【HETA】被动房建筑中热泵技术应用与实践

本期我们分享的是制冷空调换热器技术联盟专家、同济大学暖通空调研究所张旭教授在洛阳举行的2018年全国制冷空调及热泵技术发展论坛的演讲PPT。内容题目为《被动房建筑中热泵技术的应用与实践》。

一：被动房技术体系及其关键技术要素

被动式房屋的概念最早起源于欧洲，其最初目的为：用自身的得热满足冬季采暖的需求。

1、定义

被动式建筑设计是指在满足室内舒适度要求的前提下，针对建筑节能目标，利用自然方式，不需任何机械动力（或者机械动力是不以实现室内舒适度为目的的辅助动力），以此来降低能源消耗的设计方法，如自然通风、自然采光、建筑遮阳、屋顶绿化等。

2、技术要素

Passivhaus Institut：PHI提出了被动式建筑的5个基本要素

3、技术指标体系

优点

运行费用低：按照标准建成的建筑，冬季采暖能耗为欧洲现有建筑（1995年建成）能耗的1/20～1/10,是低能耗建筑的1/5 ～ 1/2；

初期投资适中：被动房成本比传统房屋高5%～ 15%，但会在未来5 ～10年间收回增量成本，建筑空间优化设计可以节省成本；

欧洲被动房技术较为成熟，取得了一定规模的发展。目前,德国已有6万余栋被动房,并以每年3000栋的速度发展。被动房占建筑总量的比例在迅速提高。

欧洲被动房用能系统示意图

二：提高被动房能效的技术路线

1、对被动房技术要素的响应与对策

1）由于被动房采用高性能围护结构技术，冬（夏）季热（冷）负荷都比较小，应该选用合理适宜的低㶲末端设备；

2）为保障室内空气品质，新风量一般较大，必须应用高效的热回收装置；

3）被动房有明确的能耗指标，必须充分利用可再生能源并应用高效能源转换系统，以减少对外部能源的使用；

2、中欧居住建筑外围护结构保温参数对比

根据德国被动房标准计算的我国典型城市的DDH18的年供暖能耗与负荷；

采暖期：哈尔滨180天，沈阳150天，北京120天，上海90天计算；

被动房的高效保温墙体和高性能门窗使建筑负荷大幅度降低；

3、被动房围护结构热工性能对空调能耗的影响

4、五个建筑参数对连续运行的空调能耗的影响分析

1）提高围护结构保温性能对冬季供暖工况节能的贡献大；

2）遮阳对夏季节能贡献大，对冬季节能的贡献为负效应；

3）换气次数对冬季能耗影响较大，减小新风处理能耗及热回收是重要的节能措施；

5、低㶲末端的应用

由于被动房技术体系提高了建筑墙、窗等热工性能，和传统建筑相比，室内的冷热负荷大幅下降，根据热力学第一、二定律，应该有针对性的应用承担低负荷的暖通空调系统末端，同时应用可以实现低温供热和高温供冷的系统末端。

下面是几种主要低㶲末端形式。

内埋管混凝土结构（concrete core ）

冷梁（chilled beam）

金属辐射顶板（radiant cooling panel）

毛细管平面空调辐射末端（capillary mats）

6、辐射空调的产业链及应用瓶颈分析

7、合理的新风量及排风热回收技术

新风量决定因素—即室内可用于确定新风量需求的目标污染物或其他因素。

1、舒适 Comfort (第一层面)       气味 ：体味、呼气等生物污染物(bioeffluents)

2、刺激 Irritation (第二层面)  Bioeffluents/甲醛、苯系物等挥发性有机物(VOCs)

3、健康 Health (第三层面)  Bioeffluents/颗粒物/VOCs/半挥发性有机物(SVOCs)

8、目前被动房的新风量可以按下列方法计算：

1）按GB-50736-2012，设置集中空调的居住建筑，可按人均面积10-50m2，换气次数为0.7-0.4次/h分别设定；

2）按2015年11月住建部印发的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）》第60.68.69条中分别对新风量、卫生间及厨房排风方式进行了规定：新风量宜按总人数确定，每人所需的最小新风量应按30m3/h计算，新风量应与排风量平衡。

9、热回收系统的有效性

全热交换器一次能源利用效率

空调系统的能源利用率为制取的能量与所消耗的能量之比，折算成一次能源的热量值表示用PER（Primary Energy Ratio），单位kW/kW。那么关于板式空气全热交换器的能效也就可以定义为回收的能量与风机额外消耗的电能之比。

1）对于所计算的用能系统的能源利用率，采用热回收装置均有明显的提高；

2）不同能源组合，热回收的一次能源利用率的增量不同；

3）冬季运行工况的回收效果好于夏季效果；

三：高性能热泵技术在被动房中应用 

1、户式热湿分控热泵机组研发

2、空气源热泵+膜法除湿系统

3、多冷凝器主动式排风热回收热泵

4、利用硅胶转轮组合排风热回收热泵

针对新风能耗大的特点，利用PTR-MS（超灵敏VOCs快速在线监测仪对回风经过硅胶转轮发现，主要VOCs在流经硅胶转轮后有明显的降解功能，可以在回收排风余热的同时，改善回风的空气品质，降低新风量，达到节能的目的。

5、利用太阳能+洗浴灰水的家庭热泵热水供应（芬兰）

家用供暖系统：6m2太阳能集热器，洗浴灰水热交换器、5kW热泵和电加热器构成的家庭采暖热水供应系统，房间面积300m2 ，经测定，全年采暖用能7200kWh(24kWh/m2 a），灰水换热器回收600kWh，太阳能集热器提供1400kWh，热泵和电加热器耗电3800kWh（12.724kWh/m2 a），可以满足被动房的用能指标。

四：总结

1、采用高效热泵是被动房技术体系重要环节，是达到能耗指标的重要技术措施；

2、如何确定被动房的新风量仍需要大量基础研究的支撑；

3、由于被动房室内的冷热负荷大幅下降，应该有针对性的开发并应用可以承担低负荷的暖通空调系统末端；

4、开发利用多蒸发器及多冷凝器、并可有效利用家庭排风、洗浴灰水的热泵技术，可以进一步有效降低能耗；