被动式超低能耗居住建筑新风热负荷计算方法研究

摘　要 本文在我国现行空气调节设计规范的基础上，考虑建筑气密性、热回收技术等对建筑新风热负荷的影响，针对严寒及寒冷地区冬季热回收装置存在霜冻、过度预热等问题，提出被动式超低能耗建筑新风系统热负荷及年累计新风热负荷计算方法。

关键词 超低能耗建筑；建筑气密性；新风热负荷；热回收；预热量

我国北方部分地区冬季室外温度低于热回收装置的工作温度区间，需要采用合理的策略方法进行霜冻防护。目前工程上普遍采用新风预热至5℃的方法防止结霜，在大幅牺牲热回收效率的条件下保证热回收装置的正常运行，即便如此，仍有部分地区存在预热量估计不足导致运行中出现霜冻的情况。依据目前市场上较高性能水平热回收装置的工作温度区间，根据地区气候特点正确选择室外计算参数，合理制定新风系统运行策略将是未来新风热回收系统节能提效的发展方向。

基于被动式超低能耗建筑极低的供暖能耗要求，传统的新风热负荷计算方法已无法满足设计需求，本文结合高性能建筑气密性、新风热回收系统工作特性以及不同室外气象参数的选取对我国既有新风负荷计算方法进行修正，提出适合超低能耗建筑新风系统设计的热负荷计算方法。

1 严寒地区超低建筑新风负荷特点

由于地域性气候差异，我国冬季不同地区供暖能耗差异较大，严寒及寒冷地区，冬季室内外温差非常大，良好的建筑气密性在有效减小热负荷、降低峰值能耗的同时，也要求机械新风成为提高室内空气品质的必要手段。

为保证室内空气品质，24h保证新风是居住建筑机械新风的另一特点，部分地区室外气温日较差非常大，最低气温在夜间使得新风系统所承担的峰值负荷出现在夜间，新风热回收系统须面临霜冻的问题。高层居住建筑分户式新风系统由于空间有限、操作复杂度不宜过高以及经济性等一系列因素，使得目前市场上家用热回收装置的除霜防冻方式大多为电预热或燃气预热的新风预热方式。为保证系统安全运行，工程上多采用将室外新风预热至5℃的运行策略，这在很大程度上降低了热回收系统的热回收效率，以牺牲能效保证系统性能正常运转。本文根据目前市场上不同性能的热回收装置，尝试对新风预热设定温控开关，讨论不同温控运行策略对新风负荷、新风预热量的影响。

2 新风系统热负荷计算方法

2.1 新风量的确定

超低能耗建筑新风量的确定相当于新风系统新风量的确定。根据GB 50325-2010《民用建筑工程室内环境污染控制规范》［1］对一些民用建筑进行室内污染物检测时，发现存在即使室内装修材料符合标准要求，污染物检测结果仍然超标的现象，且气密性越好的建筑该现象越明显［2］。欧洲国家的新风标准中，规定居住建筑室内的换气次数一般不得低于0.5h－1。我国现行GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(简称《设计规范》)中推荐，设置新风系统的居住建筑，其设计最小新风量宜按照换气次数法确定，表1体现住宅最小新风量规定值［3］。

依据设计规范，建筑新风系统的新风量根据建筑新风量、新风量及排风量三者共同来确定。建筑新风量由建筑体积确定：

                 V=A_TFA×h              (1)

式中：V为建筑体积，m³；ATFA为建筑面积，m²；h为计算建筑高度，m。建筑新风量由式(2)给出：

                   V_V= 0.3×1.3×V            (2)

式中：VV为建筑新风量，m3/h。文献中规定建筑最小新风次数不得低于0.3h－1，1.3为换气修正系数，根据单位设计风量进行修正。新风量依据表1中对应的换气次数进行计算，如式(3)所示：

                     V_S=V×n_S              (3) 

式中：V_S为新风量，m³/h；V为建筑体积，m₃；n_S为新风换气次数，h^－1。

排风量需要根据每户室内配套需要设置的排风的房间进行确定，在居住建筑中，厨房、浴室、卫生间需要设置排风并进行排风量计算，依据文献表2中给出具体排风量设计标准。

居住建筑的新风系统在设计时为保证建筑气密性和建筑正压，应保证送排风量基本平衡，设计新风量不得小于排风量，因此设计新风量V_Design应取建筑新风量V_V、新风量V_S及排风量VE三者中的最大值，即V_Design=max(V_V,V_S,V_E),m³/h。

