建筑能耗分析 | 盐城日月星城被动式幼儿园
图1 盐城市日月星城幼儿园项目效果图
项目概况
盐城日月星城幼儿园是中国夏热冬冷地区第一个幼儿园被动式低能耗建筑示范项目，项目位于江苏省盐城市城南新区，总建筑面积1524m²，占地面积为762m²，建筑共2层，底层高度4.2m，二层高度4.5m，建筑为框架结构，体型系数0.28。
江苏省盐城市属于夏热冬冷地区，冬天湿冷，夏季较热，被动式低能耗建筑既减少化石一次能源的使用，又能保证建筑使用舒适度，并符合当地的气候条件及人们的生活习惯，该项目在用能极低的情况下，为小朋友提供安全舒适的室内环境。（图1）
建筑节能做法
该示范项目各系统均采用整体系统供应并施工。建筑外墙采用岩棉外保温系统，200mm厚岩棉带，墙体传热系数0.18W/(m·K)，分别为120mm和80mm两层错缝铺设，铺压两层玻纤网格布加以防护，并配备窗口连接线条、滴水线条、护角线条、预压防水密封带等系统配件，提高了外保温系统保温、防水和柔性连结的能力。
外门窗采用高效保温铝包木窗，整窗传热系数为0.9W/（m²·k），整窗无热桥构造安装，窗框与外墙连接处采用室内侧防水隔汽膜和室外侧防水透气膜组成的密封系统。
项目的一大特点使用了活动外遮阳系统，外遮阳设备采用电动驱动，并具有智能化感应控制，根据太阳能照射及角度变化可自动升降百叶和调节百叶角度，叶片调节量在0°~90°之间，光通量可以控制在3%~100%范围内，叶片关闭时，遮阳系数可达到0.10，可遮蔽外窗辐射传热量90%的热量，叶片水平时，遮阳系数达到0.20，也能够遮蔽外窗辐射传热量80%的热量，很大程度上降低建筑制冷负荷和制冷能耗。智能感应控制系统百叶帘保证了百叶帘依据风、光、雨、温度自动收起，并保护百叶帘在霜冻、大风时等有害气候条件下不受损害。（图2、3）
图2 智能化活动外遮阳系统现场图
图3 外遮阳系统控制显示面板图
并根据当地气候和幼儿园环境特点，新风系统采取真空除湿技术及石墨烯热能转换芯体，从而达到对新风有效地除湿及温度合理控制。通过设备标配的云测仪可以将室内的温度、湿度、CO2及PM2.5等净化数据实时显示在室内的液晶控制面板上，云平台系统通过账号管理，可将净化数据实时推送至园方领导及家长手机APP客户端。气密性测试结果为正负压50MPa下换气次数分别为为0.16次/h和0.15次/h，气密性能优异。
建筑能耗分析
1 建筑外围护结构、热工、设备、及内部热源参数
该项目被动房区域计算面积为1454.44m²，其中厨房隔除在被动房区域外，与厨房隔离墙体保温材料应用100mm厚岩棉带，隔墙传热系数为0.33 W/(m²·K)，底板保温材料为150mm挤塑聚苯板，底板传热系数0.18W/(m²·K)，外墙和屋顶应用200mm岩棉传热系数为0.18W/(m²·K)，外窗采用铝包木窗，三玻两腔双Low-E中空玻璃，整窗传热系数0.9 W/(m²·K)，玻璃太阳能得热系数g值为0.37，表1为本项目建筑外围护结构的主要技术参数。
表1 建筑外围护结构的主要技术参数
根据气象局近10年平均室外逐时温度数据，拟定盐城市被动式低能耗建筑采暖期为11月13日-04月04日，共计143天，其中寒假时间拟为1月9日-2月9日，制冷期计算期为06月01日-08月31日，其中暑假时间拟为7月6日-8月29日。通风换气次数为0.75h-1，采暖期热回收效率83%，制冷期热回收效率67%，儿童人数165，教职工共20人，其中男10人，女10人。建筑热工、设备及内部热源参数选取详见表2。
表2 建筑计算环境、设备及内部热源参数
2 建筑负荷和能耗计算结果
