以项目为例 ▎新风空调一体机在夏热冬冷地区超低能耗建筑中的应用

 0 引 言 

我国于2008年开始引入以德国为代表的欧洲被动式超低能耗建筑。目前，全国已有大量建成的或建设中的被动式建筑项目，严寒、寒冷、夏热冬冷和夏热冬暖等各个气候区均有分布。被动式超低能耗建筑“更加节能、更加舒适、更好空气品质、更高质量保证”的特点，使其成为推动我国建筑节能工作、实现“双碳”目标以及打造“好房子”的重要途径。

夏热冬冷地区气温日温差小，夏季闷热高湿，最热月平均气温为26.5~40℃；冬季湿冷，最冷月平均气温为0~8℃，且冬夏两季持续时间长，全年相对湿度较高，因此建筑会出现供暖、供冷、通风与除湿等多种需求。新风空调一体机集制冷、制热、新风换气、净化和除湿等功能于一体，能满足住户对健康、舒适和节能的多重需求。

1 新风空调一体机概述

1.1 新风空调一体机的工作原理

新风空调一体机是超低能耗建筑的“呼吸系统”，一般由空气源热泵、变频无级调速风机、全热交换机芯、空气过滤器、电动调节送风百叶和电动调节气密阀等组成，其工作原理如图1所示。

图1 新风空调一体机工作原理图

室外新风通过新风阀、滤网、高效热交换滤芯、换热器和送风机处理后进入室内。当进入的新风更有利于加快室内温湿度平衡时，如夏季夜间室外新风温度低于室内空气温度或过渡季节时，机组的旁路自动开启，即此时新风不经过换热滤芯换热直接进入室内，避免了新风和排风之间的不利换热。室内污浊空气经过高效换热滤芯和排风机排至室外。室内循环空气经过粗效过滤网、回风阀、变频送风机、高效滤网和翅片后送入室内，系统的冷热源主要靠变频空调提供。

由于被动房气密性较好，因此室内人员散湿、衣物晾晒散湿及敞开水面的水分蒸发基本可以满足室内湿度的需求，所以新风空调一体机可以不安装加湿模块。对于高湿地区，新风空调一体机可以增加除湿装置以改善室内湿环境。

新风空调一体机中的热回收换热器按照原理不同分为转轮换热器、板式换热器、溶液循环式换热器、热管式换热器和溶液吸收式换热器等。每种热回收装置具有如下运行原理、工作特性、运行参数、使用场合和适用工况。

（1）转轮换热器。该装置体积较大，占用空间大。因需设置转动机构，转动会消耗能量。此外，由于转轮换热器风压压损较大，存在气流渗漏，因此会发生交叉污染现象。适用于温差较大的新风热回收系统。

（2）板式换热器。该装置只回收显热，无法回收潜热，使用寿命长，方便维护保养，换热效率高。适用于室内外温差大、湿度小的地区。

（3）溶液循环式换热器。该装置的室内排风与室外新风完全隔离，两者不直接接触，不会产生交叉污染。吸收热量侧和释放热量侧通过管道连接，管道布置方式灵活多样，对空间要求不高，安装方便快捷。不过，该装置只能对显热进行回收，不能回收利用潜热，且管路中需配置循环泵，将额外耗费能源动力，这使得换热效率通常在60%以下。

（4）热管式换热器。该装置布局紧凑合理，传热面积较大，无额外能源消耗。每根热管自成换热体系，不易堵塞，方便更换，换热效率达60%~70%。不过，其不能对潜热进行回收利用。

（5）溶液吸收式换热器。该装置在冬季无需考虑防冻措施，新风与排风完全独立，不会产生交叉污染现象，且构造简单、维护方便，运行较稳定。不过，该装置尺寸较大，因此所占用的空间较大。此外，由于该装置需配溶液泵，因此要消耗额外的动力能源。其喷洒的溶液可以除掉空气中大部分细菌、微生物及可吸入颗粒物，能够净化空气，全热回收效率可达50%~85%，且该效率不会随使用时间的增加而衰减。若室内存在有毒有害气体，则该气体会溶解在溶液中并随溶液喷淋挥发，故不能采用此种设备。

基于热回收效率、初投资和运行能耗等综合考虑，转轮换热器或板式换热器均可用于被动式超低能耗建筑中的新风空调一体机中。若两者在显热效率和潜热效率方面相差不大，板式换热器由于不需要提供装置运行转动所需的电能，其能效高于转轮换热器。

