%，新风负荷占约40%。新风采用热回收后，降低了新风负荷，但并不减少其他构成负荷，因此，夏季空调总冷负荷及单位面积冷负荷指标有一定程度减小，但变化不如冬季明显。2.2外遮阳对夏季空调负荷的影响分析有无外遮阳的能耗指标如表6所示。由表6可知，夏季有遮阳比无遮阳空调冷负荷减少约33%，供暖空调能耗需求比无遮阳情况下少25%左右。被动式建筑减少太阳辐射得热量是降低空调负荷及能耗的有效途径之一。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T006表6有无外遮阳的能耗指标项目空调冷负荷指标/（W/m2）空调制冷能耗需求指标/[kWh/（m2·a）]空调供暖能耗总需求指标/[kWh/（m2·a）]有外遮阳34.7013.6920.41无外遮阳39.9320.1626.88本项目使用了活动外遮阳系统，外遮阳设备为电驱动（见图3），并具有智能化感应系统，可根据太阳高度角及室外天气情况，自动调整帘片角度及升降，表面吸收太阳得热，很大程度上降低了建筑制冷负荷和制冷能耗需求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F003图3活动外遮阳系统立面效果图 图4外遮阳百叶帘2.3负荷及能耗需求分析被动式建筑对于气密性的要求非常严格，在室内外压差为50 Pa的情况下，透过门窗缝隙的换气次数不大于0.6 h-1，实际使用过程中，室内外压差一般远低于50 Pa，因此门窗缝隙的冬季冷风渗透风量不再计算。虽然建筑的大门一般会经常开启，但其主要出入口本身设置了门斗，通过合理设置门斗两道门的间距，可以有效地避免其同时开启，因此，本设计不再计算大门的冬季冷风侵入耗热量。（1）制冷期冷负荷和冷需求分析。根据能耗计算结果，得出制冷期最大负荷日的冷负荷随时间变化如图4所示，全天最大冷负荷为24.52 W/m²，其中室内人员冷负荷值对整个制冷负荷影响较大，为9.96 W/m²，占总冷负荷的40.6%，主要是由于幼儿园人员比较集中，密度较大［2］。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F004图4制冷期最大设计负荷日冷负荷图制冷能耗需求如表7所示，通过墙体传热、外窗辐射、人体、照明、设备得热量为13.08 kWh/(m²·a)，通过通风、外窗传热得热减少0.93 kWh/(m²·a)，制冷期冷需求为12.15 kWh/(m²·a)，占比较大的为人体得热和外窗辐射得热，其中人体得热占比43%，外窗辐射得热占比39%。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T007表7制冷能耗需求 /[kWh/(m2·a)]项目墙体传热窗传热外窗辐射通风人体灯光设备总得热总散热冷需求热量得失1.58-0.134.74-0.805.220.910.6313.08-0.9312.15注：散热利用率按99.7%考虑。（2）采暖期热负荷和热需求分析。热负荷构成如表8所示，外围护传热损失产生的热负荷为11.22 W/m²，通风产生的热负荷为10.76 W/m²，总计21.98 W/m²，利用内部热源得热减少8.77 W/m²，得出采暖期最大负荷为13.21 W/m²。采暖需求构成如表9所示。采暖期热需求为7.83 kWh/(m²·a),通过人体、照明、设备和太阳辐射的得热，可以补偿采暖失热量的75.5%，其中人体得热和太阳辐射得热占总得热量的比例较大，分别占总得热量的52.7%和30%。本项目负荷及能耗需求如表10所示，满足德国被动房对于能耗需求指标的要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T008表8采暖期热负荷构成表项目失热得热热负荷围护结构传热通风传热内部热源负荷11.2210.76-8.7713.21W/m210.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T009表9采暖期采暖需求构成 /[kWh/(m2·a)]项目失热得热热需求外墙传热屋顶传热地面传热外窗传热通风传热外窗辐射人体照明设备热量需求5.552.573.958.1711.36-11.58-20.35-4.00-2.687.83注：得热利用率按61.8%考虑。