通过对项目建筑逐时热平衡能耗计算与分析，得出建筑在考虑寒暑假和不考虑寒暑假（更加直观分析出建筑本体能耗情况）两种情况下分别给出建筑能耗指标，如表3所示，其中因为负荷计算时空气调节室外计算温度取值不变，所以两种情况下负荷计算结果不变，而考虑寒暑假情况下是去掉寒暑假天数计算得出的能量需求，结果明显变小。
表3 建筑负荷及能耗指标表
3 负荷和能耗分析
制冷期冷负荷和冷需求分析
通过能耗计算分析得出整个建筑全天冷负荷随时间变化趋势如下图4所示，全天最大冷负荷为26.12W/m²，最大峰值时刻出现在幼儿园放学前的时刻，图5为建筑各部分造成的冷负荷值，其中人体冷负荷值对整个制冷负荷影响较大，为12.44W/m²，占比46%，原因为幼儿园人员比较集中密度较大。该项目应用传热系数低的外门窗，并且应用了活动外遮阳系统，很大程度上减小了外门窗系统对能量消耗，制冷负荷由36.15W/m²减小到26.12 W/m²，冷需求（不考虑寒暑假情况下）由29.46 kWh/(m²a)减小到20.53 kWh/(m²a)。
图4 全天冷负荷随时间变化曲线图
图5 全天最大冷负荷构成分析图
图6为考虑暑假情况下在制冷期冷需求构成分析图，冷需求值为7.97kWh/(m²a)，人体冷需求为4.65 kWh/(m²a)，占比最大，由于应用外遮阳系统，因外窗辐射得热造成的冷负荷占比减小。图7给出不考虑暑假情况下冷需求构成分析图，更加直观反映出建筑本身各部分对建筑冷需求影响大小，总的冷需求为20.53 kWh/(m²a)。
图6 考虑暑假情况下冷需求构成分析图
图7 不考虑暑假制冷期冷需求构成分析图
采暖期热负荷和热需求分析
冬季采暖期最大热负荷为15.23 W/m²，图8为热负荷构成分析图，外围护传热损失热造成热负荷为13.26 W/m²，通风造成热负荷6.90 W/m²，总计20.16 W/m²，利用内部热源得热减小4.93W/m²计算得出最大热负荷。
图8 热负荷构成分析图
采暖期能量得失平衡如图9所示，得热柱状图显示通过太阳辐射、人体、照明、设备这四种自然的得热方式，可以补偿采暖期失热量的73%，其中人体得热和外窗辐射占比较大，采暖期热需求为4.82kWh/(m²a)，占总失热量的27%。
图9 考虑寒假时间采暖期能量得失平衡图
不考虑寒假时间采暖期热需求为7.33kWh/(m²a)，占总失热量的30%，各系统能量得失平衡详见图10。
图10 不考虑寒假时间采暖期能量得失平衡图
总结
该项目是我国夏热冬冷地区第一个被动式低能耗幼儿园项目，根据建筑特点和当地气候特点，通过被动式低能耗建筑节能设计，各系统优异技术参数和施工质量保证，极大降低了该示范项目负荷和能耗水平。通过项目能耗计算可以看到，幼儿园人员数量较大，对建筑的得热影响较大，增加了制冷期冷负荷和冷需求，同时，减小了采暖期热负荷和热需求，遮阳系统有效降低了夏季由于外窗太阳辐射带来较大制冷能耗。该幼儿园示范项目可以在用能极低的情况下为小朋友提供安全舒适的室内环境，在该地区做被动式低能耗幼儿园项目具有重要的示范意义。
本文原标题为：《盐城日月星城幼儿园被动式低能耗建筑能耗分析》；作者单位：住房和城乡建设部科技与产业化发展中心康居认证中心 高庆；原文刊登于《建设科技》杂志，版权归期刊编辑部及作者所有。
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【第197条】舒适标准之温度分层：从窗户50cm处测量地面（0.1m），以及坐着的一个人头部的高度（1.1m）的温度差异要求：小于2K（否则会产生“冷脚”的感觉）。