超低能耗建筑新风系统不同运行策略下新风热负荷计算

徐伟，吕燕捷，孙德宇

（中国建筑科学研究院，北京100013）

 [摘要]机械新风系统作为超低能耗建筑满足室内环境的必要组成，其实际负荷与能耗关系到建筑整体系统能耗水平。本文结合当前严寒和寒冷地区超低能耗建筑中，由于实际开启时段差异造成的新风系统实新风热负荷及能耗计算偏差，提出计算修正，同时分析办公建筑及居住建筑中由于系统运行时间不同造成的负荷及能耗差异，为新风系统热负荷及能耗的设计计算提供参考。

 [关键词]超低能耗建筑；新风系统；热回收；负荷；运行策略

O  引言

 建筑节能作为我国目前节能工作重点之一，自“十一五”以来，全国强制性推行节能标准达48. 57亿平方米，北京、天津、河北等多省市节能建筑占既有建筑面积比例超过30%。超低能耗建筑以其良好的围护结构保温性能及气密性能大大减小了围护结构负荷，成为近年来建筑领域发展的重要方向。超低能耗建筑的高气密性使得新风系统成为满足室内空气品质需求的必要手段。因而新风系统的合理设计、优化运行也成为制约系统能耗的重要因素。

 超低能耗建筑新风系统设计时负荷计算应根据系统实际组成，考虑建筑气密性及热回收对系统负荷造成的影响，严寒及寒冷地区还需考虑冬季室外气温过低造成热回收装置排风侧霜冻的情况。然而不同建筑的系统运行时间表不同使得各建筑新风系统运行时的负荷特征亦不相同，系统开启时段是否涵盖全时段运行时的峰值负荷影响系统负荷计算的准确性，公共建筑运行时间较为固定，居住建筑由于居住人员个体因素较为复杂，在上班日及非上班日运行时间相差较大，因此根据系统实际运行情况合理优化新风热负荷的设计计算对于系统设计选型和高能效运行至关重要。

 目前超低能耗建筑年能耗尚无成熟详尽的计算方法，既有能耗计算方法相对粗略，往往通过全年运行监测与计算值进行对比修正，只能作为超低能耗建筑设计时的参考。超低能耗建筑实际系统的开启时长是能耗计算中不确定性较大的因素之一，本文根据不同类型建筑的运行时间表，提出严寒及寒冷地区超低能耗建筑部分时段运行状况下的供暖能耗计算方法。

1常规运行新风系统热负荷运算

 在常规新风系统设计计算中，新风负荷及能耗的计算是按照全时段运行工况进行的，其主要包括系统风量、室外计算参数，以及系统运行时长的确定。

1.1系统风量的确定

根据建筑不同类型，建筑新风量V。可由我国现行GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中所规定的不同换气次数推荐值进行计算得到，见式(1)：

式中：v为建筑体积，m3；A，，。为建筑面积，m2；h为计算建筑高度，m；n。为新风换气次数，h-1。

我国常规建筑新风系统既有设计方法，将由于风压和热压引起的室外冷风渗透按照经验换气次数折算计人热负荷。超低能耗建筑由于其出色的气密性能，大大减少了由于渗透带来的新风负荷。空调室内运行正压5~ 10 Pa，由此可以得到新风系统的空气渗透换气次数n。．。。：

式中：n，。为气密性实验50 Pa压差下的换气次数，h-1；V。，。为该换气次数下对应的换气量，m3/h；e为建筑的防风系数，EN ISO l3790[6]用其表征不同建筑周边环境对建筑渗透风量的影响，表1给出不同防风系数的确定。

则建筑新风系统的有效换气次数则可由式(3)得到：

式中：n。。．。。为新风热回收装置的实际运行效率。在实际运行中，热回收装置的实际效率随工况温度不同而发生变化，其效率随着新排风两侧空气温差的增加而增大。

1.2新风热负荷的计算

对于我国北方地区冬季，热回收装置工况温度低于其工作区间温度时，会发生霜冻现象，此时则需要对室外新风进行预热后再行进入热回收装置，完成热交换后经过辅助加热设备加热至室内送风温度，则新风热负荷q。的计算可以分为预热负荷q，及辅助热负荷qT:

