新風空調(diào)一體機在夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑中的應用

本文刊發(fā)于《綠色建筑》雜志2024年第4期，原標題為：新風空調(diào)一體機在夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑中的應用；作者：蘇業(yè)煒，偉大集團節(jié)能房股份有限公司；胡錦華，湖南科技大學土木工程學院；王帥，湘潭華潤建設有限公司。

圖1 新風空調(diào)一體機工作原理圖

室外新風通過新風閥、濾網(wǎng)、高效熱交換濾芯、換熱器和送風機處理后進入室內(nèi)。當進入的新風更有利于加快室內(nèi)溫濕度平衡時，如夏季夜間室外新風溫度低于室內(nèi)空氣溫度或過渡季節(jié)時，機組的旁路自動開啟，即此時新風不經(jīng)過換熱濾芯換熱直接進入室內(nèi)，避免了新風和排風之間的不利換熱。室內(nèi)污濁空氣經(jīng)過高效換熱濾芯和排風機排至室外。室內(nèi)循環(huán)空氣經(jīng)過粗效過濾網(wǎng)、回風閥、變頻送風機、高效濾網(wǎng)和翅片后送入室內(nèi)，系統(tǒng)的冷熱源主要靠變頻空調(diào)提供。

由于被動房氣密性較好，因此室內(nèi)人員散濕、衣物晾曬散濕及敞開水面的水分蒸發(fā)基本可以滿足室內(nèi)濕度的需求，所以新風空調(diào)一體機可以不安裝加濕模塊。對于高濕地區(qū)，新風空調(diào)一體機可以增加除濕裝置以改善室內(nèi)濕環(huán)境。

新風空調(diào)一體機中的熱回收換熱器按照原理不同分為轉輪換熱器、板式換熱器、溶液循環(huán)式換熱器、熱管式換熱器和溶液吸收式換熱器等。每種熱回收裝置具有如下運行原理、工作特性、運行參數(shù)、使用場合和適用工況。

（1）轉輪換熱器。該裝置體積較大，占用空間大。因需設置轉動機構，轉動會消耗能量。此外，由于轉輪換熱器風壓壓損較大，存在氣流滲漏，因此會發(fā)生交叉污染現(xiàn)象。適用于溫差較大的新風熱回收系統(tǒng)。

（2）板式換熱器。該裝置只回收顯熱，無法回收潛熱，使用壽命長，方便維護保養(yǎng)，換熱效率高。適用于室內(nèi)外溫差大、濕度小的地區(qū)。

（3）溶液循環(huán)式換熱器。該裝置的室內(nèi)排風與室外新風完全隔離，兩者不直接接觸，不會產(chǎn)生交叉污染。吸收熱量側和釋放熱量側通過管道連接，管道布置方式靈活多樣，對空間要求不高，安裝方便快捷。不過，該裝置只能對顯熱進行回收，不能回收利用潛熱，且管路中需配置循環(huán)泵，將額外耗費能源動力，這使得換熱效率通常在60%以下。

（4）熱管式換熱器。該裝置布局緊湊合理，傳熱面積較大，無額外能源消耗。每根熱管自成換熱體系，不易堵塞，方便更換，換熱效率達60%~70%。不過，其不能對潛熱進行回收利用。

（5）溶液吸收式換熱器。該裝置在冬季無需考慮防凍措施，新風與排風完全獨立，不會產(chǎn)生交叉污染現(xiàn)象，且構造簡單、維護方便，運行較穩(wěn)定。不過，該裝置尺寸較大，因此所占用的空間較大。此外，由于該裝置需配溶液泵，因此要消耗額外的動力能源。其噴灑的溶液可以除掉空氣中大部分細菌、微生物及可吸入顆粒物，能夠凈化空氣，全熱回收效率可達50%~85%，且該效率不會隨使用時間的增加而衰減。若室內(nèi)存在有毒有害氣體，則該氣體會溶解在溶液中并隨溶液噴淋揮發(fā)，故不能采用此種設備。

