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作者：撒世忠 吳誌成 劉釗 華濤 單位：無錫漢科節能科技有限公司
作者：楊俊俊 單位：無錫中糧工程科技有限公司
摘要：超低能耗建築的快速崛起，帶來空調設計的新變化。冷熱負荷大大降低特別是顯熱負荷大大降低，空調冷熱源及末端裝置選型出現新情況。以新風優先執行的超低能耗建築，區別於傳統的空調設計與執行方式，空調設計方式必然發生改變。
本文從超低能耗的負荷與執行特點出發，透過耳熟能詳的風機盤管+新風系統，結合若幹工程實際提出「新風+風機盤管」系統設計理念:在超低能耗建築中可采用直膨新風機與 VRV 空調組合、一級或二級除濕新風+幹風機盤管的幹、濕工況，一級或二級新風除濕+風機盤管幹工況能較好地匹配室內末端負荷。期待本文能為超低能耗建築空調設計提供先期建議。
超低能耗建築作為建築節能的高級表現形式，從最初單純地追求降低建築能耗，逐步轉向更加註重人的體驗和感受，即健康舒適和身心愉悅。兼顧能耗指標和經濟性指標為指導原則下的非透明圍護結構的保溫效能提升、透明圍護結構的保溫效能提升、氣密性提升、遮陽效能的提升、減少冷熱橋措施的提升，極大地提升了圍護結構的熱工效能。圖一為建築總冷負荷的分類圖[2]，對於超低能耗建築，其中的圍護結構冷負荷 Qj大大降低。超低能耗建築被動優先及舒適健康的理念給暖通空調設計帶來以下新變化：
1）冷熱負荷大大降低，特別是是顯熱負荷大大降低，是表現形式；
2）超低能耗建築也必須是健康建築，改善圍護結構熱舒適性，改善衛生條件，降低室內 PM2.5，新風必須常開[2]，是重要特點，徹底改變了過去傳統空調的執行模式：其他末端常開，新風一般不開或間歇啟停；
3）以新風系統為主要負荷載體，對於圍護結構熱工效能極好的建築，空調系統即是新風系統，不再設定其他空調末端形式，對於圍護結構熱工效能稍差的建築，負荷不足部份由其他末端承擔，新風系統承擔空調負荷功能凸顯，且新風系統初次降溫除濕需要采用熱交換裝置，是空調系統設計的重大改變；
4）由於建築能耗很低，對氣密性要求很高，和傳統建築相比，衛生間，廚房排風滲透負荷無法忽視，須采用顯熱交換裝置實作節能與補風，衛生間采用單獨顯熱交換，其他區域采用全熱交換，設計時須引起高度重視；
5）圍護結構熱工效能改進體現被動優先原則，暖通空調系統主動最佳化，因地制宜地采用可再生能源：地源熱泵、光伏、太陽能熱水、空氣源熱泵是空調系統設計的精髓。
圖1 建築空調負荷分類
#1超低能耗建築空調系統及末端裝置選型的新問題
結合上海市及無錫市等夏熱冬冷地區在實施超低能耗建築技術措施的若幹案例可以看出，建築的供暖空調負荷需求會有明顯的降低，相應的空調裝置的選型容量應該降低。但目前上海市和無錫市超低能耗建築工程實踐中，空調裝置的選型容量普遍較常規計畫並未有明顯降低，其背後的原因值得反思[3]。
分析一下可能有以下原因：
1）未結合超低能耗建築新型圍護結構熱工特性進行仔細的負荷計算，還受到過去的常規負荷指標計算思想的禁錮；
2）尚不習慣采用新風系統負荷為主導的空調設計手法，仍普遍采用傳統的空調冷熱源和末端形式，導致系統和末端選型過大，無法很好匹配超低能耗的低負荷特性；
