寒冷地區(qū)被動房的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

前言

最近幾年，隨著被動式低能耗居住建筑在我國的飛速發(fā)展，國內(nèi)示范項目日漸增多，但項目的順利實施主要以德國專家為主導(dǎo)進行項目的技術(shù)支持，國內(nèi)掌握被動房新風(fēng)系統(tǒng)核心設(shè)計能力或能提供相關(guān)技術(shù)咨詢服務(wù)的公司目前還較少。被動式低能耗居住建筑是以極低的能源消耗為基礎(chǔ)，提供最佳可能的舒適室內(nèi)環(huán)境。如何正確、合理地選擇、設(shè)計被動式低能耗居住建筑的新風(fēng)系統(tǒng)，在今后被動式低能耗居住建筑發(fā)展建設(shè)過程中，起到至關(guān)重要的作用。

被動房特點

被動式低能耗居住建筑（以下簡稱被動房）是將自然通風(fēng)、自然采光、太陽能輻射和室內(nèi)非供暖熱源得熱等各種被動式節(jié)能手段與建筑圍護結(jié)構(gòu)高效節(jié)能技術(shù)相結(jié)合建造而成的低能耗建筑。這種建筑在顯著提高室內(nèi)環(huán)境舒適性的同時，大幅度降低建筑所需能耗。與目前國內(nèi)普通節(jié)能標準的居住建筑相比，此類建筑在室內(nèi)環(huán)境、建筑氣密性、采暖制冷能耗及一次能源需求方面有較大不同，主要表現(xiàn)在：

室內(nèi)環(huán)境

被動房室內(nèi)環(huán)境全年處于舒適狀態(tài)，即：室內(nèi)溫度維持在20～26℃，全年室內(nèi)溫度超出該溫度范圍的頻率不大于10%；室內(nèi)相對濕度35%～65%；室內(nèi)二氧化碳濃度不大于1000ppm；非透明圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度差不超過3℃；臥室、起居室（廳）噪聲≤30dB（A）。

根據(jù)目前我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范、標準要求，普通節(jié)能標準的住宅建筑冬季室內(nèi)主要功能房間（臥室、起居室和衛(wèi)生間）設(shè)計溫度為18℃，夏季室內(nèi)溫度、全年室內(nèi)濕度、二氧化碳濃度均無要求[2]；住宅室內(nèi)允許噪聲標準見表1：

表1

建筑氣密性

根據(jù)目前我國實施的被動房規(guī)范、導(dǎo)則等相關(guān)要求，在室內(nèi)外壓差50Pa的條件下，每小時換氣次數(shù)不超過0.6次，即n50≤0.6次/h。

我國最早在中德技術(shù)合作項目《中國既有建筑節(jié)能改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查》中利用“鼓風(fēng)門”氣密性檢測設(shè)備對唐山、天津、烏魯木齊、鶴壁四個城市的26棟典型建筑（建于1965～2002年）進行了建筑整體氣密性測試，測試結(jié)果：n50 = 4.4～20.7次/h。

年采暖制冷需求及一次能源需求

被動房年采暖需求Qh≤15kWh/(m2·a)或采暖負荷qh≤10W/m2；被動房年制冷需求Qc≤15kWh/(m2·a)或最大制冷負荷qc，max≤20W/m2；被動房年采暖、制冷、通風(fēng)一次能源總需求Eph+Epc+Epv≤60kWh/(m2·a)。

新風(fēng)系統(tǒng)的特點及設(shè)計

新風(fēng)系統(tǒng)特點

被動房除應(yīng)具有高效的外圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能、嚴密的防熱橋處理技術(shù)、高性能節(jié)能門窗、良好的氣密性外。必須依靠高效帶熱回收的新風(fēng)換氣系統(tǒng)來滿足室內(nèi)環(huán)境，年采暖、制冷、通風(fēng)一次能源需求的要求。加之，目前我國華北地區(qū)空氣污染嚴重，PM2.5頻繁爆表，室內(nèi)污染物濃度也逐漸上升，嚴重威脅著人類的身體健康，因此適用于被動房的新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)具備如下特點：