定义预热开启温度tope。和预热设定温度t。。．：当室外干球温度t。低于预热开启温度tope。时，热回收预热开启，室外新风加热至预热设定温度t。。．，送入热回收装置。则新风系统预热负荷为：

式中：q，为新风预热负荷，kW;c，为空气定压比热，kj/( kg。C)；p。；，为空气密度，kg/m3；t。。．为预热设定温度，℃；tmin为室外最低干球温度，℃。此时新风系统辅助热负荷为：

式中：troo。为室内温度，℃，根据规范中规定的设计计算参数，冬季室内计算温度为20℃，夏季为25℃。当预热开启温度与预热设定温度二者设为相等时，式(6)即为新风系统的新风热负荷。

1.3  新风加热能耗计算

超低能耗建筑对于年供暖能耗有着严格的要求(≤15 kW - h/m2a)，因此在设计阶段新风系统的年供暖能耗计算分析则显得尤为重要，超低能耗建筑新风系统年供暖能耗QL可由新风热负荷QT与预热量QP求和得到：

式中：QL为建筑新风系统年供暖能耗，kW．h/a；Q，为年预热量，kW．h/a；QT为年辅助加热量，kW．h/a。本文分别采用预热小时数和辅助加热小时数来计算年预热量与年辅助加热量。

若室外温度低于预热开启温度，即t；< tope。，预热开启：

式中：G。为单位预热小时数，kKh；G，．。为预热开启工况下的新风辅助加热小时数，kKh。若室外温度高于预热开启温度，即t．> tope。，室外空气不经预热直

接进入热回收装置进行热交换：

式中：G，．。为无预热工况下的新风辅助加热小时数，kKh，在无需预热的地区，G，=G，．。。则在需要开启预热的地区，预热量可以通过式(12)计算得到：

辅助加热量可以由式(13)计算：

2  不同运行时段下新风热负荷及能耗计算

 对于不同建筑类型，新风系统开启时段也有所不同，因此在实际系统设计时，应注意系统实际应用时段，并在此基础上对负荷及能耗的计算加以修正，以期更加准确。

2.1  运行时段对新风热负荷的影响

 公共建筑的新风系统开启时段一般在上班日上班时段，而居住建筑由于家中人员构成多样，非上班日随机性较大，新风系统开启时段并不固定。在进行系统热负荷计算时，应尽可能考虑建筑实际运行工况，注意目标系统的实际开启时段H。，。。是否涵盖峰值负荷时段，两者之间可能存在以下几种情况：

 1)实际开启模式为全时段运行，即H。，。。=H．。，，此时目标系统负荷等于室外计算参数计算得到的峰值；

 2)实际开启模式为非全时段运行，但开启时段涵盖峰值负荷段，即Hopen≠Htotal，qmax，open=qmax，total，此时目标系统负荷不受时段计算影响，仍可采用室外最低温度参数进行计算；

 3)实际开启模式为非全时段运行，且开启时段不能涵盖峰值负荷段，则此时的室外计算参数需要根据实际系统运行时段进行计算，室外计算参数为运行时段内峰值负荷对应的室外计算温度。

 由以上可知，不同运行时段对于新风系统负荷的影响多集中于运行时段固定、运行区间峰值与全段运行峰值负荷呈明显比例关系的系统当中，例如办公建筑。

2.2运行时段对新风能耗的影响

 目标系统的实际开启模式对于新风系统年能耗计算影响尤为明显，主要体现在预热度小时数以及辅助加热小时数的计算上，两者应根据实际系统运行情况进行计算，这意味着，对于超低能耗建筑，新风系统的设计不应一概而论，而应根据各个系统实际运行工况进行计算，才能减小系统能耗误差。

