環境一體機在被動式超低能耗項目的應用

張凱 高建會

【摘要】環境一體機除了具備提供新風、凈化空氣等功能外，還可以實現供暖和制冷;同時，也能夠實現智能監測室內空氣品質、溫度，并做到智能調節和自動運行。本文以我國常見的單戶住宅為例，對環境一體機在被動式超低能耗建筑項目的應用進行簡要介紹，為類似被動式超低能耗建筑項目暖通設計提供參考。

【關鍵詞】環境一體機;供暖;制冷;暖通設計

眾所周知，被動式超低能耗建筑是高效節能建筑和高度舒適性建筑。為保持被動式超低能耗建筑內部高度的舒適性，需配備帶有高效熱回收功能的新風設備，以保證室內空氣的品質。但是對于某些氣候區，僅僅依靠新風設備高效的熱回收裝置很難保持室內舒適的溫度，依然需要提供主動的供暖和制冷設備。被動式超低能耗建筑兼具優異的保溫性能和高度的氣密性能。在門窗關閉的情況下，僅依靠空氣滲透提供的新鮮空氣不能滿足人體生理活動需求，所以必須配置機械通風系統也就是新風系統，持續為室內提供足量的新風來保證室內空氣品質和舒適性。

當前，圍護結構性能不斷提升，圍護結構的負荷占整個被動式超低能耗建筑總負荷越來越小，新風負荷所占比例越來越大。環境一體機采用高效熱回收裝置可以有效減少新風冷熱損失75%以上，同時兼具制冷和制熱功能，可實現健康、舒適和超低能耗的目標。

1.被動式超低能耗建筑對設備的實際需求

1.1對制冷制熱的需求

我國國土面積幅員遼闊，從南到北跨越的氣候區為溫和地區、夏熱冬暖地區、夏熱冬冷地區、寒冷地區、嚴寒地區等，僅僅依靠新風系統不能滿足被動式超低能耗建筑居住環境要求，還需要輔助的制冷和制熱功能。

1.2對設備功能的要求

設備應具有智能和自動控制功能，可實時對室內環境的溫度、濕度、二氧化碳濃度、PM2.5濃度等指標進行監測并自動調整設備運行狀態，使室內環境始終保持在健康、舒適的水平，同時兼顧節能效果。

2工程實例

2.1設計概況

2.1.1工程概況

高碑店奧潤順達被動式專家公寓樓位于河北省高碑店市國家建筑節能技術國際創新園內，屬于河北建筑節能設計氣候分區寒冷（B）區，是經過德國被動房研究院PHI認證的被動房。該公寓為住宅建筑，剪力墻結構，地下一層、地上九層，建筑面積8016m2。

2.1.2室內設計參數（見表1）

2.1.3冷熱負荷指標：熱負荷指標10W/m2，冷負荷指標7W/m2。熱負荷1.49kW，冷負荷1.04kW。

2.1.4設計內容：室內新風系統設計。

2.2新風系統方案設計

（1）根據被動式超低能耗建筑的特點和本工程實際情況，本設計選用戶式新風系統，在為室內提供新風的同時，還可為室內提供冷熱源，保證室內溫濕度處于設定狀態。

（2）以選定被動式專家公寓樓C戶型進行新風系統設計。室內凈面積148m2。根據房間功能分析，將新風設備布置在對噪聲要求不高的儲藏室，吊頂式安裝。將客廳、書房、臥室作為送風區，廁所作為回風區，走廊和餐廳作為溢流區，進行氣流組織。

（3）衛生間設置新風機強制啟動按鈕，在新風系統機不自動運行的情況下，強制啟動達到衛生間通風換氣的目的。

（4）智能監測與控制系統。在客廳設置主控面板，集中顯示各房間溫濕度參數;在各個房間設置探測器，用于監測溫濕度和PM2.5濃度。當有參數超標時，探測器將信號傳遞給主控面板，主控面板下達指令給新風設備進行狀態調整。具體布置見圖1。

（5）對新風設備的技術參數要求為見表2。

（6）風管選擇：選用彩鋼酚醛復合風管，酚醛厚度25mm。

（7）風口選擇：送風口選擇電動雙層百葉形式，回風口選擇單層百葉形式。

（8）送、回風形式：采用上部側送風形式，頂部回風形式。

2.3新風量計算及機型選擇

2.3.1新風量計算

排風量計算所需新風

該戶型有一個衛生間（排風量50 m3/h）、一間浴室（排風量 70m3/h）。

排風量計算：50+70=120m3;

按照PHI計算規則，按面積和計算新風量，見表3;

按照房間人數計算新風量，見表4;

通過以上計算，標準風量應該按排風量、按面積計算新風量和按人數計算新風量的最大值，所以設計新風量為146m3/h。

2.3.2冷熱負荷校核

按照PHI要求，被動式超低能耗建筑的冷熱負荷均不能超過10W/㎡，即本戶型冷熱負荷最大為1.48kW。

2.3.3設備選擇

（1）環境一體機是一種新型暖通設備，集新風、制冷制熱、智能控制等功能于一體的設備，能滿足被動式超低能耗建筑的實際需求。

本次選擇的環境一體機性能參數如表5。

（2）設備參數校核

經進行設計參數對比，該設備新風量、熱交換效率、制冷和制熱能力、通風耗電量和過濾等級均滿足要求。

按設備新風量和實際室內空氣凈體積（按實際層高3.1m計算），校核實際換氣次數，如表6。

當為額定新風量時，室內換氣次數為0.32（1/h）>0.3（1/h），滿足被動技術要求。

經校核，衛生間、淋浴間換氣次數均滿足暖通規范要求，衛生間換氣次數不低于3次每小時，淋浴間換氣次數應當大一些即5～6次（《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》）。