（1）為滿足被動房室內(nèi)二氧化碳濃度≤1000ppm的指標，要求其新風(fēng)、排風(fēng)部分能根據(jù)室內(nèi)CO2濃度進行自動運行，且最小新風(fēng)量應(yīng)滿足國家相關(guān)規(guī)范的要求；新風(fēng)系統(tǒng)的熱回收效率不低于75%。

（2）由于被動房采暖、制冷負荷很小，從目前國內(nèi)成熟的采暖、制冷設(shè)備中難以找到與之匹配的采暖、制冷設(shè)備。所以，要求被動房新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)具有主動制冷、制熱的功能。

（3）目前我國華北地區(qū)空氣污染嚴重，室外PM2.5濃度高，要求新風(fēng)系統(tǒng)具有過濾去除PM2.5的功能；同時新風(fēng)系統(tǒng)能夠根據(jù)室內(nèi)溫度、CO2濃度、PM2.5濃度等條件，自動運行。

新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

被動房新風(fēng)系統(tǒng)在為室內(nèi)人員提供所需最小新風(fēng)量的同時，還應(yīng)提供室內(nèi)所需的冷熱量、維持室內(nèi)環(huán)境指標要求，同時滿足被動房對制冷、采暖能耗的需求。由于被動房所需的制冷、采暖負荷很小，所以被動房的冬季采暖可以很簡單地通過對冬季新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)進行加熱就能實現(xiàn)，當然夏季采用對新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)進行制冷。

1.室內(nèi)新風(fēng)量的選取

（1）相關(guān)規(guī)范標準要求

①國家標準《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50736-2012（簡稱暖通國標）第3.0.6條規(guī)定，設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)的居住建筑，所需人員最小新風(fēng)量宜按換氣次數(shù)法確定，并宜符合表2的規(guī)定，對新風(fēng)系統(tǒng)的熱回收效率無要求；第6.3.4條第4款規(guī)定，廚房、衛(wèi)生間宜設(shè)豎向排風(fēng)道。

表2 居住建筑設(shè)計最小換氣次數(shù)

②2015年11月住建部印發(fā)的《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）》（簡稱建設(shè)部導(dǎo)則）第60.68.69條中分別對新風(fēng)量、衛(wèi)生間及廚房排風(fēng)方式進行了規(guī)定：新風(fēng)量宜按總?cè)藬?shù)確定，每人所需的最小新風(fēng)量應(yīng)按30m3/h計算，新風(fēng)量應(yīng)與排風(fēng)量平衡。

每個衛(wèi)生間宜設(shè)獨立的排風(fēng)裝置，自然補風(fēng)。廚房宜設(shè)獨立的排油煙補風(fēng)系統(tǒng)。

③河北地標《被動式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》DB13（J）/ 177-2015（簡稱河北地標）第7.1.1、7.1.10條分別對新風(fēng)量、廚房排風(fēng)方式進行了規(guī)定：

總新風(fēng)量應(yīng)按房間總?cè)藬?shù)確定，每人所需的最小新風(fēng)量為每小時30m3，排風(fēng)量應(yīng)為新風(fēng)量的90%～100%。

廚房宜設(shè)置獨立的排油煙補風(fēng)系統(tǒng)，或設(shè)置方便的補風(fēng)措施。

（2）確定新風(fēng)量

選擇目前市場上最常見的五種戶型，按照上述所述方法分別進行新風(fēng)量的計算，計算結(jié)果見表3：

表3 被動房新風(fēng)量的確定

從表3可以看出，建筑面積在100m2以內(nèi)的被動房建筑，室內(nèi)新風(fēng)量按人均新風(fēng)量計算能滿足要求。當被動房建筑面積大于100m2時，被動房新風(fēng)量應(yīng)按照《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB 50736-2012的相關(guān)規(guī)定進行新風(fēng)量的計算。