基于熱回收效率、初投資和運行能耗等綜合考慮，轉輪換熱器或板式換熱器均可用于被動式超低能耗建筑中的新風空調(diào)一體機中。若兩者在顯熱效率和潛熱效率方面相差不大，板式換熱器由于不需要提供裝置運行轉動所需的電能，其能效高于轉輪換熱器。

1.2 新風空調(diào)一體機的運行模式

新風空調(diào)一體機支持多種氣流組織，可靈活應對各類空氣需求，如全新風模式、全循環(huán)風模式和混風模式。運行模式上，不同設備廠家的運行模式名稱略有差異，如舒適模式、節(jié)能模式和旅游模式可供切換，或自動模式、除濕模式、節(jié)能模式、凈化模式、靜音模式、富氧模式和離家模式。

住戶可自由選擇合適的模式進行調(diào)節(jié)。具體而言，舒適模式可盡可能使室外新鮮空氣起到室內(nèi)供冷、供熱和降低污染物濃度的作用。新鮮空氣會先進入臥室，再流向客廳，最后從衛(wèi)生間排至室外。同時，應盡量避免循環(huán)風的使用，以提高送風中新風的占比。節(jié)能模式可盡可能使室內(nèi)循環(huán)風承載室內(nèi)供冷、供熱和降低污染物濃度的要求。循環(huán)風取自客廳，經(jīng)過濾、溫度調(diào)節(jié)后送至臥室，再流回客廳。旅游模式則針對建筑物內(nèi)長時間無人居住時，不對溫度進行控制，減少每天的換氣量，節(jié)約能源消耗。

自動模式即自動打開循環(huán)風閥，啟動變頻送風機，系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)溫度與用戶設定溫度之間的邏輯關系判斷進入制冷、制熱、送風或除濕模式，再根據(jù)PM2.5、CO2、VOC濃度以及室外環(huán)境溫度等空氣質量參數(shù)判讀是否需要打開或關閉新風閥；除濕模式以濕度控制為主，打開循環(huán)風閥，循環(huán)風機低速運行；節(jié)能模式下，系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)溫度綜合智能判斷進入最佳的節(jié)能方案；凈化模式下，循環(huán)風機會按室內(nèi)的PM2.5 濃度情況調(diào)整風速的大小，對室內(nèi)粉塵進行過濾凈化；靜音模式即循環(huán)風機按靜音風速運行；開啟富氧模式時，新風閥與循環(huán)風閥同時打開，排風機根據(jù)CO2濃度調(diào)整風速，持續(xù)引進室外新風，保持室內(nèi)空氣清新；離家模式下，系統(tǒng)將每隔一段時間自動打開新風閥、送風機和排風機，并根據(jù)室內(nèi)空氣質量等級調(diào)節(jié)風速大小，保證室內(nèi)空氣質量。

2 應用工程實例

2.1 設計概況

2.1.1 工程概況

湖南省株洲市青龍灣德國之家超低能耗建筑示范項目是夏熱冬冷地區(qū)第一棟被動房高層住宅。該項目建筑用地面積共14666.67m2，由4棟住宅樓組成，單棟樓建筑面積為6882m2，地上12層、地下1層，基底面積為625.62m2，外表面積為7610.7m2，包圍體積為20289.26m3；每單元設智能電梯1部，每戶設種植露臺，整棟屋頂設種植屋面。每棟樓設2個單元，每層共4戶，其室內(nèi)面積分別為136m2、108m2、108m2和115m2。

每棟樓共計48戶，4棟樓共計192戶。該項目建筑外形如圖2所示。

圖2 株洲市青龍灣超低能耗建筑示范項目建筑外形

2.1.2 室內(nèi)環(huán)境設計參數(shù)

該項目室內(nèi)環(huán)境設計參數(shù)如表1所示。

表1 室內(nèi)環(huán)境設計參數(shù)

