被動房建築中熱泵技術應用與實踐
本期我們分享的是製冷空調換熱器技術聯盟專家、同濟大學暖通空調研究所張旭教授在洛陽舉行的2018年全國製冷空調及熱泵技術發展論壇的演講PPT。內容題目為《被動房建築中熱泵技術的應用與實踐》。
一：被動房技術體系及其關鍵技術要素
被動式房屋的概念最早起源於歐洲，其最初目的為：用自身的得熱滿足冬季採暖的需求。
1、定義
被動式建築設計是指在滿足室內舒適度要求的前提下，針對建築節能目標，利用自然方式，不需任何機械動力（或者機械動力是不以實現室內舒適度為目的的輔助動力），以此來降低能源消耗的設計方法，如自然通風、自然採光、建築遮陽、屋頂綠化等。
2、技術要素
Passivhaus Institut：PHI提出了被動式建築的5個基本要素
3、技術指標體系
優點
運行費用低：按照標準建成的建築，冬季採暖能耗為歐洲現有建築（1995年建成）能耗的1/20～1/10,是低能耗建築的1/5～1/2；
初期投資適中：被動房成本比傳統房屋高5%～15%，但會在未來5～10年間收回增量成本，建築空間優化設計可以節省成本；
歐洲被動房技術較為成熟，取得了一定規模的發展。目前,德國已有6萬餘棟被動房,並以每年3000棟的速度發展。被動房占建築總量的比例在迅速提高。
歐洲被動房用能系統示意圖
二：提高被動房能效的技術路線
1、對被動房技術要素的響應與對策
1）由於被動房採用高性能圍護結構技術，冬（夏）季熱（冷）負荷都比較小，應該選用合理適宜的低?末端設備；
2）為保障室內空氣品質，新風量一般較大，必須應用高效的熱回收裝置；
3）被動房有明確的能耗指標，必須充分利用可再生能源並應用高效能源轉換系統，以減少對外部能源的使用；
2、中歐居住建築外圍護結構保溫參數對比
根據德國被動房標準計算的我國典型城市的DDH18的年供暖能耗與負荷；
採暖期：哈爾濱180天，瀋陽150天，北京120天，上海90天計算；
被動房的高效保溫牆體和高性能門窗使建築負荷大幅度降低；
3、被動房圍護結構熱工性能對空調能耗的影響
4、五個建築參數對連續運行的空調能耗的影響分析
1）提高圍護結構保溫性能對冬季供暖工況節能的貢獻大；
2）遮陽對夏季節能貢獻大，對冬季節能的貢獻為負效應；
3）換氣次數對冬季能耗影響較大，減小新風處理能耗及熱回收是重要的節能措施；
5、低?末端的應用
由於被動房技術體系提高了建築牆、窗等熱工性能，和傳統建築相比，室內的冷熱負荷大幅下降，根據熱力學第一、二定律，應該有針對性的應用承擔低負荷的暖通空調系統末端，同時應用可以實現低溫供熱和高溫供冷的系統末端。
下面是幾種主要低?末端形式。
內埋管混凝土結構（concrete core）
冷梁（chilled beam）
金屬輻射頂板（radiant cooling panel）
毛細管平面空調輻射末端（capillary mats）
6、輻射空調的產業鏈及應用瓶頸分析
7、合理的新風量及排風熱回收技術
新風量決定因素—即室內可用於確定新風量需求的目標污染物或其他因素。
1、舒適Comfort(第一層面) 氣味：體味、呼氣等生物污染物(bioeffluents)
2、刺激Irritation(第二層面)Bioeffluents/甲醛、苯系物等揮發性有機物(VOCs)
3、健康Health(第三層面)Bioeffluents/顆粒物/VOCs/半揮發性有機物(SVOCs)
8、目前被動房的新風量可以按下列方法計算：
1）按GB-50736-2012，設置集中空調的居住建築，可按人均面積10-50m2，換氣次數為0.7-0.4次/h分別設定；
2）按2015年11月住建部印發的《被動式超低能耗綠色建築技術導則（試行）（居住建築）》第60.68.69條中分別對新風量、衛生間及廚房排風方式進行了規定：新風量宜按總人數確定，每人所需的最小新風量應按30m3/h計算，新風量應與排風量平衡。
9、熱回收系統的有效性
全熱交換器一次能源利用效率
空調系統的能源利用率為製取的能量與所消耗的能量之比，折算成一次能源的熱量值表示用PER（Primary Energy Ratio），單位kW/kW。那麼關於板式空氣全熱交換器的能效也就可以定義為回收的能量與風機額外消耗的電能之比。
1）對於所計算的用能系統的能源利用率，採用熱回收裝置均有明顯的提高；
2）不同能源組合，熱回收的一次能源利用率的增量不同；
3）冬季運行工況的回收效果好於夏季效果；
三：高性能熱泵技術在被動房中應用
1、戶式熱濕分控熱泵機組研發
2、空氣源熱泵+膜法除濕系統
3、多冷凝器主動式排風熱回收熱泵
4、利用硅膠轉輪組合排風熱回收熱泵
針對新風能耗大的特點，利用PTR-MS（超靈敏VOCs快速在線監測儀對迴風經過硅膠轉輪發現，主要VOCs在流經硅膠轉輪後有明顯的降解功能，可以在回收排風餘熱的同時，改善迴風的空氣品質，降低新風量，達到節能的目的。
5、利用太陽能+洗浴灰水的家庭熱泵熱水供應（芬蘭）
家用供暖系統：6m2太陽能集熱器，洗浴灰水熱交換器、5kW熱泵和電加熱器構成的家庭採暖熱水供應系統，房間面積300m2，經測定，全年採暖用能7200kWh(24kWh/m2 a），灰水換熱器回收600kWh，太陽能集熱器提供1400kWh，熱泵和電加熱器耗電3800kWh（12.724kWh/m2 a），可以滿足被動房的用能指標。
四：總結
1、採用高效熱泵是被動房技術體系重要環節，是達到能耗指標的重要技術措施；
2、如何確定被動房的新風量仍需要大量基礎研究的支撐；
3、由於被動房室內的冷熱負荷大幅下降，應該有針對性的開發並應用可以承擔低負荷的暖通空調系統末端；
4、開發利用多蒸發器及多冷凝器、並可有效利用家庭排風、洗浴灰水的熱泵技術，可以進一步有效降低能耗；
