以項目為例 ▎新風(fēng)空調(diào)一體機在夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑中的應(yīng)用

 0 引 言 

我國于2008年開始引入以德國為代表的歐洲被動式超低能耗建筑。目前，全國已有大量建成的或建設(shè)中的被動式建筑項目，嚴寒、寒冷、夏熱冬冷和夏熱冬暖等各個氣候區(qū)均有分布。被動式超低能耗建筑“更加節(jié)能、更加舒適、更好空氣品質(zhì)、更高質(zhì)量保證”的特點，使其成為推動我國建筑節(jié)能工作、實現(xiàn)“雙碳”目標以及打造“好房子”的重要途徑。

夏熱冬冷地區(qū)氣溫日溫差小，夏季悶熱高濕，最熱月平均氣溫為26.5~40℃；冬季濕冷，最冷月平均氣溫為0~8℃，且冬夏兩季持續(xù)時間長，全年相對濕度較高，因此建筑會出現(xiàn)供暖、供冷、通風(fēng)與除濕等多種需求。新風(fēng)空調(diào)一體機集制冷、制熱、新風(fēng)換氣、凈化和除濕等功能于一體，能滿足住戶對健康、舒適和節(jié)能的多重需求。

1 新風(fēng)空調(diào)一體機概述

1.1 新風(fēng)空調(diào)一體機的工作原理

新風(fēng)空調(diào)一體機是超低能耗建筑的“呼吸系統(tǒng)”，一般由空氣源熱泵、變頻無級調(diào)速風(fēng)機、全熱交換機芯、空氣過濾器、電動調(diào)節(jié)送風(fēng)百葉和電動調(diào)節(jié)氣密閥等組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 新風(fēng)空調(diào)一體機工作原理圖

室外新風(fēng)通過新風(fēng)閥、濾網(wǎng)、高效熱交換濾芯、換熱器和送風(fēng)機處理后進入室內(nèi)。當進入的新風(fēng)更有利于加快室內(nèi)溫濕度平衡時，如夏季夜間室外新風(fēng)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(fēng)不經(jīng)過換熱濾芯換熱直接進入室內(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)過高效換熱濾芯和排風(fēng)機排至室外。室內(nèi)循環(huán)空氣經(jīng)過粗效過濾網(wǎng)、回風(fēng)閥、變頻送風(fēng)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(fēng)空調(diào)一體機可以不安裝加濕模塊。對于高濕地區(qū)，新風(fēng)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(fēng)空調(diào)一體機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行原理、工作特性、運行參數(shù)、使用場合和適用工況。

（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)動機構(gòu)，轉(zhuǎn)動會消耗能量。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(fēng)與室外新風(fēng)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(cè)和釋放熱量側(cè)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(fēng)與排風(fēng)完全獨立，不會產(chǎn)生交叉污染現(xiàn)象，且構(gòu)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(shè)備。

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

1.2 新風(fēng)空調(diào)一體機的運行模式

新風(fēng)空調(diào)一體機支持多種氣流組織，可靈活應(yīng)對各類空氣需求，如全新風(fēng)模式、全循環(huán)風(fēng)模式和混風(fēng)模式。運行模式上，不同設(shè)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(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(fēng)閥，啟動變頻送風(fēng)機，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)判讀是否需要打開或關(guān)閉新風(fēng)閥；除濕模式以濕度控制為主，打開循環(huán)風(fēng)閥，循環(huán)風(fēng)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(fēng)機會按室內(nèi)的PM2.5 濃度情況調(diào)整風(fēng)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(fēng)機按靜音風(fēng)速運行；開啟富氧模式時，新風(fēng)閥與循環(huán)風(fēng)閥同時打開，排風(fēng)機根據(jù)CO2濃度調(diào)整風(fēng)速，持續(xù)引進室外新風(fēng)，保持室內(nèi)空氣清新；離家模式下，系統(tǒng)將每隔一段時間自動打開新風(fēng)閥、送風(fēng)機和排風(fēng)機，并根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量等級調(diào)節(jié)風(fēng)速大小，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

2 應(yīng)用工程實例

2.1 設(shè)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(shè)智能電梯1部，每戶設(shè)種植露臺，整棟屋頂設(shè)種植屋面。每棟樓設(shè)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(shè)計參數(shù)

該項目室內(nèi)環(huán)境設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 室內(nèi)環(huán)境設(shè)計參數(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(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度溫差不得超過3℃；

（6）門窗室內(nèi)一側(cè)無結(jié)露現(xiàn)象。

2.1.3 能耗設(shè)計指標

本項目能耗設(shè)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(shè)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(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計

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

圖3 室內(nèi)新風(fēng)系統(tǒng)布置圖