幸福堡|新疆首座PHI认证被动房

建设地点：乌鲁木齐市

新疆乌鲁木齐“幸福堡”工程由新疆大成房地产开发公司投资建设；由德国海德堡能源与环境研究所负责牵头，召集德国被动房研究所、德国“文化桥”设计事务所及新疆建筑设计研究院联合设计完成的集商业，办公和餐饮于一体的被动式商业综合楼，其中暖通专业由新疆建筑设计研究院独立完成施工图设计。

该工程建设地点位于新疆乌鲁木齐市幸福路，总建筑面积为：7791.03m²，其中地下建筑面积：3163.50m²，地上建筑面积：4627.53m²，建筑基底面积：939.59m²，建筑层数为地上6层，地下2层；建筑总高度为 23.40m；建筑体形系数为0.23；建筑耐火等级为二级；建筑工程等级为二级；地下室耐火等级为一级。设计抗震烈度为8 度；屋面防水等级为 Ⅱ 级；结构体系为框架剪力墙结构。

各层建筑功能表

该工程被动区与非被动区做如下划分：-2F地下车库及生活热水换热站及-1F商业用房为非被动区，该区域建筑面积为3163.50m²；地上1F至6F为被动区，该区域建筑面积为4627.53m²。

该建筑于2014年9月建成，并于当年取得德国被动房研究所颁布的认证，成为西北地区第一座被动式建筑，也是当时全国最大的一座由德国被动房研究所颁布认证的被动式建筑。

1.建筑热工

外墙采用300mm厚岩棉与XPS板保温，使其最终主体部位的传热系数满足德国被动式建筑的相关要求。地下室顶板及外墙按照德国被动式建筑的要求进行保温处理，将被动区与非被动区进行隔离。

窗井、雨篷等构件与主体结构脱离，保证此部位不会产生热桥。外窗传热系数及得热系数均满足德国被动式建筑要求并配以电动外遮阳措施有效的降低了建筑物的夏季空调能耗。

2.蒸发冷却技术+地板辐射供冷

充分利用新疆地区空气含湿量和湿球温度低的这种干热气候特点，利用蒸发冷却冷水机组制取16-21℃冷冻水用于地板辐射供冷及新风降温。在大幅度提高了整个空调系统能效的基础上使得整个空调系统实现干工况运行，避免了冷冻水温度过低造成的先除湿再加湿的能源浪费。

实际运行时地板辐射供冷承担室内大部分显热冷负荷，室内的全部潜热冷负荷和小部分室内显热冷负荷均由新风热回收式机组承担，同时地板辐射系统还可承担冬季供暖作用。

3.高效新风热回收机组

所有新风处理设备均采用板翅式全热回收机组，热回收效率≥75%。尤其在冬季可节省大量的新风加热量。需要说明本设计采用的板翅式热回收器是一种由可渗透水蒸气分子的膜材料生产而成的板翅式热回收器。

与金属材质不同，使用这种特殊材质制成的板翅式热回收器，其进排风通道之间的空气发生的是热湿交换，完全可以实现全热回收的功能，且热回收效率可满足设计要求。

同时由这种膜材料制成的板翅式热回收器当室外温度在-28℃，相对湿度处于40%-50%时，运行4个小时后，热回收核心部位才开始结冰，此刻排风口开始受阻。而乌鲁木齐白天一般温度均在-20℃以上，故使用该材料的热回收器可以保证热回收机组在-15℃至-20℃也可正常运行。

