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新风系统在居住建筑类被动房中的应用

发布时间:2018/08/27
新风系统在居住建筑类被动房中的应用

1 引言

近年来,随着我国建筑行业规模不断扩大,建筑能耗问题日显突出。被动房作为一种先进的节能建筑已在国内外得到广泛应用。它是通过大幅度提升建筑物围护结构的热工性能及气密性,采用高效热回收技术,并充分利用可再生能源,力求以更少的能源消耗带来更舒适的室内环境,从而最大限度地降低对机械采暖和制冷系统的依赖[1]

被动房已经成为建筑节能发展的新趋势。目前,国内已有多个城市颁布与被动房相关的政策和设计标准,涉及多个气候带,寒冷地区是我国被动房发展的重要区域。截至目前,大约60%的项目分布在此区域,其中河北省和山东省的发展势头最为迅猛。2017年以来,河北省已经在张家口、秦皇岛、石家庄、保定、邢台、定州等多市开展被动房试点项目;山东省已经在青岛、济南、菏泽、济宁等市开展项目推广[2]

2 居住建筑类被动房室内环境控制指标及方法

2.1 指标分析

居住建筑室内环境控制系统的目的就是提供舒适、健康的室内环境。室内环境通常包括声环境、光环境、热(湿)环境、空气品质等方面,各项指标参数通常有一定的规范或者标准要求[1]。住房和城乡建设部发布的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》(居住建筑)中提出室内环境的参数要求见表1。

表1 室内环境参数

 

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对于室内空气品质,GB18883-2016《室内空气质量标准》给出了室内主要污染物来源以及浓度的控制水平。室内污染物一是由人体散发,如CO2及VOC等,通常都取CO2为参照指标,控制了室内CO2浓度,就控制了室内空气新鲜度,国内要求将室内CO2浓度控制在1000ppm以下;二是可吸入颗粒物污染物,如粉尘、PM10、PM2.5等,世界卫生组织提出的室内PM2.5标准值为<10μg/m³,并且指出当室内年均浓度达到35μg/m³时,对人体的危害性会增大,我国的PM2.5标准值为24小时平均浓度小于75μg/m³为达标[3]

2.2 控制方法

2.2.1 温度控制

该过程实质是热量搬运的过程。建筑热源包括人员、设备、灯光、进入室内的太阳辐射热量、围护结构传热等,冬季供暖的原因实际是补充由于围护结构散热或渗透风等热量散失造成的热量不足。依照各类热源的特点,夏季空调可以采用不同的处理方式来应对,利用辐射、自然对流或强迫对流等换热方式都可以实现热量的搬运或排除。

2.2.2湿度控制

该过程的实现需要通过不同含湿量水平的空气之间的扩散作用。夏季空调需要向室内送入干燥的空气、排除室内湿源产生的水分,冬季则由于空气中的含湿量过低而存在加湿的需求。通过一定的空气处理装置,可以将空气处理到冬夏需求的送风状态,满足湿度控制的需求[4]

2.2.3 室内化学污染物控制

CO2、VOC等,这些污染源都来自于室内,目前尚没有有效的手段对其净化消除。可行的途径就是通过室外的新鲜空气送人室内将其稀释并部分排出室外。也就是室内化学污染物的控制主要依靠室内外通风换气的方式实现。

2.2.4 室内可吸入颗粒物控制

室内可吸入颗粒物可来自室外,也可由室内产生。在没有明显室内污染源的住宅,75%的PM2.5来源为室外,对于有明显室内污染源(比如吸烟、烹饪、家务等)的住宅,室内PM2.5中仍然有55%~60%来自室外。过滤是去除这类污染物最有效的方式,目前有两种方式进行过滤,一种是对室内空气进行循环过滤,即房间空气净化,另一种是通过新风系统对新风进行过滤。被动房由于气密性比较好,并无大量非组织的渗透风。因此当独立设置的新风系统有较强的过滤性能时,可以保证送入室内的新风已经经过有效净化过滤,同时不断并多次循环过滤室内空气,从而实现室内快速净化,达到良好的空气要求[5]

3 被动房技术在国内的适用性

被动房技术发展于以德国为代表的欧洲国家,其气候特点、资源条件、生活习惯等与国内差异性较大,在欧洲主要解决供暖问题,夏季气候较为凉爽。我国地域广阔,气候特点复杂,在全国范围内推广被动房技术存在很多问题[6]

3.1 气候条件适用性

不同的气候条件对建筑围护结构的热工性能要求不同。我国气候分区跨度大,严寒地区的城市以采暖需求为主,良好的保温和高气密性有利于降低建筑采暖能耗。反之,在夏热冬暖地区,夏季的制冷需求大于冬季采暖需求,良好的保温和气密性不利于排出室内的热量,会造成热量在房间内累积,使得空调制冷能耗上升。