1.2 新风空调一体机的运行模式

新风空调一体机支持多种气流组织，可灵活应对各类空气需求，如全新风模式、全循环风模式和混风模式。运行模式上，不同设备厂家的运行模式名称略有差异，如舒适模式、节能模式和旅游模式可供切换，或自动模式、除湿模式、节能模式、净化模式、静音模式、富氧模式和离家模式。

住户可自由选择合适的模式进行调节。具体而言，舒适模式可尽可能使室外新鲜空气起到室内供冷、供热和降低污染物浓度的作用。新鲜空气会先进入卧室，再流向客厅，最后从卫生间排至室外。同时，应尽量避免循环风的使用，以提高送风中新风的占比。节能模式可尽可能使室内循环风承载室内供冷、供热和降低污染物浓度的要求。循环风取自客厅，经过滤、温度调节后送至卧室，再流回客厅。旅游模式则针对建筑物内长时间无人居住时，不对温度进行控制，减少每天的换气量，节约能源消耗。

自动模式即自动打开循环风阀，启动变频送风机，系统根据室内温度与用户设定温度之间的逻辑关系判断进入制冷、制热、送风或除湿模式，再根据PM2.5、CO2、VOC浓度以及室外环境温度等空气质量参数判读是否需要打开或关闭新风阀；除湿模式以湿度控制为主，打开循环风阀，循环风机低速运行；节能模式下，系统根据室内温度综合智能判断进入最佳的节能方案；净化模式下，循环风机会按室内的PM2.5 浓度情况调整风速的大小，对室内粉尘进行过滤净化；静音模式即循环风机按静音风速运行；开启富氧模式时，新风阀与循环风阀同时打开，排风机根据CO2浓度调整风速，持续引进室外新风，保持室内空气清新；离家模式下，系统将每隔一段时间自动打开新风阀、送风机和排风机，并根据室内空气质量等级调节风速大小，保证室内空气质量。

2 应用工程实例

2.1 设计概况

2.1.1 工程概况

湖南省株洲市青龙湾德国之家超低能耗建筑示范项目是夏热冬冷地区第一栋被动房高层住宅。该项目建筑用地面积共14666.67m²，由4栋住宅楼组成，单栋楼建筑面积为6882m²，地上12层、地下1层，基底面积为625.62m²，外表面积为7610.7m²，包围体积为20289.26m³；每单元设智能电梯1部，每户设种植露台，整栋屋顶设种植屋面。每栋楼设2个单元，每层共4户，其室内面积分别为136m²、108m²、108m²和115m²。

每栋楼共计48户，4栋楼共计192户。该项目建筑外形如图2所示。

图2 株洲市青龙湾超低能耗建筑示范项目建筑外形

2.1.2 室内环境设计参数

该项目室内环境设计参数如表1所示。

表1 室内环境设计参数

室内环境一年四季处于舒适状态，且应同时满足以下规定：

（1）室内空气温度保持在20~26 ℃；

（2）室内空气相对湿度宜保持在40%~60%；

（3）超温频率小于10%；

（4）室内CO2浓度不超过0.1%；

（5）室内围护结构内表面温度温差不得超过3℃；

（6）门窗室内一侧无结露现象。

2.1.3 能耗设计指标

本项目能耗设计指标如下：

（1）供热需求指标为3.37kW·h/(m²·a)，不超过10kW·h/(m²·a)（为用户端的供热消耗，不包括供热制热损失）；

（2）制冷需求指标为19.27kW·h/(m²·a)，不超过37kW·h/(m²·a)；

（3）供热负荷指标为5.3W/m²，制冷负荷指标为15.1W/m²；

（4）所有能耗的一次能源消耗总计120kW·h/(m²·a)，包括家用电器、制冷、供热等能耗；

（5）所有热桥的热桥损失系数均 ＜0.01W/(m·K)。

2.1.4 冷热负荷指标

该项目设计热负荷为36.47kW，热负荷指标为5.3W/m²；冷负荷为103.91kW，冷负荷指标为15.1W/m²。

2.2 新风系统方案设计

笔者以该项目某户型为例进行新风系统设计的阐述，其室内新风系统布置如图3所示。

图3 室内新风系统布置图