4、灵活的自控系统

1）所有循环水泵及新风热回收机组均采用变频控制。

2）冷凝锅炉采用多模块组合方式，实际运行过程可按照热量需求自动调节燃烧工况和模块启停数量。部分负荷时在保证供暖系统供回水温度的前提下，锅炉仍可高效运行。

3）在典型房间内设置CO2浓度探测器，用于控制新风供给量及机组启动。

4）室内新风供暖用时间继电器与房间温控器相结合的控制方式

5.燃气锅炉完善的控制及节能措施

1）燃气锅炉内部已配置一次侧主循环泵，采用直流变频节能循环泵及直流变频风机，可根据负载需要自动调节所需流量、风量，节约电能。

2）燃气锅炉通过热力耦合罐将热源一次侧与用户采暖系统隔开,一次侧设置比例调节阀，以调节采暖系统所需负荷；二次侧设置循环泵及温控装置，针对室内温度进行控制。

3）燃气锅炉具有防冻功能。当锅炉出水温度低于6℃时，该功能将被激活，燃烧器将调整至最小燃烧功率。当锅炉出水温度高于8℃时，该功能将被关闭，燃烧器恢复正常。

4）燃气锅炉输出功率具备自动调节功能。输出功率自动根据供暖需求进行调整，当负荷较低时可仅开启一个模块，并且最低功率可调制13kw。

1.本工程设计参照的依据

截止本工程设计完成时国内还未出台针对公共建筑的被动式建筑设计标准或规范，设计人员故采用德国被动房作为本次设计的参考依据，建筑能耗的计算最终也会采用PHPP软件来进行。

2.建筑热工

被动式建筑冬季供暖主要靠自由热，即室内人体、照明、设备得热量和透过窗户的太阳照射得热量；夏季主要靠外遮阳、自然通风、地板辐射供冷等降温措施。

所以，它对建筑围护结构的热工性能要求很高，具体围护结构的传热系数是否达标，必须经专门的PHPP软件核算，但一般必须满足以下要求：

1）建筑外保温的所有不透明部位必须很好保温。对于严寒寒冷气候的传热系数应小于0.15 W/(m²·K)。

2）窗户必须保温好，对于严寒寒冷气候的传热系数应小于0.80 W /(m²K)，g-value=50%。

3）为了室内空气质量和节约能源，被动式建筑的高效热回收热交换效率应大于75%。

4）在室内外压差50Pa下，通过建筑缝隙每小时泄漏的空气量必须小于0.6倍建筑体积。

5）建筑的边缘,转角,连接和缝隙等部位的设计不应有热桥，无法避免的热桥,必须尽可能最小化，应小于0.01 W /(m²·K)。

本设计围护结构传热系数

3.冷热负荷的计算

1）冷负荷的计算

本工程空调冷负荷的构成与常规工程基本是一样的，主要包括外墙及屋面传热冷负荷、外窗温差传热冷负荷、外窗的太阳辐射冷负荷以及人体、照明、设备等内部发热量形成的冷负荷。但计算过程中存在两点差异是设计人员需要注意的：

a、由于新疆室外空气非常干燥，其空气含湿量远低于室内空气含湿量。故室内人体等产生的潜热冷负荷完全可以由新风来承担，在冷源的设计选型时可不考虑该部分冷负荷。

b、由于被动式建筑的空调冷负荷指标要求较低，内部发热量一定的情况下如何有效的降低围护结构形成的冷负荷成为重点。围护结构冷负荷中，外窗太阳辐射冷负荷是占有相当大的比例，因而采用合适的外遮阳措施及严格控制外窗的得热系数对降低室内冷负荷可以起到事半功倍的效果。

2）热负荷的计算

被动式建筑供暖热负荷计算与常规建筑有一定差别，除需考虑围护结构和通风热负荷外还要考虑建筑内人员及太阳辐射对建筑热负荷的影响。除此之外设计人员在具体计算过程中还应注意以下几点：

a、围护结构基本耗热量的计算与常规设计相同，但由于围护结构的传热系数的大幅减小该部分的计算结果较常规工程会有明显下降。

b、被动式建筑对于气密性的要求是非常严格的（室内外50Pa压差下，透过门窗缝隙渗透的风量不大于0.6次换气次数），实际使用过程中，室内外压差一般远低于50Pa，在这种情况下，门窗缝隙的冷风渗透量不再计算。

c、不再计算大门冷风侵入耗热量。虽然建筑物的大门一般会经常开启，但乌鲁木齐地处严寒地区，其主入口本身要设置门斗。通过合理设置门斗两道门的间距，可有效的避免其同时开启，故大门的冷风侵入耗热量实际也是可不计算的。