2.2 建筑气密性对新风量的影响

在我国目前工程设计阶段热负荷计算中，由于风力和热压造成的室外冷空气通过门、窗等缝隙进入室内所消耗的热量，作冷风渗透耗热量计算［4］。在超低能耗建筑中，空气渗透对新风热负荷造成的影响尚未列入设计规范。本文将空气渗透对新风负荷计算的影响列入到设计计算中：

建筑空气渗透不仅与建筑本体结构有关，也与建筑所处环境及密闭类型有关，EN ISO 13790用防风系数对其进行描述，表3给出了不同周边环境下建筑物防风系数的确定。

表3中，无遮挡是针对建在开阔地带或都市中的高层建筑；适度遮挡针对建在树林旁或市郊，建筑周边有部分遮挡物的建筑；高度遮挡则针对建在市中心，且建筑高度与周围建筑一致，或处于树木繁盛的林中地区，建筑周围环境有较多遮蔽的建筑。表3中还对建筑物外立面暴露情况进行分类，防风系数e表征建筑周边环境对建筑本体空气渗透量影响，其值随着建筑物的暴露程度的增加而减小。

超低能耗建筑在进行气密性实验时的换气次数n₅₀(或换气量V_n50)是空气渗透换气率计算中的重要参数，在设计阶段可以根据节能设计标准，取换气次数0.6h^－1，式(4)给出了空气渗透换气率n_V,Rest的计算方法：

式中：n₅₀为气密性实验50Pa压差下的换气次数，h^－1；V_n50为该换气次数下对应的换气量，m³/h。空气渗透换气率作为对换气次数的修正，若考虑采用热回收系统对新风负荷的影响，可以得到有效换气次数n_V：

式中：n_V为系统负荷计算时的有效换气次数，h^-1；η_HR,eff为新风热回收装置的实际运行效率；n_V,system为新风系统设计新风量折算换气次数：

 2.3 热回收对新风负荷的影响

热回收系统的实际效率与热回收机组、新排风管路、运行环境参数等有关，在标准设计工况下，即居住建筑分户简单系统，当系统送风量、排风量基本平衡时，热回收实际效率计算η_HR,eff：

式中：η_HR为热回收装置标准测试工况下的效率，%；Ψ_S、Ψ_E分别为新风侧和排风侧管道的导热系数，W/(m·k)；L_S、L_E分别为新风侧和排风侧管道管路长度，m；P_Spec为防冻折减系数，不开启预热时其值为1，开启预热时其值为0.97；t_room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℃；t1为热回收装置新风入口处温度，℃，在不需进行新风预热的地区，装置入口温度等于室外干球温度，即t₁=t_i，如需进行新风预热，则入口温度等于预热后的新风温度，即t_in=t_set。

在实际运行过程中，热回收的效率是随着工况温度变化而在不断变化。在新风预热模式下，随着热回收入口温度t_in的升高，热回收的效率降低，建筑新风能耗上升。因此合理确定热回收装置新风侧入口温度对于减少预热量，提高热回收效率非常重要。工程上普遍采用新风预热至5℃防霜冻的控制策略，但笔者在进行市场调研之后发现，目前市场上高性能的热回收装置，其工作温度区间可以达到-20℃～40℃。在很多地区，-10℃甚至-15℃的室外工况下并不需要开启预热，这将大大降低冬季新风预热能耗。        

对于北方严寒地区，冬季室外气温长时间低于热回收工作区间温度，此时则需要开启预热。为有效减少预热量，控制预热峰值，本文提出预热开启温度 t_open及预热设定温度t_set的概念。当室外干球温度低于预热开启温度时，热回收装置开启预热，将室外新风加热至预热设定温度，送入热回收装置。

2.4 预热负荷及新风热负荷的计算

被动式超低能耗建筑新风系统热负荷q_L由预热负荷q_P与辅助热负荷q_t两部分构成。计算热负荷时应依据所在地区气候条件分别进行计算。对于无需预热的地区，新风系统热负荷为辅助加热产生的辅助热负荷，即q_t=q_L。