3.2 理论计算适用性

目前国内对于被动房项目的认证,关于建筑的能耗水平大多是依据PHPP等能耗模拟软件计算获得。计算过程中存在很多提前设定的工况条件,而建筑的最终运行是一个多变和复杂的过程[7]。因此,一旦建筑的现场施工和实际运行出现与理论计算不符的情况,就会出现实际能耗偏高或者室内环境不达标等不可控因素。

因此,在供暖为主的严寒和寒冷地区,采用被动房技术可以有效降低建筑采暖能耗,应该是进一步推广和建设的有效方向;而对于制冷需求为主的南方区域以及全年有半数以上时间处于温和天气范围的长江流域,被动房技术不是降低建筑能耗的有效途径。在被动房技术的应用上,应根据当地的气候条件和能源结构以及用能习惯选择合适的建筑方案。

4 能量回收装置适用性问题

4.1 能量回收效率计算理论及影响因素

被动房新风设备的能量回收装置分为显热和潜热回收两种,其工作原理就是:室内排风通过热回收装置与室外新风进行能量交换,实现新风的预冷/热功能,能量回收后的排风以废气方式排出室外,从而减少新风负荷,实现节能。

能量回收效率的实质就是空气在回收装置中实际获得的能量与最大理论值之间的比值,计算式如下:

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 由公式(1)和(2)可以看出,影响能量回收装置换热效率的主要因素为风量和室内外温差。当风量减少时,同样换热面积下的气流速度减小,气流在装置换热通道的停留时间越长,换热效果越好。随着室内外温差的增大,装置的热回收效果越明显[8]

4.2 能量回收装置的节能性分析

室内通风系统设置能量回收装置的必要条件是房间应该有可供热回收的能量,且携带这些能量有组织地排风。实际运行过程中,并不是所有的热量回收都对建筑节能有利。研究资料表明:当室外温度在20℃~25℃时,通过热回收装置会造成通风换气无法有效带走室内热量,从而延长空调制冷时间,增加建筑能耗;只有室内外温差大于10℃时,才能有效保证热回收效果;当室内外温差小于10℃时,热回收装置的效率会产生大幅度衰减。另外,通风设备安装热回收装置也会造成设备阻力增大,会带来额外的风机功耗。被动房是以节能为核心理念,正常空调的能效比约在3.0左右,也就是大约1kWh的电力可以通过空调设备产生约3kWh的冷热量。因此,只有当因采用热回收装置而额外增加的风机能耗占比小于回收能量的1/3时,才能认为该能量回收装置具有节能效果。

由于我国地域广阔,气候差异性大,而热回收装置的节能又与当地全年气候状况相关,当室外温度低于10℃和高于25℃时,室内外温差越大,回收的能量越多。表2列出了我国不同气候分区代表城市的气象条件下(温和地带除外),居住建筑安装热回收装置的能耗统计表[5],计算条件为:夏季室内干球温度为25℃,冬季室内干球温度为20℃,热回收效率为70%,空调系统按照COP=3.0,热回收装置增加的风机用电量在全国统一,进而计算其能耗增减情况。

根据当前计算条件,尽管热回收效率影响因素复杂,但仍可大致判断,在哈尔滨和北京为代表的严寒和寒冷地区,冬季室内外温差大,热回收装置节能效果明显,而对于其他区域的城市,全年大部分时间室内外温差较小,所以热回收装置并不节能,很多情况下增加了全年运行能耗。因此,在能量回收装置的应用过程中,应该因地制宜,根据当地的气候条件从能耗和经济性方面进行综合考虑。另外,采用带旁通功能的热回收设备,在室内外温差较小时开启,更有利于节能。

表2 我国典型城市热回收装置全年能耗增减情况对比表

 

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5 机械通风系统风量衰减造成的能耗问题

5.1 形成机理

室内新风系统随着使用时间的增长,设备内部过滤网上所累积的灰尘会越来越多,因此滤网的阻力越来越大。当容尘量达到饱和时,过滤网的阻力达到最大值,即滤网终阻力。按照GB/T14295-2008《空气过滤器》中的要求,滤网在额定风量下的终阻力为初阻力的两倍,这意味着当滤网容尘量饱和时,滤网的阻力会比之前增大一倍。