经PHPP软件计算本建筑单位面积年供热能耗为14.09kWh/m²a，单位面积年供冷能耗为4.0kWh/m²a，一次能源（热水、供热、制冷、其它用电）年能耗为54kWh/m²a，全年25℃超温频率≤10%。德国被动房研究所实测建筑气密性n50=0.2h-1，以上指标均满足德国被动房考核标准。

1.冷源的设计

因乌鲁木齐夏季度日数CDD26=36（℃·d），空调系统运行周期较短，能耗小；冬季度日数大HDD18=4329（℃·d），冬季的供热能耗数倍于夏季。

另外乌鲁木齐夏季属干热气候区，夏季空调任务=保证空气品质+降温+加湿；所以末端设备可实现干工况运行，本工程项目基于干热气候区，采用室内不宜结露的地面辐射水供暖、供冷系统，以降低一次投资和运行成本。

综上所述，冷源采用设在屋顶的间接蒸发冷水机组供冷水(16/21℃)。两个高效二级蒸发冷却功能段（间冷效率=80%，直冷效率70%）借助干、湿球温差产生的天然驱动势或冷源。

经计算，蒸发冷却冷水机组COPn=24.4，空调系冷源统综合制冷系能系数SCOP=24.4，可见正式由于蒸发冷却冷水机组这种特殊的工作原理使得主机的性能系数与综合制冷系能系数是相同的，并且较传统高温冷水机组能效更高。

2.热源的设计

本建筑冬季能耗超低，仅用2m3/m²的天然气即可，供热成本小于5元/m²如按集中供热收费，乌鲁木齐目前供热计量收费按22元/m²计，则一个采暖季应交热费约17.1万元，可见被动式建筑如采用集中供热很不划算。

故放弃城市集中供热决定采用冷凝式燃气热水锅炉作为供暖热源，节省热费的同时，供暖系统水温的调节更加灵活。

在屋顶锅炉间设置2台制热量分别120 kW（两模块）及180kW（三模块）的冷凝式模块燃气热水锅炉。其中三模块锅炉设计供回水温度为80℃/60℃，主要负责全楼的新风加热系统、散热器供暖系统及生活热水辅助加热系统。

两模块锅炉设计供回水温度为40℃/30℃，主要负责全楼的地板辐射供暖系统。每台模块锅炉均内置本体循环水泵,通过耦合罐连接二次侧变频循环泵；整个锅炉会根据实际的建筑负荷及室外气温自动调节锅炉内模块工作数量以改变锅炉的输出功率。

当供回水温度为50-30℃时，最高热效率可达107%。采用冷凝式锅炉主要是考虑冬季供暖的初寒期及末寒期，热媒供回水温度不太高时，燃气锅炉的冷凝热可以一并加以利用。

1.空调冷热水系统的设计

本工程空调方式采用地板敷设供冷+新风系统,地板辐射承担室内大部分显热冷负荷，室内的全部潜热冷负荷和小部分室内显热冷负荷均由热回收式空调机组承担；由于本工程冷源为设置于屋面的蒸发冷却冷水机组,为便于冬季、夏季工况切换，为此管路系统专门设置切换用电动调节阀。

空调系统补水：通过下室变频补水泵向屋面蒸发冷却冷水机组补充软化水，然后再由机组向系统补水，同时该机组还起到为系统定压的作用。为保证系统水质，水泵吸入端过滤器应定期清洗或更换过滤网。

冬季空调用热水由屋顶燃气锅炉提供，分别供给每台热回收机组的加热段加热新风使用。

2.地板辐射供暖供冷系统的设计

本工程地板辐射系统冬夏两用，为加大该系统夏季供冷量，全楼盘管间距均采用100mm。地暖盘管夏季通入由屋面蒸发冷却冷水机组制取的16/21℃冷水进行制冷，经计算，设计工况下地板辐射供冷单位面积制冷量约26w/m²。

由于地暖盘管间距均为100mm，如冬季供暖供回水温度仍按常规45/35℃进行设计，则会出现实际供热量远大于热负荷及地面温度超规范要求等问题。故设计时根据建筑物热负荷及地面度规范要求对地暖系统冬季供回水温度做出修正，最终采用40/30℃的低温热水。

