低能耗实验室是什么样的

在设计节能型建筑时,常常要求采用“被动式”建筑标准。但其中一些标准和边界条件在实验室建筑设计中却不能起到应有的作用。按照被动式的低能耗标准建造实验室是否是经济之举?本文对此给予了详细解答。

实验室工作的特殊要求往往会使被动式低能耗建筑标准难以贯彻落实,同时还会提高建筑成本。被动式房屋建筑的隔热标准甚至会带来适得其反的作用。被动式房屋建筑与实验室房屋建筑比较后,我们清楚地发现:贯彻被动式建筑标准不一定能够带来高节能效果,反而在不采取其他措施的情况下也能达到节能特性值的要求。也就是说:贯彻落实被动式建筑标准的可行性存在很大的局限性。

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被动式房屋建筑的概念通常是指:采取特殊的高效隔热措施,仅通过加热或冷却新鲜气流就能在室内形成舒适的温度环境(如图2所示)的建筑物。在这类建筑物中,无需采用传统建筑技术的主动式供热方式为建筑物内部供暖。

为了准确地评估建筑物是否能够满足被动式建筑要求,人们制定了达到被动式房屋建筑的要求、具体目标以及限制条件,并以此作为房屋建筑设计工作的指导。

上述标准是在住宅建筑技术标准基础上延伸而来的,描述了室内凉爽的温带气候环境:每平方米面积供热需求为15千瓦小时/年(kWh/m2a)和最大一次性能源需求为120kWh/m2a。需要说明的是:一次性能源是从天然能源载体或者天然资源中获取的能源。

为了使用、存储和运输这种一次性能源,首先必须将其转换成二次能源,例如转换成热能。而在能源转换过程中不可避免会出现能源损耗,减少了消费者实际利用的能源量。而要直接使用一次性能源的可能性很低,同时意义也不大。

为了能够对不同种类的一次性能源进行比较,例如对不同特性的一次性能源进行比较,不同种类的能源载体都有一个一次性能源系数。利用这一权重因子可以得出最佳的能源需求量,也就是主动式房屋建筑标准中最大120kW/(m2a)。

与住宅建筑相比较,实验室建筑有较高的室内负荷,而在实验室工作期间有很高的换气量。例如,室内负荷共计80W/m2,其中实验室仪器设备消耗55W/m2、照明15W/m2、人员10W/m2。再加上通风换气,通常实验室通风换气量为25m3/m2/h。按照15W/m2的室内照明量计算,每年2500小时消耗的总电力为37.5kWh/m2a。按照一次性能源系数2.6考虑,所需的一次性能源总量约为97.5kWh/m2a。

此外,通风、换气的机械设备也需要消耗一定的电力能源。通风换气所消耗的电力能源可按25W/m2左右计算。按照每年2500h计算,通风换气每年消耗的电力能源大约62.5kWh/m2a;换算成一次性能源为163 kWh/m2a。

这样,仅照明和通风换气所需的一次性能源就高达260.5 kWh/m2a。假设其他电气设备、实验室仪器设施、空调设备对电力能源的需求为38.5 kWh/m2a(约合100 kWh/m2a的一次性能源),合计得到的一次性能源总量为360.5 kWh/m2a。这一数值已经比被动式建筑标准中的规定数值高出了3倍;尽管假设这里已完全采用了集中供暖,因此不消耗任何形式的一次性能源。

在实践中,通常假定被动式建筑物的采暖需求为20 kWh/m2a。为了使比较和估算能够更加接近实际,也可采纳这一数据。由此,假设的实验室建筑所需的能源消耗总量就高达380.5 kWh/m2a(参见图3)。

由于用途不同,实验室的最低能源需求远远高于被动式低能耗住宅标准规定的能源需求。被动式低能耗住宅标准允许的最高一次性能源需求120 kWh/m2a仅仅满足了实验室照明和通风换气的需要,而实验室中所有的实验仪器设备都无法使用。

“被动式”的隔热规定几乎没有优点

建筑物的外围结构对实验室建筑的采暖和制冷效果也有不同于住宅建筑的强烈影响。多个具体的建筑设计热学模拟清楚的指出:在实验室建筑中采用被动式建筑标准的隔热方法虽然有一定的意义,但在建筑过程中却没有经济意义。

通过贯彻落实EnEV 2009标准把实验室建造成被动式低能耗的建筑物可以把建筑物总体的采暖需求减少25%,所需的采暖电力需求减少10%,空调制冷减少1%。若辅助采用了高效的热能回收再利用WRG甚至可以把总体的采暖需求减少43%。所需的采暖电力需求减少28%、空调制冷减少2%。而实现这些节约所需的资金支出与相对提高了的能源效率却不成比例。

所以,现行的被动式低能耗住宅建筑标准不适用于能源需求更高的实验室建筑设计。从实验室建筑规划设计和投资方面的更高付出,尤其是从实验室建筑典型的使用寿命角度考察的更高付出是不够经济的。为了能够建造真正高效节能的实验室,就必须考虑建筑物的特性、尤其是使用方面的特性:通过标准化而无法实现的特性。这里仍然需要像以前一样:协调所有与项目相关的需求和可能性,并在能源效率,成本效益,功能性和舒适性方面进行综合协调。