室內(nèi)環(huán)境一年四季處于舒適狀態(tài)，且應同時滿足以下規(guī)定：

（1）室內(nèi)空氣溫度保持在20~26 ℃；

（2）室內(nèi)空氣相對濕度宜保持在40%~60%；

（3）超溫頻率小于10%；

（4）室內(nèi)CO2濃度不超過0.1%；

（5）室內(nèi)圍護結構內(nèi)表面溫度溫差不得超過3℃；

（6）門窗室內(nèi)一側無結露現(xiàn)象。

2.1.3 能耗設計指標

本項目能耗設計指標如下：

（1）供熱需求指標為3.37kW·h/(m2·a)，不超過10kW·h/(m2·a)（為用戶端的供熱消耗，不包括供熱制熱損失）；

（2）制冷需求指標為19.27kW·h/(m2·a)，不超過37kW·h/(m2·a)；

（3）供熱負荷指標為5.3W/m2，制冷負荷指標為15.1W/m2；

（4）所有能耗的一次能源消耗總計120kW·h/(m2·a)，包括家用電器、制冷、供熱等能耗；

（5）所有熱橋的熱橋損失系數(shù)均 ＜0.01W/(m·K)。

2.1.4 冷熱負荷指標

該項目設計熱負荷為36.47kW，熱負荷指標為5.3W/m2；冷負荷為103.91kW，冷負荷指標為15.1W/m2。

2.2 新風系統(tǒng)方案設計

筆者以該項目某戶型為例進行新風系統(tǒng)設計的闡述，其室內(nèi)新風系統(tǒng)布置如圖3所示。

項目團隊基于被動式超低能耗建筑的特點，為了避免開窗通風造成的熱損失，降低能源消耗，同時達到空氣交換衛(wèi)生方面的要求，采用專門帶熱回收的戶式新風系統(tǒng)，在為室內(nèi)提供新風的同時，還為室內(nèi)提供冷熱源，保證室內(nèi)溫度在設定范圍內(nèi)波動。

該戶型室內(nèi)面積為136m2?；诜块g功能，設計人員將新風設備布置在過道的吊頂內(nèi)，將客廳、臥室、餐廳、書房作為送風區(qū)，衛(wèi)生間作為回風區(qū)，過道作為溢流區(qū)。衛(wèi)生間的新風機則設為強制啟動模式，以達到衛(wèi)生間通風換氣的目的。同時，設置了智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)。各個房間均設置有探測器，監(jiān)測室內(nèi)參數(shù)。主控面板位于客廳，集中顯示各房間溫度、相對濕度等參數(shù)。當有參數(shù)超標時，探測器會將信息傳遞給主控面板，主控面板則會發(fā)出指令對新風設備進行調(diào)整。

項目團隊選用的新風設備的技術參數(shù)如表2所示。

表2 新風設備的技術參數(shù)

此外，風管選用酚醛彩鋼復合風管制作風管。送風口選用電動雙層百葉風口，回風口選用單層百葉風口。送風、回風形式則采用上部側送風、頂部回風形式。

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境與耗電量監(jiān)測

筆者對上述戶型室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行為期1a（2022年11月11日至2023年11月10日）的跟蹤測量。該住戶室內(nèi)配置了1臺多功能電表和1臺無線儲存型室內(nèi)環(huán)境檢測儀，主要用于收集每日用電量和住戶室內(nèi)溫度、相對濕度、PM2.5 濃度和CO2濃度。測量設備相關信息如表3所示。測量設備布置如圖4所示。多功能電表布置于樓梯間，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀布置于客廳通往房間的墻壁壁面。

表3 測量設備的相關信息

圖4 測量設備布置

該戶型全年測量時期內(nèi)的室內(nèi)溫度、相對濕度、PM2.5 濃度、CO2濃度和耗電量情況如圖5 所示。

圖5 全年室內(nèi)各指標情況

由圖5可知，采用新風一體機系統(tǒng)后，住宅全年室內(nèi)熱環(huán)境、空氣品質和能耗均符合DBJ 43/T544—2022《湖南省超低能耗居住建筑評價標準》設計規(guī)定。室內(nèi)溫度全年波動范圍為22.1~25.9 ℃，平均值為24.1 ℃；相對濕度全年波動范圍為37%~64%，平均值為47.3%；CO2濃度全年波動范圍為0.04%~0.1391%，平均值為0.0628%，