新风预热负荷及新风负荷的计算是严寒寒冷地区新风热回收系统设计必须进行的一项工作，且计算的准确与否将直接影响系统的安全运行。

本节结合建筑气密性及热回收影响因素，给出被动式超低能耗建筑新风系统预热负荷及热负荷的计算方法。

2.4.1 新风系统预热负荷的计算

室外温度低于预热开启温度时，即t_i

式中：q_p为新风预热负荷，kW；cp为空气定压比热，kJ/(kg·℃)；ρ_air为空气密度，kg/m³；t_set为预热设定温度，℃；t_min为室外最低干球温度，℃。

2.4.2 新风系统热负荷的计算

新风系统辅助热负荷qt的计算需要依据是否开启预热进行讨论，若室外温度高于预热开启温度，即t_i

式中：q_t为预热关闭状态下的辅助热负荷，kW。当室外温度低于预热开启温度，即t_i

  t₂=t₁+η_t(t₃-t₁)             (10)

式中：t₁为新风侧入口温度，℃；t₂为新风侧出口温度，℃；t₃为排风侧入口温度，℃。此时热回收装置新风侧入口温度等于预热设定温度，即t₁=t_set，上式可变为:

 t₂=t_set+η_t(t₃-t_set)            (11)

排风侧入口温度等于室内环境温度，即t₃=t_room，则新风系统辅助热负荷可表述为:

 q_T,o=c_pρ_airQ_V(t_room-t₂)          (12)

将式(11)代入式(12)，可以得到式(13)：

q_T,o=c_pρ_airQ_V[(1+η_t)t_room-(1-η_t)t_set]     (13)

式(13)为预热模式下新风系统的辅助热负荷计算。式中：q_t为新风系统辅助热负荷，kW。

2.5 年新风预热量与年新风热负荷的计算

年新风预热量及年新风累计热负荷的计算对于建筑系统能耗分析至关重要。工程上热负荷计算时常用度日数或度小时数的方法，由于两者对温度波动峰谷值的处理精确度不同，其在计算上存在一定偏差。而这一偏差在计算预热量，需要着重考虑温度波动处于波谷带来的影响时，矛盾将会凸显。

本文针对不同的预热开启温度及预热设定温度，分别采用室外逐时干球温度和室外日平均干球温度对辅助供暖小时数或度日数G_t，及预热小时数或度日数GP进行定义计算。

基于室外逐时干球温度进行计算时：

若室外温度低于预热开启温度，即t_i

式中：G_t,h为新风辅助加热小时数，k_Kh；G_p,h为单位预热小时数，k_Kh。若室外温度高于预热开启温度，即t_i

采用日平均温度的GP计算方法时，若室外日平均温度tm低于预热开启温度，即t_m

  (17)

式中：G_t,d为新风辅助加热度日数，kKh；G_p,d为预热度日数，kKh；t_m为室外日平均干球温度，℃。若室外温度高于预热开启温度，即t_m>t_open：

                 (18)

2.6 新风系统热负荷计算方法

被动式超低能耗建筑新风系统总热负荷QL可以分为新风热负荷Q_t与预热量QP负荷两部分，新风热负荷可由式(14)计算得到：

 Q_t=V_V×n_V×c_Air×G_t          (19)

式中：Qt为年新风热负荷，kWh/a。在预热开启的工况下，采用不同室外气象参数可分别依式(15) 和式(18)进行计算。不需预热的工况下，根据所采用的室外气象参数的不同可分别依式(16)和式(19)进行计算。

在需要开启预热的地区，预热量可以通过式(15)计算得到：

Q_P=V_V×n_V×cA_ir×G_P          (20)

式中: Qp为年预热量，kWh/a。

则新风系统总热负荷QL可以由新风热负荷Qt与预热量QP求和得到：

Q_L= Q_t+Q_P             (21)

式中：QL为建筑新风系统的全年总热负荷量，kWh/a。

3 计算结果及分析

本文以某超低能耗高层住宅为例，选取我国严寒及寒冷地区共8个典型地区气象数据，作为本文计算方法的实例验证。同时，为验证计算准确性，采用 TRNSYS进行同条件逐时模拟校核。

图1为预热开启温度及预热设定温度都为-10℃，热回收效率为70%，采用室外逐时气象参数，依据本文热负荷计算方法得到的计算结果，与TRNSYS逐时模拟结果的对比。图1中所示结果，计算相对误差在3%～15%范围内。