3）由於圍護結構熱工特性優異，或因為房間面積較小，導致該空間空調負荷較小，在常規系統、常規末端選配下，即使選擇最小一款末端裝置，也無法匹配室內實際負荷。如無錫某超低能耗公寓，空調計算面積為 10m2，單位空調負荷為 25W/m2，如采用常規的風機盤管加新風系統，則僅僅需要 250W 的風機盤管末端來匹配，如仍然采用傳統風機盤管加新風系統選型，新風處理到室內等焓線，7℃/12℃迴圈冷水為風機盤管提供冷源的條件下，最小的風機盤管 340m3/h 為 1920W（按照中檔選型），則選型比實際負荷大了接近 6-7 倍，導致無法精確匹配到實際負荷。
#2超低能耗建築空調系統設計新方法
由以上分析可見，超低能耗建築采用被動優先的圍護結構技術措施後，導致空調系統負荷大大降低，尤其是顯熱負荷降低較大。常規空調系統設計手法無法滿足超低能耗負荷匹配度的要求，也就在空調系統環節無法實作真正意義上的超低能耗及相應的舒適性。基於常見住宅、辦公、酒店等可采用風機盤管+新風系統的建築型別為基礎，闡述超低能耗建築空調系統設計的新變化即用「新風+風機盤管」系統。
2.1 全新風系統對低負荷的適應力分析——溫度調節和新風量調節
當被動措施總體優異，諸如住宅類超低能耗建築，且人員數量不多，每個功能房間面積也不大，導致每個房間負荷總體較小，如圖一所示，比如單位冷負荷在 10-30W/m2之間，此時新風系統承擔了自身負荷及室內冷負荷，且新風系統提供的除濕能力能滿足人體舒適性需求，此時可以僅僅采用熱泵型新風環控一體機的空調方式，即可滿足冬夏空調負荷需求，此時須滿足以下約束性條件：
1）熱泵型新風機組的制冷和制熱量能力大於受控環境所需要的總冷熱量；2）以既定規範規定的新風量為計算依據，每個區域新風所承載的冷熱量能滿足自身及室內冷負荷的要求，且能滿足夏季除濕負荷的要求；
3）當每個區域新風所承載的冷熱量不能滿足自身負荷及室內冷負荷的要求時，可透過適當加大新風量來滿足，選擇更大一款新風機組；
4）如采用的新風裝置的夏季出力不能處理到既定夏季含濕量 ds（如住宅和辦公一般送風含濕量為 6-8g/kg（a）），可適當加大新風量來滿足除濕要求，除濕負荷如公式（1）所示，滿足等式需求即可
WN=ρ×Lx×（dN-dS）
其中，
WN—室內余濕量，g/h；
LX—除濕要求的新風量，m3 /h；
ρ—空氣密度，kg/m3；
dN—室內設計狀態點的含濕量，g/kg；
dS—設計工況下新風的送風含濕量，g/kg。
表一給出了無錫地區新風處理到各種工況的溫濕度狀態。新風處理到等含濕量以下，才能起到祛除室內余濕的要求，在新風量按照規範要求限值，考慮一定余量，送風狀態點含濕量為 8g/kg（a）才能滿足夏季住宅、辦公、酒店的除濕量要求。
對於超低能耗建築，采用以下幾種措施才有可能滿足送風含濕量：
1）全熱交換降溫除濕+8 排管常溫冷水表冷器降溫除濕（送風溫度較低僅為 11.5℃）；
2）全熱交換降溫除濕+高溫冷水表冷器+常溫冷水表冷器；
3）全熱交換降溫除濕+高溫冷水表冷器降溫除濕+直膨除濕；
4）全熱交換降溫除濕+高溫冷水表冷器+溶液除濕表冷器，
5）兩級直膨除濕等方式[4]。
表1 無錫地區新風處理工況狀態表圖片
新風處理到低於室內等焓線後，還可以承擔部份室內顯熱負荷，只要出風溫度低於室內狀態點溫度，新風承擔的顯熱負荷為：
QHS=ρ×CP×Lx×（tN-tS）
其中，
LX—除濕要求的新風量，m3 /h；
ρ—空氣密度，kg/m3；
tN—室內狀態溫度，℃；
tS—送風溫度，℃；
CP—空氣的定壓比熱，可取 1.01kj/（kg℃）
2.2 新風+風機盤管對低負荷的適應力——幹風機盤管幹、濕工況或風機盤管幹工況