3.新风系统的设计

新风处理设备采用板翅式全热回收机组，板翅式热回收器的材质未采用金属材质而是使用了一种可渗透水蒸气分子的膜材料。

使得进排风通道之间的空气可以进行热湿交换，从而实现了全热回收的功能。地下二层车库通风用新风热回收机组热回收效率≥65%，其余楼层新风热回收机组热回收效率≥75%。

本工程按照各区域人员新风量标准计算出送风量，下表5列出了欧洲EN13779标准中不同室内空气品质下对人员新风量的要求，其中被动式建筑新风标准为30m³/h/人，对应表中“中等空气质量”一栏的要求。

由于本设计新风除满足室内空气品质要求外还起到室内供暖及供冷的作用，故最终新风量是按照人员新风标准与供暖供冷新风量比较后取大值计算。经计算实际新风量处于35-45 m³/h·人，完全满足被动式建筑的要求，甚至部分房间可以达到“高质量空气”的标准。

欧洲EN13779标准中不同室内空气品质下对人员新风量的要求

-1F--6F层空调风系统配置表

虽然热回收机组对降低冬季新风加热量作用明显，但在实际使用过程中还应注意防冻问题，本工程采用了以下几种防冻措施：

1）室外新风通过地道进行预热，使得机组的进风温度高于机组排风的露点温度。

2）热回收机组新风入口及排风出口上安装的保温电动密闭阀除与机组联动外，应对阀门的漏风率做出要求，建议漏风率≤‰2，以防止夜间机组停机时室内相对潮湿的空气通过其向室外渗透而结冰，另外也保证了建筑物具有良好的气密性。

3）对热回收器的材质提出要求，比如采用某种结构比较特殊材质对排风中的水分子进行过滤，不让其在排风通道停留过长时间而结冰。

4）白天如果热回收机组进风温度＜-12℃时（对应室外空气温度为-18℃），建议机组应停止工作，避免热回收机组发生冻结。

1.室内新风供暖用时间继电器与房间温控器相结合的控制方式。其中时间继电器可按照上班、下班、节假日等不同模式实现间歇供热。

2.在机组回风段设置CO2浓度探测器，用于控制新风供给量和机组的启动。由于新风系统要用于房间供暖，故每个房间通风量的控制应将两者结合考虑，最终确定房间温控器的控制优先于室内CO2浓度控制。

3.冷凝锅炉按照热量需求自动调节燃烧工况，无须专人值班。NOx排放小于30ppm/m3，排烟温度小于45℃，水蒸气排放量也大幅下降。

该建筑完整的一个采暖季的实测数据

从上表可以算出该建筑采暖季实际单位面积耗电量仅0.71 kWh/ m²；故采暖季单位建筑面积耗气量为2.67m³/ m²a，目前乌鲁木齐采暖用天然气价格为1.37元/m²，则该建筑采暖季单位面积采暖费为2.67×1.37=3.66元/ m²a，与乌鲁木齐当前22元/ m²的集中供热采暖热费相比大幅降低。整座建筑的暖通系统从近两年的运行情况来看存在以下两点问题：

1）初次设计严寒地区被动式公共建筑，设备选型尤其是热源的选择富余系数选取偏大。

2）个别热回收机组进排风通道上的电动密闭阀漏风率超设计要求，冬季外墙进排风口明显挂冰，造成此处通风不畅。

德国达被动房研究所贝特霍尔德·考夫曼博士向乌鲁木齐高新技术产业开发区大成实业有限责任公司总经理熊波（右）颁发“被动式房屋”认证标识。

被动式建筑标准已收到国际广泛重视，实践证明它的节能技术是成熟的，技能效果得到验证，收益效果巨大。

但也必须清楚德国被动房是一个完成的体系，从标准、设计、施工、咨询人员及被动房认证都有一套严格标准和从业资格。

幸福堡工程在设计过程中采用的许多规范、标准及技术措施都是基于欧盟或德国现行规范，与我国的现行规范和标准并不对等。

被动房要实现其节能目标，设计不仅要关注建筑性能的每一个点，还要关注全过程的管理。只有所有环节的质量得以保证，才不会在工程使用时出现节能短板。