全年范圍內(nèi)僅發(fā)現(xiàn)2次數(shù)值超過限定值（0.01%）；PM2.5濃度全年波動范圍為0~70μg/m3，平均值為10.5μg/m3。

各季節(jié)詳細描述如下：

（1) 春季室內(nèi)溫度波動范圍為20.1~26.2℃，平均值為23.4℃；室內(nèi)相對濕度波動范圍為48.0%~84.0%，平均值為63.0%；室內(nèi)CO2濃度平均值為0.0568%；室內(nèi)PM2.5濃度平均值為22μg/m3。

（2) 夏季室內(nèi)溫度波動范圍為22.8~27.4℃，平均值為24.9℃；室內(nèi)相對濕度波動范圍為40.0%~86.0%，平均值為63.0%；室內(nèi)CO2濃度平均值為0.0615%；室內(nèi)PM2.5濃度平均值為12μg/m3。

（3) 秋季室內(nèi)溫度波動范圍為20.2~27.6℃，平均值為24.4℃；室內(nèi)相對濕度波動范圍為40.0%~73.0%，平均值為57.4%；室內(nèi)CO2濃度平均值為0.0584%；室內(nèi)PM2.5濃度平均值為23μg/m3。

（4) 冬季室內(nèi)溫度波動范圍為18.7~24.9℃，平均值為21.8℃；室內(nèi)相對濕度波動范圍為38.0%~68.0%，平均值為51.1%；室內(nèi)CO2濃度平均值為0.061%；室內(nèi)PM2.5濃度平均值為29μg/m3。

此外，全年范圍內(nèi)，日耗電量波動范圍為0.7~57.9kW·h，全年總耗電量為3995.8kW·h，全年單位面積耗電量為29.4 kW·h/m2，低于DBJ43/T544—2022中對于建筑全年能耗綜合值的限值[50 kW·h/（m2·a）]。可見，配備新風空調(diào)一體機的超低能耗住宅建筑能滿足居住者對室內(nèi)環(huán)境舒適、高空氣品質和低能耗的需求。

3 結 論

新風空調(diào)一體機是基于被動式超低能耗建筑的能源環(huán)境需求研發(fā)的新型設備，是適應我國建筑節(jié)能市場發(fā)展、具有中國特色的終端功能裝置，可有效提高室內(nèi)舒適度，并降低用戶能耗。

筆者基于新風空調(diào)一體機的工作原理和運行模式，結合夏熱冬冷地區(qū)現(xiàn)有被動式超低能耗建筑案例，分析了采用新風空調(diào)一體機后的室內(nèi)熱環(huán)境、空氣品質和住戶耗電量，得出如下結論：（1）室內(nèi)溫度全年波動范圍為22.1~25.9 ℃，平均值為24.1 ℃；相對濕度全年波動范圍為37%~64%，平均值為47.3%；CO2濃度全年波動范圍為0.0400%~0.1391%，平均值為0.0628%，室內(nèi)溫度、相對濕度和CO2濃度均滿足該地區(qū)被動式超低能耗建筑標準限值；（2）PM2.5 濃度全年波動范圍為0~70μg/m3，平均值為10.5μg/m3，滿足國家和地方標準；（3）全年單位面積耗電量為29.4kW·h/m2，低于標準限值。

4 結束語

目前，新風空調(diào)一體機作為超低能耗建筑的“呼吸系統(tǒng)”發(fā)展迅速，未來一定會被更加廣泛地應用于超低能耗或零能耗建筑。筆者以株洲市青龍灣超低能耗建筑示范項目為例，對新風空調(diào)一體機在住戶中的應用及室內(nèi)環(huán)境進行了分析與總結，驗證了新風空調(diào)一體機的應用對于營造超低能耗建筑舒適室內(nèi)環(huán)境以及降低能耗的貢獻，希望能為類似項目提供一定的參考。