新风系统在同等条件下,若功率不变,阻力增大,则设备的风量就会衰减;若风量不变,阻力增大,则设备的功率就会增大。灰尘积累超过滤网的容积量后,如果继续使用而不采取任何措施,会直接影响系统运行风量,不能满足室内新风量的要求,不能满足快速稀释室内污染物,送入新鲜空气的要求,进而无法保证室内空气环境的质量及舒适度。同时,新风需要先经过聚积大量尘埃的滤网才能送人室内,过滤效率不仅不能保证,还可能将部分颗粒物带入室内产生二次污染。

5.2 解决措施

目前对于新风系统中滤网积尘导致风量衰减的解决措施主要有以下几种:

(1)新风设备在控制设计时,风机留有足够的备用风压,当滤网系统阻力增大时,通过提高功率,来保证风量的恒定。避免由于过滤器阻力过大而影响系统正常运行风量,满足室内新风量的需求。被动房用新风系统需要使用高效过滤网,按照最低的配置,为了满足风量不衰减的要求,风机的压头需要增加约100Pa;空气污染地区每小时送入超低能耗建筑的新风每立方米需要增加0.1W~0.15W的能量损耗,建筑层高按照3米计算,这样室内建筑每平方米年增加约2.6kW的能耗[2]

所以,这种提高功率的措施不仅会直接增加新风系统的成本,更会增加大量的能耗损失,这完全不符合被动房的超低能耗的理念和要求,极大程度地造成能源浪费。

(2)按时或按设计要求更换滤网,滤网更换的科学依据是滤网的尘积量达到滤网的容尘量,终阻力达到初阻力的两倍,这个并不是以时间为依据,而是要根据不同地区、不同时间、不同使用工况的室外空气质量来确定具体的情况。另外,空气中尘埃的成分也根据地域不同有所区别,有些地区粘性尘埃很多,有些地区沙尘很多,因此仅以时间为依据更换滤网并不合理。另外,据数据统计,截至2017年12月,新风产品销售了2000万台,预计2020~2025年,空气净化新风设备销量会达到3亿台,按3亿台设备每年更换三次滤网计算,则每年需要消耗9亿个滤网,五年消耗45亿个滤网,按每个滤网100元计算,价值4500亿元。根据2018年万元产值综合能耗指标63kg标准煤计算,生产4500亿元的滤网,消耗标准煤约300万吨[5],这组数据说明了采取及时更换滤网的措施来避免新风系统风量衰减,会造成非常大的产值浪费,并且会带来巨大的环境污染,因此这并不是最好的措施。

(3)滤网的自动清洁,这是解决滤网尘积导致风量衰减问题的最环保和经济的技术手段。该技术分为微颗粒凝聚技术和滤网自清洁技术两部分。微颗粒凝聚技术是指利用光热凝聚超细颗粒物的动力学机理,能够有效凝聚PM2.5,将微颗粒凝聚成大颗粒,有效提高滤除效率,有效降低能耗,并有效避免了普通静电除尘技术带来的臭氧污染问题。经测试,在普通空气过滤器前端预设计安装凝聚器,能够大大提高普通空气过滤设备的除尘性能,其中0.3μm以下的颗粒物浓度减少了51%,过滤效率明显提高。滤网自清洁技术,即新风设备在安装使用后,设置定期自动清洁滤网,能及时排净滤网的积尘,保持滤网的洁净,避免了新风通过积尘多的滤网后将污染颗粒物带入室内,造成二次污染的情况。另外,还能大幅度延长滤网的使用寿命,降低后期维护频率及使用成本,同时可有效地解决新风系统风量衰减所造成的能耗问题。

6 不同气候带室内环境系统设计问题(温和区域除外)

被动房是一个功能性的标准,不同的气候环境下需要依靠设计人员建立不同的解决方案,建筑风格、建筑方法以及建筑能源方案完全取决于当地的气候特点。对被动房室内环境系统产生影响的主要因素是建筑物的保温、气密性以及通风状况。表3给出了我国不同气候分区居住建筑类被动房设计的要点。

由表3可以看出,对于我国不同气候分区,在建筑设计初期就应该根据气候特点因地制宜,采用合理的被动式技术,再辅助以少量的空调通风系统,有效保证室内居住环境的舒适性。因此,针对各气候区室内环境系统设计问题作以下简要分析。

表3 不同气候区被动房设计要点分析[7]

 

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6.1 严寒地区

该气候区冬季异常寒冷,最冷月平均气温<-10℃,日平均气温<5℃的天数在136~238天;夏季短促凉爽,最热月平均温度<26℃。在该地区对于被动房室内环境系统设计,应该充分考虑建筑的供暖需求,冬季室内外温差较大,为了减少新风负荷,应该采取有效的新风预热措施和热回收技术。由于其最冷月平均气温<-10℃,必须采取稳定可靠的冷热源系统。目前,市场出现的新风空调一体机在室外温度低于-7℃时就会出现严重的制热量衰减问题,因此在该区域建议将空调系统和新风系统分开独立设计,并使用可再生能源系统(如空气源或者地源热泵系统)。