（3）衛(wèi)生間、廚房排風(fēng)方式匯總見表4

表4 衛(wèi)生間、廚房排風(fēng)形式

從表4中可以看出，被動房衛(wèi)生間宜設(shè)豎向排氣道，廚房設(shè)豎向排氣道、同時宜設(shè)獨立的排油煙補風(fēng)系統(tǒng)。

2 排風(fēng)熱回收效率的選擇

（1）相關(guān)規(guī)范標準要求

①2015年11月住建部印發(fā)的建設(shè)部導(dǎo)則第56條規(guī)定：顯熱回收裝置的溫度交換效率不應(yīng)低于75%，全熱回收裝置的溫度交換效率不應(yīng)低于70%。

②河北地標第4.6.2條規(guī)定：通風(fēng)系統(tǒng)的顯熱回收效率不宜低于75%。

（2）排風(fēng)熱回收效率的分類

排風(fēng)熱回收效率主要有顯熱（溫度）效率、潛熱（濕度）效率及全熱（焓）效率三種，現(xiàn)就三種熱回收效率的概念、特點進行對比，結(jié)果見表5。

表5 排風(fēng)熱回收效率定義及特點

（3）排風(fēng)熱回收效率回收效果對比

我國寒冷地區(qū)一般1月平均氣溫-10～0℃，7月平均氣溫18～28℃，年日平均氣溫≥25℃的日數(shù)<80d，年日平均氣溫≤5℃的日數(shù)145-90d。該區(qū)域冬季寒冷干燥，平原地區(qū)夏季較炎

熱濕潤，高原地區(qū)夏季較涼爽，降水量相對集中；氣溫年較差較大，日照較豐富；春、秋季短促，氣溫變化劇烈。

以石家莊地區(qū)為例，分別計算新風(fēng)經(jīng)75%顯熱回收效率的排風(fēng)熱回收裝置、新風(fēng)經(jīng)70%全熱（此時潛熱效率不低于50%）回收效率的排風(fēng)熱回收裝置后空氣狀態(tài)參數(shù)，計算結(jié)果見表6。

表6 經(jīng)熱回收后的空氣狀態(tài)參數(shù)計算結(jié)果

顯然，冬季室外寒冷干燥的空氣經(jīng)顯熱交換裝置升溫后，新風(fēng)中的濕度將進一步降低。采用全熱交換裝置后，效果會好很多。

建議：在建設(shè)資金條件許可的前提下，換熱芯體采用顯熱效率不低于75%、全熱效率不低于70%、濕度回收效率不低于50%的全熱型熱回收裝置。

3 輔助冷熱源的選擇

我國寒冷地區(qū)大多冬季寒冷干燥，夏季溫暖潮濕。甚至冬季日平均溫度下降到-10℃；夏季日平均氣溫在28℃左右，夜間環(huán)境溫度很少降至20℃以下且環(huán)境濕度較高，靠夜間通風(fēng)輔助制冷是行不通的。所以為了達到良好的室內(nèi)舒適條件，寒冷地區(qū)被動房不但冬季需要輔助制熱，夏季主動空調(diào)也是不可避免的。

2015年11月印發(fā)的住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部導(dǎo)則第63、64條規(guī)定：被動房輔助供暖供冷應(yīng)優(yōu)先利用可再生能源，減少一次能源的使用?？稍偕茉粗饕ㄌ柲堋⒌卦礋岜?、空氣源熱泵及生物質(zhì)燃料等。寒冷地區(qū)宜設(shè)置輔助不宜采用集中供熱方式。

結(jié)合我國寒冷地區(qū)氣候特征、室外空氣質(zhì)量、居住建筑分戶計量等特點要求，寒冷地區(qū)宜采用空氣源熱泵作為被動房的輔助冷熱源，空氣源熱泵的能效等級應(yīng)符合國建相關(guān)標準的要求。

4 室內(nèi)氣流組織

室內(nèi)新風(fēng)氣流應(yīng)從起居室、臥室等主要活動區(qū)(送風(fēng)區(qū))流向衛(wèi)生間、廚房等 功能區(qū)(排風(fēng)區(qū))。過道、餐廳可作為過流區(qū)，通過空氣流動間接得到送風(fēng)和排風(fēng)， 保證所有房間得到充分通風(fēng)。