當被動措施總體使用恰當，諸如辦公、酒店類采用玻璃幕墻類超低能耗建築，同樣人員數量不多，每個功能房間面積也不大，負荷適當，比如單位冷負荷在 30-60W/m2之間，此時新風承擔了自身負荷及部份室內冷負荷，同時考慮到以下幾個因素的共同作用：
1）超低能耗建築不同於常規建築新風系統為必備開啟；
2）溫濕度獨立控制系統只要設計合理被認為是一種節能的空調設計方法；
3）即使不是嚴格意義上的溫濕分控系統，制冷時提高非新風末端裝置的供水溫度，對冷熱源裝置選型小型化及提高冷熱源效率有利。
此時新風承擔全部夏季濕負荷及部份室內負荷，如公式（2）新風還承擔了一部份的室內顯熱負荷。冷水供水溫度的提高，可以讓風機盤管所能提供顯熱負荷下降，精確匹配室內負荷，達到能源總體利用效率最優。
圖2 不同負荷條件下末端系統應對措施
以典型的溫濕度分控系統為例，夏季新風承擔自身負荷、部份室內顯熱負荷（取決其送風溫度），及所有的濕負荷，風機盤管供回水溫度為 16℃-21℃的標況下執行，當室內顯熱負荷較小時，還可以在17℃-18℃供水溫度下執行，此時選型的顯熱交換裝置的供冷量發生折減，可以匹配到相應的室內顯熱負荷，也即幹風機盤管處於較高溫度的幹工況下執行；如果室內負荷較大，供水溫度可以在 10℃-15℃之間調節，也即幹風機盤管處於濕工況執行，可以取得良好的制冷效果和室內負荷匹配度。
如果新風負荷可以承擔室內所有的濕負荷，必然也承擔了一定室內顯熱負荷，且室內顯熱負荷很小，此時可以采用常規風機盤管，當供水溫度在 8℃-18℃條件下執行時，常規風機盤管的供冷能力大幅折減下降，此時和室內較小的顯熱負荷恰好形成匹配，也即所謂風機盤管幹工況執行。
刻意地提高供水溫度，提高主機效率，讓普通風機盤管處於幹工況下執行，以選擇到合理的風機盤管，匹配較小顯熱負荷的室內場所。當供水溫度在 14-16℃之間時，每上升 1℃，供冷量約下降 10%，17℃以上，每上升 1℃，供冷量約下降 17%，可以采用幹盤管來匹配新風所能提供負荷室內絕大部份顯熱負荷和少量潛熱負荷。
對於幹式風機盤管，在標準供回水溫度 16℃-21℃條件下，透過有針對性的裝置研發，其顯熱冷量比常規風機盤管高出 24%-58%，顯然幹風機盤管相對於風機盤管幹工況執行，更適合室內顯熱較大的場所。圖三為以上闡述幹盤管幹、濕工況執行，或者風機盤管幹工況執行的焓濕圖，新風處理到滿足夏季祛除濕負荷狀態（圖中新風降溫過程為熱回收+冷水降溫除濕的共同作用）。
圖3 幹風機盤管幹、濕工況執行/風機盤管幹工況執行焓濕圖
2.3 直膨新風機+VRV 組成系統組成的新風+風機盤管系統
兩級除濕的直膨新風機，采用顯熱或全熱交換+一級直膨降溫除濕+二級直膨降溫除濕，可以將新風處理到 95%與 6g/kg（a）的交點。
無錫市下轄江陰市的江南大學行政樓 [5]和南京師範大學附屬幼稚園計畫均采用了采用了直膨新風處理機組+VRV 空調的新風+風機盤管空調方式，其新風優先執行的模式，新風負荷不足時開啟 VRV 室內機來共同承擔相應負荷。
二級除濕帶有冷凝熱回收的再熱功能，可免費提高送風溫度，保證更好的送風舒適性和可調節性。圖四為江南大學行政樓兩級直膨新風機的空氣處理過程（屋頂集中新風機組采用了全顯熱交換裝置）。
圖4 顯熱回收+兩級直膨+再熱新風機空氣處理過程焓濕圖
（註：W 為室外狀態點；W1 為室外空氣經板翅熱回收後的出風狀態點；N 為室內狀態點；O 為送風狀態點；L1 為一級表冷 除濕後的出風狀態點；L2 為二級表冷除濕後的出風狀態點；tN、tw、tw1、tO分別為室內、室外、室外空氣經板翅熱回收後的出風狀態點、送風狀態點的幹球溫度；tws 為室外濕球溫度；dw、dw1、dL1、dL2 分別為室外狀態點、室外空氣經板翅熱回收後的出風狀態點、一級、二級表冷除濕後出風點的含濕量hL1、hL2 分別為一、二級表冷除濕後出風點的比焓。）
