吉林建筑大学城建学院超低能耗示范建筑和实践,本文是建筑大学方面有关研究生毕业论文范文和低能耗和城建和实践相关论文范文数据库.
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【摘 要】 本文对我校超低能耗建筑示范项目意义和主要成果进行了介绍.该示范工程最大限度地利用太阳能、浅层地热能和风能等可再生能源,形成以土壤源热泵为主的多能互补型建筑能源供应系统.通过参与该示范建筑的部分设计和施工安装,掌握严寒地区多能互补型建筑能源供应系统和超低能耗建筑复合保温系统原理.
【关键词】 超低能耗建筑 土壤源热泵 可再生能源利用 毛细管辐射供暖/ 供冷
一、严寒地区超低能耗示范建筑研究简介
1.1 建设超低能耗建筑的意义
1、超低能耗建筑作为一种低能耗和高舒适度的节能建筑,被国际上确定为未来建筑的发展方向,在世界各地得到高度关注和迅速推广.其在建筑业中属于战略新兴产业,预计未来五年全国的市场份额将达千亿元级,严寒地区可达数百亿元级.
2、超低能耗建筑是我国建筑科技的前沿和今后的发展方向,它将促进建筑业结构调整,极大地推动建筑业技术进步,对推动行业持续发展作用巨大.
3、超低能耗建筑在国民经济发展和人民生活质量提高等方面都发挥着极其重要的作用.国家住建部发布的《建筑节能与绿色建筑发展十三五规划》指出到2020 年,建设更多“更加节能、更加舒适、更好空气品质、更高质量保证”的超低能耗建筑,是对满足人民对美好生活日益增长需要的最好践行.
1.2 超低能耗示范建筑研究的主要内容
1、本示范工程结合严寒地区的气候特征和当地资源情况,研究具有多能互补型建筑能源供应集成技术,以土壤源热泵为主,基于本地冬季热负荷远大于夏季冷负荷,提出应用太阳能热补偿等技术,以解决地温“冷堆积”,形成使土壤维持四季热平衡的技术体系,实现严寒地区土壤源热泵可长期正常使用的问题.
2、本示范项目最大限度地利用太阳能、浅表地热能和风能等可再生能源,减少煤等化石能源的消耗,有利于节能环保、改善环境质量,推动严寒地区可再生能源的开发利用.
3、本示范项目基于严寒地区气候特征、建筑特点和经济发展水平,对建筑围护结构（外墙、外窗等）进行优化,在深入挖掘现有技术潜力的基础上,集成创新应用适宜产业化生产并可实现规模化的成熟技术,在超低能耗建筑的设计中主要参考国家住建部2015 年11 月颁布的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》（以下简称导则）,来满足建筑围护结构及建筑供热/ 供冷的各项性能指标.
1.3 超低能耗示范建筑研究的主要技术经济指标
1、舒适性指标：温度：冬季≥ 20℃,夏季≤ 26℃；相对湿度：冬季≥ 30%,夏季≤ 60%；
2、传热系数：外墙及屋面≤ 0.18w/（㎡·K）；外窗≤ 0.9w/（㎡·K）；
3、气密性：空气渗透率N50 ≤ 0.6/h；
4、年供暖耗能量≤ 26 kW.h/ ㎡·a；
5.示范技术增量成本≤ 500 元/ ㎡.
二、在超低能耗示范建筑研究中完成的主要工作
2.1 超低能耗建筑能源供应系统的设计
2.1.1 土壤换热器系统设计
（1）考虑到系统持续稳定运行、群孔效应等综合因素后,设计工况下换热器每延米换热量建议（De32 单U 管设计）：夏季散热量47-48.5W/m（25 ～ 30℃工况）,冬季取热量28.6-29.4W/m（-5.5 ～ -0.5℃工况）.
（2）管材选择.地源热泵以浅层地热作为热源,其主要的换热装置为地埋管换热器.竖直地埋管换热器由于其施工方便、占地面积比水平埋管方式小等优点而广泛被使用.本项目经过水力计算确定垂直地埋管管材,选用 PE100给水管材,De32,公称压力1.6MPa；同时采用原浆回填,必要时加少量黄沙,保证回填材料的导热系数不小于土壤导热系数.
（3）单 U 和双 U 的选择.垂直地埋管的埋管形式一般分为单U 和双U 两种形式.由于粘土的换热能力相对岩石较小,粘土地质中,双U 管的换热能力只为单U 管的1.1 倍左右,甚至不到；而岩石地质中,双U 管的换热能力为单 U管的1.2—1.3 倍左右.根据岩土热响应测试报告,在该项目地,单U 型地埋管的夏季的排换热能力约为 48W/m,冬季的散热能力约为29W/m.