图2是不同预热开启温度及预热设定温度下，哈尔滨地区全年新风热负荷及预热负荷的变化情况。哈尔滨冬季室外最低气温可以达到-30℃，新风需要经过预热再送入热回收装置。由图2可以看出，若不考虑热回收机组效率的变化影响，新风系统总热负荷并不随预热开启温度及预热设定温度的变化而改变，但预热负荷与新风热负荷的相对比例却会随两者温度变化而改变。当预热开启温度一定时，随预热设定温度的提高，预热量逐渐增大，新风热负荷减小，即部分热负荷从空调机组转移到了预热装置。家用热回收装置的预热在实际运行时往往是采用电加热，且设定固定功率档，并不跟随实际预热需求的变化实时调节。设计过程中应尽量减小高品位电能的消耗，尽可能利用低品位回收热能，减少预热量在新风系统总热负荷中的占比，以此来减小预热装置的初设功率，提升热回收装置的能量回收效率，避免运行中不必要的能源浪费。在实际设计过程中，尽可能减小预热量，是建筑节能的有效手段。

图3是不同预热开启温度及设定温度下，哈尔滨地区采用不同气象参数计算方法对预热负荷计算的影响分析。本文分别采用室外逐时干球温度和室外日平均干球温度作为单位质量流量新风热负荷Gt及预热热负荷 GP的气象计算参数。在预热开启温度一定的情况下，单位预热负荷随着预热设定温度的升高大幅攀升；当预热开启温度与设定温度设定值相同时，预热量的增加相对减缓。因此在热回收装置工作温度区间已知的情况下应尽量减小预热开启温度与预热设定温度之间的差值，以减少预热量。此外采用逐时气象参数对预热负荷计算的结果要比采用日平均气象参数的计算结果整体偏高，这是由于日平均室外气象参数不能很好地反映温度波动中，波谷温度对预热量的需求情况。这一现象在日较差较大的地区更为明显，如呼和浩特等日较差较大的地区(图4)。

图4是不同预热开启温度及设定温度下，呼和浩特地区全年单位质量流量下预热负荷采用逐时室外干球温度和日平均室外干球温度的计算结果对比。呼和浩特地区属于内陆干燥地区，其气温日较差波动较大，采用日平均室外干球温度不能很好地反映当室外温度处于一天中温度波谷时预热量的真实需求。由图中可以看出，尤其是在较低温度工况运行情况下，采用2种不同的气象参数计算方法，相对误差可以达到 20%～95%。因此对于日较差较大的地区，应选用逐时室外气象参数进行负荷计算，以避免由于采用日平均室外温度造成的预热量计算值偏小，热回收装置排风侧霜冻的情况，影响系统正常运行。

4 结论

本文根据我国严寒及寒冷地区被动式超低能耗建筑的新风系统运行特征和负荷特性，在现行规范基础上对现有新风负荷计算方法进行修正，使建筑气密性、热回收效率等影响因素得以纳入建筑新风负荷的计算。该计算方法可作为被动式超低能耗建筑新风系统设计的设计计算方法。

本文选取8个典型城市为例，将不同工况下不同室外计算参数的计算结果与逐时模拟结果进行对比，得出采用逐时气象参数的计算结果与逐时模拟结果的相对误差为3%～15%，可以满足工程设计精度要求。

该方法针对严寒及寒冷地区冬季热回收系统需要预热以防止霜冻的问题，对预热量的计算进行细化，结合不同地区室外温度变化特点，对室外计算参数的合理选择进行对比分析，能够有效解决日较差较大地区，实际运行过程中系统由于预热量估计不足而出现热回收装置排风侧霜冻的问题。

由于热回收装置的效率是随空气流速、温度、相对湿度、材料特性曲线等多因素耦合的综合影响结果，本文在计算中未考虑热回收装置在不同温度工况下的效率变化对系统能耗所造成的影响，如何将热回收装置实际运行能效曲线纳入到新风负荷计算方法中将成为下一步的研究工作内容。

参考文献：

［1］河南省建筑科学研究院.GB 50325-2010民用建筑工程室内环境污染控制规范［S］.北京：中国计划出版社，2011

［2］陈宇红，李云龙，黄晓天，等.民用建筑气密性对室内污染物浓度影响的研究［J］.工程质量，2009，27(11)：117-119

［3］中国建筑科学研究院.GB 50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012

［4］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2008
[编辑：孟扬]