3  计算结果及分析

 本文分别以某超低能耗高层住宅及超低能耗办公建筑为例，选取我国严寒地区（哈尔滨）和寒冷地区（北京）气象数据，作为本文的实例验证，计算其在不同时段运行工况下新风热负荷及供暖能耗的变化。同时，为验证计算准确性，采用TRNSYS进行同条件逐时模拟校核。

表2为不同类型建筑新风系统运行时间表，表中以上班族住户为例，给出本文中居住建筑新风系统负荷及能耗计算所依据的运行时间表，办公建筑按普通8小时工作制进行计算。

图1为不同预热工况下，北京和哈尔滨地区办公建筑部分时段运行工况下新风热负荷的变化情况。图1中分别选取3种热回收新风预热温度设定模式，当室外新风低于预热开启温度时，开启热回收装置新风侧入口处预热装置，将新风加热至设定温度后进入热回收装置进行热交换。系统设定仅在上班日上班时段运行，由图1可知，随着新风开启温度的升高，两地区预热量都显著增加，以哈尔滨地区为例，随着预热开启／设定温度由- 10℃提升至-5℃和0℃，预热负荷分别提升27. 6%和55. 2%，辅助加负荷分别减少10.6%和24.3 %，新风系统总热负荷减少11. 7%和21%。

图2为不同预热工况下，哈尔滨地区居住建筑不同时段运行工况下新风热负荷的变化情况。由图2中可以看出，系统依照表2选择性开启时，新风系统热负荷几乎没有变化。这是由于居住建筑新风开启的时间段大多集中于夜间，涵盖了全时段运行是的峰值负荷时段，因此在进行居住建筑设计时，可以按照全时段运行负荷峰值进行设计计算。

  相比于居住建筑，办公建筑部分时段负荷要低于全时段负荷约5%，这一比例大小在昼夜温差较大地区将更为明显，热负荷的精确计算有助于明确对于不同的系统开启模式对于各部分负荷的影响，从而使系统设计更能贴合建筑功能需求。

图3为不同预热工况下，哈尔滨地区办公建筑新风能耗的计算。与全时段运行工况相比，部分时段工况下新风供暖能耗减少65%。仅在工作日上班时段开启系统，使得系统避开了夜间的预热峰值负荷时段，因此较居住建筑而言，根据实际运行时段计算能耗对于办公建筑具有更显著的实际价值。

图4为不同预热工况下，北京地区居住建筑新风能耗的计算。有图中可以看出，依照实际开启时长进行能耗计算，新风系统总供暖能耗较全时段运行，减小24. 1%~31. 3%，能有效修正由于开启时段造成的误差。同时，由图4可知，相比于全时段运行，热回收系统回收能量减少33. 7%，在相同的系统开启模式下，较低的预热开启温度及预热设定温度会提升系统回收的能量，从而增加热回收系统的回收效率。

4  结论

 本文结合不同建筑实际运行工况，对不同运行开闭时段下，严寒和寒冷地区超低能耗建筑新风热负荷及供暖能耗进行计算和对比，分析由于开启时段不同造成的热负荷及能耗差异，为新风系统合理选型及确定预热温度提供参考依据。

 运行时段对于负荷的影响需依据系统实际峰值时段是否涵盖于全时段运行时的峰值时段来进行判断。对于居住建筑，由于新风系统夜间开启时段一般涵盖全时段峰值负荷，因此负荷影响不大，但对于办公建筑，由于其开启时段较为固定且未涵盖夜间峰值时段，因此依照传统负荷计算方法热负荷计算相对偏大，以哈尔滨地区为例，会造成约5%的误差。

 系统实际运行开闭时段对于能耗的影响较为明显，以哈尔滨为例，居住建筑新风能耗较全时段运行计算能耗减少24%~31%，办公建筑减少65%。合理将系统实际运行时间表融合人能耗计算中有助于建筑能耗的准确计算。

 在安全区间内，较低的系统运行温度有助于使热回收系统保持较高的热回收效率，以哈尔滨地区为例，预热开启温度及预热设定温度每提升5℃，系统回收的热量将减少7%~lO%。