（4）根据冬季最大取热量,计算所需的埋管总长度为11517m.综合夏季和冬季埋管长度,取较大值11517m.
（5）竖井数目及间距.垂直井深的数目与项目可用钻孔面积、项目负荷、当地地质状况有关,需结合上述几种情况综合考虑.本项目经过经验和论证,本项目打井深度100m,项目所需的埋管总长度为冬季长度 L等于11517 米埋管总长度11517m,共需打井个数116 个.为保证系统能过长期运行,所以需要将孔数后乘以5% 的富余系数,以确保在今后系统运行中即使出现坏孔情况,系统也能够正常运行.需埋设122 个竖井,由各支路接至地源侧集分水器,集分水器埋地布置.
2.1.2 地源热泵系统设计
（1）热泵机组选型.通过上述岩土热响应测试结果,本项目所在区域适合采用地源热泵系统.根据能耗模拟计算空调负荷结果选择主机,全热回收型热泵主机夏季为新风除湿机组和毛细管辐射末端提供冷冻水,夏季还可采用地源侧直供方式；冬季热泵机组为新风加湿机组和毛细管辐射末端提供热水.
（2）地源热泵系统运行工况.冬季当太阳能热水不足时,全热回收地源热泵（涡旋式）启动制热模式制取热水,通过毛细管末端和新风系统为超低能耗建筑供暖；同时开启标准地源热泵机组（涡旋式）来满足工程实训中心和门厅的空调热负荷.超低能耗建筑冬季室内设计温度为20℃,毛细管供暖供回水温度为 32/30℃.
夏季开启全热回收地源热泵机组,通过毛细管末端和新风系统为超低能耗建筑供冷,同时回收全热机组的热量来提供热水负荷；开启标准地源热泵机组来满足工程实训中心和门厅的空调冷负荷.超低能耗建筑夏季室内设计温度为26℃,制冷供回水温度为 18℃ /20℃.
三、超低能耗建筑围护结构保温工程施工
3.1 基础保温
本工程为了满足超低能耗要求,降低地面传热量：
（1）将工程所在的地面及周边挖开,铺设保温材料,范围是底层地面沿外墙向内2 米范围的四周,铺设200 厚苯板.
（2）&plun;0.000 以下外墙做防水保温,避免热桥产生.
（3）地梁部分用保温材料包围.
3.2 外墙保温
（1）外墙保温采用苯板+ 岩棉板复合形式： 140 厚苯板+80 厚岩棉+50 厚保温砂浆+ 外饰面.外墙平均传热系数k ＜ 0.18 W/ ㎡ .K,实测为0.1 w/ ㎡·K,比设计预想还好.
（2）砼砌块（190 厚）的薄弱处填充保温砂浆等将其热桥阻断.
3.3 外窗
为达到超低能耗目标,采用哈尔滨森鹰的铝包木被动窗,三玻两腔充氩气中空玻璃,按照被动式窗的要求施工.设计传热系数为0.9W/ ㎡·K,实测为0.79 w/ ㎡·K,比设计预想还好.
（1）外窗安装方法有别于传统安装形式：窗户安装在主体外墙外侧 ,借助于角钢或小钢板固定,整个窗的2/3 被包裹在保温层里,形成无热桥的构造.
（2）窗洞口处理：窗框与外墙连接处采用防水隔汽密封布,强化窗洞口的密封与防水性能.
（3）金属窗台板：外窗台设置一体化的金属窗台板,为了避免雨水侵蚀造成对保温层的破坏；与此同时窗台板设置滴水线；窗台板与窗框之间有结构性的链接,采用密封材料密封.
四、超低能耗建筑能源供应系统的安装
4.1 地源热泵系统安装
（1）地源侧循环载冷剂为乙二醇水溶液（体积浓度20%）,采用一次泵定流量循环供水系统,地源侧水系统设置1.5 吨乙二醇水溶液存储水箱,采用囊式定压补水机组.负载侧的循环水系统也采用一次泵定流量循环并设置囊式定压补水装置,用自来水直接补水,自来水管的接驳点设置防倒流装置.
（2）系统工作水温：制冷工况：负载侧7/12 ℃,源侧25/30℃；制热工况：负载侧40/45℃,源侧进水温度2/-3℃.制冷/ 制热工况转换由机组内部切换实现.
（3）科研楼：设置1 台全热回收涡旋地源热泵主机,制冷104.2KW ,制冷功率20.9 KW；制热77.5 KW,制热功率29.9 KW；热回收能力105.5 KW,最高热水出水温度55℃.夏季供/ 回水温度7/12℃,冬季供/ 回水温度45/40℃.