室內(nèi)氣流示意圖如圖1所示：

圖1 室內(nèi)氣流組織示意圖

每個房間或主要活動區(qū)域設(shè)置送風(fēng)口和回風(fēng)口；當回風(fēng)口和回風(fēng)管道安裝確有困難時，可在主要活動區(qū)域設(shè)置集中回風(fēng)口；對于不能設(shè)置回風(fēng)口且內(nèi)門不能設(shè)置通風(fēng)口的房間，其內(nèi)門與地面之間宜預(yù)留寬度大于20mm的縫隙通風(fēng)。

5 其他

（1）被動房對建筑氣密性要求很高，要求新風(fēng)系統(tǒng)與室外連通的新風(fēng)和排風(fēng)管路上均應(yīng)安裝保溫密閉型電動風(fēng)閥，并與系統(tǒng)聯(lián)動，保證建筑的氣密性。

（2）在寒冷地區(qū)，高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)新風(fēng)進口處應(yīng)設(shè)置防凍措施；防凍措施可采用以下方式：①采用電加熱方式預(yù)熱室外空氣；②采用地道風(fēng)（土壤熱交換器）預(yù)熱室外空氣。

（3）新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)進行消聲隔震處理；新風(fēng)出口處和排風(fēng)入口處宜設(shè)消聲裝置，新風(fēng)機與風(fēng)管連接處采用軟連接。

（4）新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)具有除霾功能。

項目實施

山西長治某低能耗別墅項目為五室四廳一廚兩衛(wèi)的兩層住宅，工程占地350m2，建筑面積為225m2。因該地區(qū)冬季空調(diào)室外計算溫度低于-10℃，對室外新風(fēng)采用地道風(fēng)（土壤熱交換器）預(yù)熱。

新風(fēng)系統(tǒng)安裝見圖2～5所示：

圖2 室內(nèi)風(fēng)管安裝   圖3 新風(fēng)機組安裝

圖4 新風(fēng)機組安裝效果    圖5 室內(nèi)實景照片

本項目采用了一臺3匹的“冀研”牌被動房專用中央式熱回收除霾能源環(huán)境一體機，為住戶供熱、供冷、提供新風(fēng)、除霾、維持室內(nèi)空氣環(huán)境品質(zhì)。能源環(huán)境一體機室內(nèi)機內(nèi)設(shè)熱回收效率為78%的板式熱回收裝置，室外機采用低溫變頻充R410A環(huán)保冷媒的空氣源熱泵為建筑提供所需冷熱量。項目從2015年12月20日開始運行以來，年平均采暖、制冷、通風(fēng)耗電量18kWh/m2。

結(jié)語

（1）具有采用低溫變頻空氣源熱泵作為冷熱源、對排風(fēng)進行高效熱回收、根據(jù)室內(nèi)環(huán)境（包括：溫度、濕度、CO2濃度、PM2.5濃度、TVOC濃度）設(shè)置情況進行自動監(jiān)測、自動運行等功能的被動房專用能源環(huán)境一體機，在實現(xiàn)被動房室內(nèi)環(huán)境的同時，建筑能耗也控制在被動房采暖、制冷、通風(fēng)總能耗范圍之內(nèi)，是非常適宜用于寒冷地區(qū)被動房的新風(fēng)產(chǎn)品。

（2）在應(yīng)用能源環(huán)境一體機設(shè)備時，應(yīng)結(jié)合室內(nèi)裝修、家具布置、送風(fēng)口位置及形式、排風(fēng)口位置及形式、房間幾何形狀等各種擾動因素，進行氣流組織設(shè)計，使室內(nèi)人員活動區(qū)域空氣的溫度、相對濕度、流速和潔凈度能更好地滿足人們的舒適性要求。

本文原標題為：《寒冷地區(qū)被動式低能耗居住建筑新風(fēng)系統(tǒng)淺析》；作者單位：河北建研科技有限公司；原文刊登于《建設(shè)科技》雜志，版權(quán)歸期刊編輯部及作者所有。