新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)在夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑中的應(yīng)用

本文刊發(fā)于《綠色建筑》雜志2024年第4期，原標(biāo)題為：新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)在夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑中的應(yīng)用；作者：蘇業(yè)煒，偉大集團(tuán)節(jié)能房股份有限公司；胡錦華，湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院；王帥，湘潭華潤(rùn)建設(shè)有限公司。

圖1 新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)工作原理圖

室外新風(fēng)通過(guò)新風(fēng)閥、濾網(wǎng)、高效熱交換濾芯、換熱器和送風(fēng)機(jī)處理后進(jìn)入室內(nèi)。當(dāng)進(jìn)入的新風(fēng)更有利于加快室內(nèi)溫濕度平衡時(shí)，如夏季夜間室外新風(fēng)溫度低于室內(nèi)空氣溫度或過(guò)渡季節(jié)時(shí)，機(jī)組的旁路自動(dòng)開(kāi)啟，即此時(shí)新風(fēng)不經(jīng)過(guò)換熱濾芯換熱直接進(jìn)入室內(nèi)，避免了新風(fēng)和排風(fēng)之間的不利換熱。室內(nèi)污濁空氣經(jīng)過(guò)高效換熱濾芯和排風(fēng)機(jī)排至室外。室內(nèi)循環(huán)空氣經(jīng)過(guò)粗效過(guò)濾網(wǎng)、回風(fēng)閥、變頻送風(fēng)機(jī)、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(dòng)房氣密性較好，因此室內(nèi)人員散濕、衣物晾曬散濕及敞開(kāi)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(fēng)空調(diào)一體機(jī)可以不安裝加濕模塊。對(duì)于高濕地區(qū)，新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)可以增加除濕裝置以改善室內(nèi)濕環(huán)境。

新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)中的熱回收換熱器按照原理不同分為轉(zhuǎn)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(yùn)行原理、工作特性、運(yùn)行參數(shù)、使用場(chǎng)合和適用工況。

（1）轉(zhuǎn)輪換熱器。該裝置體積較大，占用空間大。因需設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)消耗能量。此外，由于轉(zhuǎn)輪換熱器風(fēng)壓壓損較大，存在氣流滲漏，因此會(huì)發(fā)生交叉污染現(xiàn)象。適用于溫差較大的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)。

（2）板式換熱器。該裝置只回收顯熱，無(wú)法回收潛熱，使用壽命長(zhǎng)，方便維護(hù)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(fēng)與室外新風(fēng)完全隔離，兩者不直接接觸，不會(huì)產(chǎn)生交叉污染。吸收熱量側(cè)和釋放熱量側(cè)通過(guò)管道連接，管道布置方式靈活多樣，對(duì)空間要求不高，安裝方便快捷。不過(guò)，該裝置只能對(duì)顯熱進(jìn)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(fèi)能源動(dòng)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(wú)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(dá)60%~70%。不過(guò)，其不能對(duì)潛熱進(jìn)行回收利用。

（5）溶液吸收式換熱器。該裝置在冬季無(wú)需考慮防凍措施，新風(fēng)與排風(fēng)完全獨(dú)立，不會(huì)產(chǎn)生交叉污染現(xiàn)象，且構(gòu)造簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，運(yùn)行較穩(wěn)定。不過(guò)，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(dòng)力能源。其噴灑的溶液可以除掉空氣中大部分細(xì)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(dá)50%~85%，且該效率不會(huì)隨使用時(shí)間的增加而衰減。若室內(nèi)存在有毒有害氣體，則該氣體會(huì)溶解在溶液中并隨溶液噴淋揮發(fā)，故不能采用此種設(shè)備。

基于熱回收效率、初投資和運(yùn)行能耗等綜合考慮，轉(zhuǎn)輪換熱器或板式換熱器均可用于被動(dòng)式超低能耗建筑中的新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)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(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)所需的電能，其能效高于轉(zhuǎn)輪換熱器。

1.2 新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)的運(yùn)行模式

新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)支持多種氣流組織，可靈活應(yīng)對(duì)各類空氣需求，如全新風(fēng)模式、全循環(huán)風(fēng)模式和混風(fēng)模式。運(yùn)行模式上，不同設(shè)備廠家的運(yùn)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(dòng)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(jìn)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(huì)先進(jìn)入臥室，再流向客廳，最后從衛(wèi)生間排至室外。同時(shí)，應(yīng)盡量避免循環(huán)風(fēng)的使用，以提高送風(fēng)中新風(fēng)的占比。節(jié)能模式可盡可能使室內(nèi)循環(huán)風(fēng)承載室內(nèi)供冷、供熱和降低污染物濃度的要求。循環(huán)風(fēng)取自客廳，經(jīng)過(guò)濾、溫度調(diào)節(jié)后送至臥室，再流回客廳。旅游模式則針對(duì)建筑物內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人居住時(shí)，不對(duì)溫度進(jìn)行控制，減少每天的換氣量，節(jié)約能源消耗。