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T010表10负荷及能耗需求项目统计数值总建筑面积/m22 246项目负荷统计供暖热负荷/kW29.67空调冷负荷/kW55.07采暖能耗需求/(kWh/a)17 586.18制冷能耗需求/(kWh/a)27 288.90项目负荷面积指标采暖热负荷指标/(W/m2)13.21空调冷负荷指标/(W/m2)24.52采暖能耗需求指标/[kWh/（m2·a）]7.83制冷能耗需求指标/kWh/（m2·a）12.153空调通风系统设计3.1辅助冷热源的选择被动房辅助供暖供冷应优先利用可再生能源，减少一次能源的使用，严寒和寒冷地区宜设置辅助热源，辅助热源不宜采用集中供暖方式；寒冷地区、夏热冬冷及夏热冬暖地区宜设置辅助冷源。本项目采用低温型空气源热泵机组作为被动房的辅助冷热源，当室内温度达不到设计温度时，由空气源热泵进行供暖和供冷。3.2末端设备的选择主要功能房间均采用直流无刷风机盘管+ 热回收新风系统。风机盘管单机功耗虽然相对较小，但由于使用的绝对数量多，较高的总能耗也不容忽略，与采用交流电机的系统相比，直流无刷盘管的效率可提高 40％以上［3］，而且相对于普通风机盘管而言，直流无刷风机盘管有效避免了机械换向中产生的电磁干扰及电磁噪音，使室内环境更安静舒适。同时也降低了点击所消耗的能耗，因此，直流无刷风机盘管更适合被动房“低能耗、高舒适”的核心技术思想要求。根据被动房技术要求，新风系统必须采用热回收，为保证适宜的新风送风温度，热回收新风机组均自带换热盘管，采用纳米膜高效热回收芯，热回收效率大于75%，机组室外新风入口均设置过滤PM2.5的高效过滤器，保证室内空气清新。3.3气流组织主要功能房间均采用侧送风下回风的方式，房间内设置送风口，走廊设置集中的回风口，在走廊与房间的隔墙上距地3 00 mm设隔音溢流口，室内压力大于走廊压力时，室内风就会通过隔音溢流口排到走廊，由热回收新风机组的回风口吸入，与室外新风经热交换后排出，热回收新风机组设在专用机房内。平面布置如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F005图5空调通风系统平面图3.4新风系统的控制策略根据设置在房间的温湿度和CO2浓度显示控制器，实时监测室内温湿度和二氧化碳浓度，达到设定值时，全自动控制新风热回收机组、循环水泵、空气源热泵机组的启停，同时控制各电磁阀门的开启向所需的房间供冷供热。控制系统遵循室内温度优先的原则，即室内温度达到设定值时，新风机组才能运行。良好的控制系统既能够节约能源节能，又能够保证室内舒适的热环境。过渡季，室外空气质量良好时，采用开窗自然通风的方式，减少建筑能耗；当室外空气质量较差时，可采用新风系统自动进行通风，室内温度和CO2浓度来控制电动风阀开关，同时控制机组向室内供冷、供热、供新风。房间CO2浓度超过1 000×10-6（可调）时开启电动风阀，同时开启新风机组，向室内提供新风，低于300×10-6时关闭风阀。4节能效果分析该被动式超低能耗绿色示范项目一次能源消耗量（供暖、制冷、照明）指标如表11所示。与“基准建筑”相比，可实现年节约标准煤48.3 t，减少二氧化碳排放130.41 t，节能率86.9%，高于公共建筑节能65%的要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T011表11一次能源消耗量（供暖、制冷、照明）指标参数设计建筑超低能耗/kWh基准建筑/kWh节能量/kWh节约标准煤/t减少CO2排放量/t节能率/%数值59 176452 325.7393 149.748.3130.4186.95结语（1）冬季室内负荷为负值，如果室内不送新风，冬季室内不需要外部热源供暖，这主要是由于室内人员密度较大，而被动房的保温性能又好，导致室内得热量大于围护结构散热量；冬季采暖热负荷全部是由新风引起，新风负荷在整个负荷中占比越高，采用高效新风热回收后负荷降低的程度也越明显，因此，总热负荷及单位面积热负荷指标也将大幅度减小。（2）夏季新风采用热回收后，降低了新风负荷，但并不减少其他构成负荷，因此，夏季空调总冷负荷及单位面积冷负荷指标有一定程度减小，但变化不如冬季明显。（3）本项目与“基准建筑”相比，可实现年节约标准煤48.3 t，减少二氧化碳排放130.41 t，节能率86.9%，高于公共建筑节能65%的要求。（4）“被动式”幼儿园不仅节能低碳、舒适健康、有高品质的室内环境，而且利于幼儿的健康成长。