6.2 寒冷地区

该气候区其特征与严寒地区相似,冬季较长且寒冷干燥,最冷月平均气温在-5℃~3℃。夏季炎热湿润。该区域的被动房室内环境系统设计应以采暖为主,辅助少量的制冷需求。同样该区冬季室内外温差较大也应该采取有效的新风预热措施和热回收技术以减少新风负荷,此时既可以将空调系统和新风系统分开独立设计,也可以使用新风空调一体机来满足室内的冷热需求。在过渡季节,要采用新风旁通设置回路以减少风机能耗,实现节能。

6.3 夏热冬冷地区

该区域气温日差小,夏季闷热高湿,最热平均温度26.5℃~40℃;冬季湿冷,最冷月平均气温0℃~8℃。该地区室内环境系统的设计要同时考虑采暖和制冷需求,建议采用新风空调一体设备来满足室内空调通风需求。此时的新风系统一般采用全热回收装置来减少部分新风湿负荷,并附加必要的除湿装置以改善室内的热湿环境。该区域过渡季节周期较长,因此必要的新风旁通回路设计对于减少通风能耗具有显著影响[9]

6.4 夏热冬暖地区

该气候区是典型的亚热带气候,夏季长而炎热,最热月平均温度>26℃;冬季暖和,最冷月平均温度>9℃。该地区室内环境系统设计应充分保证夏季的制冷除湿需求,室内外温差较小,新风系统必须带有旁通回路,空调系统冷热源以水源或者空气源热泵为主,节约能源[10]

7 结论

本文通过对目前国内被动房技术的发展情况和被动房室内环境系统的指标参数及控制方法进行概述,指出目前被动房技术在国内的适用性、热回收技术的适用性以及机械通风系统风量衰减产生的能耗问题,并探讨了不同气候分区被动房室内环境系统设计的差异性,得出以下结论:

(1)被动房技术在国内的推广应用,应根据当地的气候条件和能源结构以及人员用能习惯,因地制宜,选择合适的建筑方案,尤其是对于制冷需求为主的南方区域以及全年有半数以上时间处于温和天气范围的长江流域,被动房技术可能不是降低建筑能耗的有效途径。

(2)影响能量回收装置换热效率的主要因素为风量和室内外温差,对于冬季室内外温差大的城市,热回收装置节能效果明显,而对于全年大部分时间室内外温差较小的南方城市,热回收装置并不节能,很多情况下增加了全年运行能耗,因此应该根据当地的气候条件从能耗和经济性方面进行综合考虑选用。另外,采用带旁通功能的热回收设备,在室内外温差较小时开启,更有利于节能。

(3)当机械通风系统由于滤网阻塞导致风量衰减时会直接影响系统能耗,而且无法保证室内空气环境的质量及舒适度,必须通过有效的措施进行处理,如滤网自清洁技术,会定期自动清洁滤网,及时排净滤网的积尘,不仅可以降低新风系统使用成本,同时有效地解决了新风系统风量衰减所造成的能耗问题。

(4)针对我国不同气候分区,被动房室内环境系统在设计初期就应该根据气候特点因地制宜,采用合理的被动式技术,再辅助以合理的空调通风方案,有效保证室内居住环境的舒适性。

参考文献

[1]张小玲.我国被动式房屋发展现状[J]建设科技,2015(15):16-27.

[2]住房和城乡建设部科技与产业化发展中心.中国被动式低能耗建筑年度发展研究报告2017[M].]北京:中国建筑工业出版社,2017.9.

[3]叶海,罗森,徐婿.健康建筑及其评价标准[J].建筑科学,2017(2):13-119.

[4]彭梦月.欧洲超低能耗建筑和被动房标准体系[J].建设科技,2014(21):43-47.

[5]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告[M].北京:中国建筑工业出版社,2017.3.

[6]夏伟.基于被动式设计策略的气候分区研究[D]北京:清华大学,2008:38.

[7]昊筱波,刘猛,杨巧霞等.各气候区被动建筑节能技术适用性分析,土木建筑与环境工程,2012.34(增刊):5l-53.

[8]Schnieders.J,Feist W,Rongen L.Passive houses for different climate zones[J].Energy&Buildings,2015,105:71-87.

[9]陈蕾.夏热冬冷地区住宅建筑被动式采暖的实验研究[D]南京:东南大学,2012.

[10]任志刚,张强,涂警钟等.基于气候适应性分析德国被动式建筑概念在中国的实现[J].建筑科学,2017(4):150-157.

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