自動(dòng)模式即自動(dòng)打開(kāi)循環(huán)風(fēng)閥，啟動(dòng)變頻送風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)溫度與用戶設(shè)定溫度之間的邏輯關(guān)系判斷進(jìn)入制冷、制熱、送風(fēng)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(zhì)量參數(shù)判讀是否需要打開(kāi)或關(guān)閉新風(fēng)閥；除濕模式以濕度控制為主，打開(kāi)循環(huán)風(fēng)閥，循環(huán)風(fēng)機(jī)低速運(yùn)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(jìn)入最佳的節(jié)能方案；凈化模式下，循環(huán)風(fēng)機(jī)會(huì)按室內(nèi)的PM2.5 濃度情況調(diào)整風(fēng)速的大小，對(duì)室內(nèi)粉塵進(jìn)行過(guò)濾凈化；靜音模式即循環(huán)風(fēng)機(jī)按靜音風(fēng)速運(yùn)行；開(kāi)啟富氧模式時(shí)，新風(fēng)閥與循環(huán)風(fēng)閥同時(shí)打開(kāi)，排風(fēng)機(jī)根據(jù)CO2濃度調(diào)整風(fēng)速，持續(xù)引進(jìn)室外新風(fēng)，保持室內(nèi)空氣清新；離家模式下，系統(tǒng)將每隔一段時(shí)間自動(dòng)打開(kāi)新風(fēng)閥、送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)，并根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量等級(jí)調(diào)節(jié)風(fēng)速大小，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

2 應(yīng)用工程實(shí)例

2.1 設(shè)計(jì)概況

2.1.1 工程概況

湖南省株洲市青龍灣德國(guó)之家超低能耗建筑示范項(xiàng)目是夏熱冬冷地區(qū)第一棟被動(dòng)房高層住宅。該項(xiàng)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(shè)智能電梯1部，每戶設(shè)種植露臺(tái)，整棟屋頂設(shè)種植屋面。每棟樓設(shè)2個(gè)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(jì)48戶，4棟樓共計(jì)192戶。該項(xiàng)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(xiàng)目建筑外形

2.1.2 室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)

該項(xiàng)目室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)

室內(nèi)環(huán)境一年四季處于舒適狀態(tài)，且應(yīng)同時(shí)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(duì)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(guò)0.1%；

（5）室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度溫差不得超過(guò)3℃；

（6）門(mén)窗室內(nèi)一側(cè)無(wú)結(jié)露現(xiàn)象。

2.1.3 能耗設(shè)計(jì)指標(biāo)

本項(xiàng)目能耗設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）供熱需求指標(biāo)為3.37kW·h/(m2·a)，不超過(guò)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(biāo)為19.27kW·h/(m2·a)，不超過(guò)37kW·h/(m2·a)；

（3）供熱負(fù)荷指標(biāo)為5.3W/m2，制冷負(fù)荷指標(biāo)為15.1W/m2；

（4）所有能耗的一次能源消耗總計(jì)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(fù)荷指標(biāo)

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為36.47kW，熱負(fù)荷指標(biāo)為5.3W/m2；冷負(fù)荷為103.91kW，冷負(fù)荷指標(biāo)為15.1W/m2。

2.2 新風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

筆者以該項(xiàng)目某戶型為例進(jìn)行新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的闡述，其室內(nèi)新風(fēng)系統(tǒng)布置如圖3所示。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于被動(dòng)式超低能耗建筑的特點(diǎn)，為了避免開(kāi)窗通風(fēng)造成的熱損失，降低能源消耗，同時(shí)達(dá)到空氣交換衛(wèi)生方面的要求，采用專門(mén)帶熱回收的戶式新風(fēng)系統(tǒng)，在為室內(nèi)提供新風(fēng)的同時(shí)，還為室內(nèi)提供冷熱源，保證室內(nèi)溫度在設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng)。

該戶型室內(nèi)面積為136m2。基于房間功能，設(shè)計(jì)人員將新風(fēng)設(shè)備布置在過(guò)道的吊頂內(nèi)，將客廳、臥室、餐廳、書(shū)房作為送風(fēng)區(qū)，衛(wèi)生間作為回風(fēng)區(qū)，過(guò)道作為溢流區(qū)。衛(wèi)生間的新風(fēng)機(jī)則設(shè)為強(qiáng)制啟動(dòng)模式，以達(dá)到衛(wèi)生間通風(fēng)換氣的目的。同時(shí)，設(shè)置了智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。各個(gè)房間均設(shè)置有探測(cè)器，監(jiān)測(cè)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(duì)濕度等參數(shù)。當(dāng)有參數(shù)超標(biāo)時(shí)，探測(cè)器會(huì)將信息傳遞給主控面板，主控面板則會(huì)發(fā)出指令對(duì)新風(fēng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選用的新風(fēng)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 新風(fēng)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