直膨新風機+VRV 組成的新風+風機盤管系統，其中新風機組冷凝熱可以免費提升送風溫度，具有新風送風溫度可調節性的優勢，但其 VRV 系統部份不能象水系統一樣靈活調節供水溫度進而調節風機盤管的供冷量。
#3熱泵+模式下超低能耗建築冷熱源系統的設計
基於新風優先執行的新風+風機盤管系統在超低能耗建築系統中套用的諸多中小型計畫案例，其末端形式均能很好匹配超低能耗低負荷需求的本質。
在徐偉大師提倡的[6]「熱泵+」模式下的空調冷熱源方式和超低能耗提倡可再生能源利用的雙重要求下，采用兩種出水溫度的「風冷+風冷」，或「地源+地源」，或「地源+風冷」組合，均能很好的匹配到超低能耗建築采用新風+風機盤管系統中去。風冷熱泵和地源熱泵機組的出水溫度均可以輕松實作在 7℃-18℃範圍內執行調節。基於此原則，對於大型超低能耗計畫，高效冷凍機房技術同樣能得到更好的實施與套用：
1）在利用空間不均勻系統降低負荷和超低能耗建築負荷大大降低，雙重作用下，機房規模、容量大大減小；
2）中溫水系統能得到很好套用，提升主機效率；
3）恰當最佳化冷卻塔選型及提升執行策略，降低冷卻水供水溫度，主機效率進一步提升。
圖五給出了超低能耗建築冷熱源及末端形式結合實際案例的圖表。
圖5 超低能耗建築冷熱源套用例項
#4結語
超低能耗建築對圍護結構熱工特性的被動最佳化帶來建築負荷的大大降低特別是顯熱負荷的大大降低，同時超低能耗建築也是健康建築，新風優先執行，這必然導致空調設計理念與手法的改變：
1）新風優先執行，可以讓新風承擔自身負荷、夏季除濕負荷、部份室內顯熱負荷甚至全部建築負荷；
2）當新風負荷不足以承擔整個建築物負荷時，可以采用新風+風機盤管系統來匹配室內負荷，由於室內顯熱負荷較小時，可以對除新風機組以外的末端裝置（如風機盤管）提高供水溫度，一來可以提高主機執行效率，二來采用諸如幹盤管幹工況、幹盤管濕工況、風機盤管幹工況執行等技術手段來精確匹配室內較小顯熱負荷的需求；
3）風冷熱泵、地源熱泵的高低溫冷水組合能很好的滿足中小型超低能耗建築的冷熱源設定要求；
4）大型超低能耗建築，為高效冷凍機房提供了更好的實施平台，以負荷大大降低為前提，可以預見，采用變頻冷水系統和變頻水泵技術、提高冷機出水溫度或直接采用中溫水系統及采用降低冷卻水供水溫度等技術措施，使得高效冷凍機房技術在超低能耗建築中得到更好套用和展現。
參考文獻：
[1]潘雲鋼 溫濕度獨立控制系統設計指南 [M] 2016.08 45-47
[2]韓武松,宋占壽,趙剛 北京市某被動式超低能耗幼稚園暖通空調系統設計[J]. 暖通空調，2021，51(7):72-77
[3]瞿燕 上海市超低能耗建築實踐特征與套用思考 [J] 暖通空調,2022,52(8):29-35
[4]撒世忠,陸衛鋒 某辦公樓幹盤管空調系統新風處理過程的探討[J]. 江蘇建築，2021，第五期（總第 215 期）:115-117
[5]王紅星,撒世忠,徐紅衛,等 超低能耗高校行政樓暖通空調設計探討[J].暖通空調,2022, 52(S2):229-233
[6]徐偉 中國高效空調變冷機房發展研究報告 [M] 北京：中國建築工業出版社 2022 年 9 月
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