（4）科研楼走廊等辅助房间的风机盘管水系统采用两管制,竖向水系统以异程式为主,水平式系统则为同程式.风机盘管的循环水泵设于冷热源机房内.
4.2 毛细管辐射供暖/ 供冷系统
毛细管辐射系统承担室内显热负荷,毛细管内循环水由科研楼的热泵主机经板式换热器提供,夏季供/ 回水温度18/21℃,冬季供/ 回水温度35/32℃.
（1）一层采用地面地埋毛细管网栅辐射供暖/ 供冷方式,二层采用屋顶铺设毛细管网栅辐射供暖/ 供冷方式.
（2）毛细管材为PP-R,规格4.3*0.8mm,干管规格为20*2.0mm.毛细管网栅两面留空或焊接插接接头,用套筒焊接方式连接.每个环路设计流量低于4L/min,每个环路毛细管铺设面积不大于15 m2.毛细管网栅供回水干管贴地或贴顶安装,每一环路的毛细管通过供水干管与分集水器连接.连接分集水器的干管采用热镀锌钢管,干管采用20mm 厚柔性橡塑保温.
（3）毛细管水系统设置分集水器,在分集水器每个支路上分别设置流量计和热电阀,热电阀与房间温控器一一对应.毛细管循环水系统设置定压膨胀罐,循环介质为水,不添加任何防冻剂.
五、超低能耗示范建筑研究取得的主要成果
5.1 经济效益
（1）节能节省供暖费.与常规建筑（节能65%）比较,在相同舒适度前提下,本超低能耗建筑节能71.7%,供暖年运行费节省10091 元.在严寒地区如能推广建设200 万平米超低能耗建筑,则每年可节能71.7%,供暖年运行费节省1640 万元.
（2）产能建筑及其效益.经监测,本示范建筑安装的风光互补并网发电系统,平均日发电量100 度,可弥补平均日耗能量21%.在用能最少的春秋季,可将多余电售卖,按国家对可再生能源发电收购价0.2 元/ kW·h 计算,平均每年可创经济效益2580 元.
5.2 社会效益
本项目的实施为严寒地区超低能耗建筑的设计、建造和运行提供真实可靠的依据.借此可大力推进节能型建筑材料的使用,清洁或可再生能源的广泛利用,从而降低能耗,减少排放,保护生态环境,推进可持续发展,为人们提供更加节能、更加舒适、更好空气品质、更高质量保证的人居环境,具有良好的综合社会效益.
5.3 环境效益
经测算,该超低能耗建筑每年减少能耗469144KW.h,可节省标煤168.89 吨,减少污染排放1.7 吨烟尘,450 吨二氧化碳,3.4 吨二氧化硫,1.2 吨氮氧化物.节能减排,改善人居环境和质量,具有良好的环境效益.
5.4 工程造价分析
本示范工程示范工程总造价6627336 元,折合单位建筑面积总成本3591 元/ ㎡（精装修,不含风光发电）,示范工程增量成本约406 元/ ㎡.对应于同类档次的普通建筑,增量部分主要包括建筑供能系统增量203 元/ ㎡,高性能外窗增量153 元/ ㎡,增强外墙保温和气密性增加单位成本约50元/ ㎡,由此计算出本超低能耗示范建筑的上述增量成本.
超低能耗建筑初投资略高,但很节能、很舒适,其增量成本可在运行2-3 年后收回.目前可在有较高舒适性要求、有一定经济条件的城镇新建住宅和公建中推广应用.同时根据可接受程度,可将超低能耗建筑方案设计成不同成本档次的“菜单形式”,供消费者选用.
六、结语
本示范建筑通过整合并应用当前最先进的绿色低碳建筑节能技术,为该类建筑的设计和技术标准提供研究和实践基础.通过运行跟踪监测,收集大量运行数据,继续深入研究,为吉林省的超低能耗建筑提供可复制,可推广的标准化、工程化技术方案,从而有效推动绿色低碳建筑节能技术的产业化发展,并为严寒地区超低能耗建筑开拓市场奠定基础,发挥示范引领作用.该示范项目2016 年被评为全国首批超低能耗建筑标志性项目,2017 年作为全国遴选的13 个优秀项目之一参加了全国超低能耗及近零能耗建筑公众日活动,2018 年1 月被遴选为科技部国家重点研发计划“近零能耗建筑技术体系及关键技术开发项目”全国13 个跟踪监测项目之一.2017 年10 月投入运行以来,全国各地慕名前来参观学习者络绎不绝,在行业内乃至全国引起较大反响.
参 考 文 献
[1] 彭梦月. 欧洲超低能耗建筑和被动房标准体系［J］. 建设科技,2014(21)
[2] 徐伟. 中国被动式超低能耗建筑技术体系研究［J］. 建设科技,2015(23)
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