此外，風(fēng)管選用酚醛彩鋼復(fù)合風(fēng)管制作風(fēng)管。送風(fēng)口選用電動(dòng)雙層百葉風(fēng)口，回風(fēng)口選用單層百葉風(fēng)口。送風(fēng)、回風(fēng)形式則采用上部側(cè)送風(fēng)、頂部回風(fēng)形式。

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境與耗電量監(jiān)測(cè)

筆者對(duì)上述戶型室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行為期1a（2022年11月11日至2023年11月10日）的跟蹤測(cè)量。該住戶室內(nèi)配置了1臺(tái)多功能電表和1臺(tái)無(wú)線儲(chǔ)存型室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀，主要用于收集每日用電量和住戶室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、PM2.5 濃度和CO2濃度。測(cè)量設(shè)備相關(guān)信息如表3所示。測(cè)量設(shè)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(cè)儀布置于客廳通往房間的墻壁壁面。

表3 測(cè)量設(shè)備的相關(guān)信息

圖4 測(cè)量設(shè)備布置

該戶型全年測(cè)量時(shí)期內(nèi)的室內(nèi)溫度、相對(duì)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(biāo)情況

由圖5可知，采用新風(fēng)一體機(jī)系統(tǒng)后，住宅全年室內(nèi)熱環(huán)境、空氣品質(zhì)和能耗均符合DBJ 43/T544—2022《湖南省超低能耗居住建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)規(guī)定。室內(nèi)溫度全年波動(dòng)范圍為22.1~25.9 ℃，平均值為24.1 ℃；相對(duì)濕度全年波動(dòng)范圍為37%~64%，平均值為47.3%；CO2濃度全年波動(dòng)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(guò)限定值（0.01%）；PM2.5濃度全年波動(dòng)范圍為0~70μg/m3，平均值為10.5μg/m3。

各季節(jié)詳細(xì)描述如下：

（1) 春季室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍為20.1~26.2℃，平均值為23.4℃；室內(nèi)相對(duì)濕度波動(dòng)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(dòng)范圍為22.8~27.4℃，平均值為24.9℃；室內(nèi)相對(duì)濕度波動(dòng)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(dòng)范圍為20.2~27.6℃，平均值為24.4℃；室內(nèi)相對(duì)濕度波動(dòng)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(dòng)范圍為18.7~24.9℃，平均值為21.8℃；室內(nèi)相對(duì)濕度波動(dòng)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(dòng)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(duì)于建筑全年能耗綜合值的限值[50 kW·h/（m2·a）]。可見(jiàn)，配備新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)的超低能耗住宅建筑能滿足居住者對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適、高空氣品質(zhì)和低能耗的需求。

3 結(jié) 論

新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)是基于被動(dòng)式超低能耗建筑的能源環(huán)境需求研發(fā)的新型設(shè)備，是適應(yīng)我國(guó)建筑節(jié)能市場(chǎng)發(fā)展、具有中國(guó)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(fēng)空調(diào)一體機(jī)的工作原理和運(yùn)行模式，結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)現(xiàn)有被動(dòng)式超低能耗建筑案例，分析了采用新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)后的室內(nèi)熱環(huán)境、空氣品質(zhì)和住戶耗電量，得出如下結(jié)論：（1）室內(nèi)溫度全年波動(dòng)范圍為22.1~25.9 ℃，平均值為24.1 ℃；相對(duì)濕度全年波動(dòng)范圍為37%~64%，平均值為47.3%；CO2濃度全年波動(dòng)范圍為0.0400%~0.1391%，平均值為0.0628%，室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和CO2濃度均滿足該地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)限值；（2）PM2.5 濃度全年波動(dòng)范圍為0~70μg/m3，平均值為10.5μg/m3，滿足國(guó)家和地方標(biāo)準(zhǔn)；（3）全年單位面積耗電量為29.4kW·h/m2，低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)作為超低能耗建筑的“呼吸系統(tǒng)”發(fā)展迅速，未來(lái)一定會(huì)被更加廣泛地應(yīng)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(xiàng)目為例，對(duì)新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)在住戶中的應(yīng)用及室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了分析與總結(jié)，驗(yàn)證了新風(fēng)空調(diào)一體機(jī)的應(yīng)用對(duì)于營(yíng)造超低能耗建筑舒適室內(nèi)環(huán)境以及降低能耗的貢獻(xiàn)，希望能為類似項(xiàng)目提供一定的參考。