環境一體機在標準狀況下制熱量為4.1kW，制冷量為3.5kW，在本地區極端天氣如冬季-15℃時，機組的制熱量為3.3kW，所以符合要求。

2.3.4風管設計

（1）風速計算

《民用建筑供暖通風與空調設計規范》 GB50736-2012中規定，通風管道中風速與噪聲的關系如表7。

送風管道的干管通過試算選用200mm×120mm矩形管道，支管選用160mm×120mm、120mm×120mm矩形管道。干管風速驗算見下表：（見表8）

循環風的最大風量風速為4.05m/s，對應的噪聲值約為35分貝，雖然超出PHI送風區的噪聲指標，但是并未超出《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試運行）2015年版》規定的晝間噪聲指標40分貝的范圍，并且循環風最大風量使用的概率極低，所以可以認為滿足要求。

對支管160mm×120mm段進行驗算，結果顯示循環風量在額定狀態下為2.17m/s，符合國家規范，但考慮到此段風管在走廊中，所以可以接受，循環風最大風量使用頻率低亦可接受，詳見表9：

對支管120mm×120mm最大風量段進行驗算，當此段可以滿足，則其他管段沒有問題。詳見10表。

當循環風的額定風量為92m3/s時，此時風管的噪聲大約為27.5分貝，由于風管不會穿過臥室，符合規范要求，可以采用。

（2）風管材料選擇

根據《建筑設計防火規范》要求，風管應使用不燃材料，可以選用酚醛鋁箔復合風管、巖棉鋁箔風管或彩鋼酚醛復合風管，均為A級防火材料，均有良好的保溫、防火功能。

（3）氣流組織

送風方式為頂部側送風，采用貼附式射流，可以充分利用柯恩達效應，射流較遠，新鮮空氣可以很快充盈房間的每一個角落。回風則通過掃地縫進入到溢流區，然后進入衛生間內的回風口，經新風機熱交換后排出室外。

送風風口選用雙層百葉風口，是橫向葉片（可調節的）在外、豎向葉片（固定的）在內的風口，并配有對開式風量調節閥。根據房間制冷和供暖的不同要求，通過改變橫向葉片的安裝角度，可調整氣流的仰角或俯角，以此來調節射程。

雙層送風百葉風口尺寸為120mm×120mm，經計算出口速度最大為2.5m/s，符合規范要求。

回風口采用單層百葉風口，且此種風口往往與鋁合金網式過濾器或尼龍過濾網配套使用，對空氣有過濾作用，適合用作回風口。

對回風口風速進行驗算，淋浴間回風量較大，以淋浴間回風口進行驗算，最大風量為130m3/h，使用20mm×120mm風口，回風口風速為2.5m/s<4m/s，完全符合規范要求。

循環風口無設計規范要求，亦采用單層百葉風口，按照回風口風速進行驗算，當最大風量為350m3/h時，選用矩形風口尺寸200mm×160mm，即可滿足要求，此時風速為3m/s。

（4）風管水力計算

選擇最不利風管進行阻力驗算，結果顯示最不利風管的摩擦阻力為12.9pa，局部阻力約為70pa，機外余壓為120pa，可以滿足要求。

（5）衛生間通風方案

一般情況下，衛生間濁氣會通過新風系統排風口排出。但是新風機由于特定情況而處于待機狀態時，衛生間的換氣就顯得尤為重要了。在適合開窗通風的情況下，可以關閉新風機進行自然通風換氣，此時如果需要使用衛生間，可以通過設置于衛生間的手動按鈕啟動新風機進行通風換氣。

（6）風管保溫

經計算，風管在冬季和夏季時，新風管道外壁和回風管道內壁會有結露現象出現，所以為防止結露產生，應當在對風管進行保溫處理。對圓形風管做50mm厚的橡塑保溫，矩形風管的酚醛保溫25mm厚。

2.3.5智能監測與自動控制

采用全自動控制系統，開放式物聯網架構設計，可以直接接入互聯網，通過手機APP客戶端遠程操控。變風量運行和分區域控制，可實時監控室內多個不同區域的溫濕度、CO2、PM2.5濃度等多項參數，并據此自動進行舒適度的本地和遠程控制。

通過中央控制系統（主控面板，一般設置在客廳）對各項參數進行設置與調節，每個送風房間單獨設置感應及顯示面板（顯示面板最多可以安裝9個），實時探測并顯示室內的溫濕度、CO2、PM2.5濃度等指標，并將數據實時傳遞給新風機，實現設備的自動控制。

衛生間內還設有人像紅外檢測設備（或開關）。當新風機的室內機在進入待機狀態時，為了保證衛生間內的空氣衛生環境，如果有人進入衛生間，紅外檢測設備（或開關）檢測到人像時，執行新風機強制啟動模式，此種模式狀態不受CO2和PM2.5濃度控制。

為了進一步節能，新風一體機還設置了旁通的功能。當室外環境滿足被動式超低能耗建筑的要求時，可以在中控面板中選擇旁通選項，室外新風將不經過熱交換芯直接送入室內。

3.結論

全球氣候變暖日益嚴重，我們生活的每一個細節都充滿了“節能”，建筑節能顯得越發重要。在被動式超低能耗建筑中使用智能控制的環境一體機，可有效控制室內舒適度，降低使用能耗，方便暖通設計。

參考文獻

[1]民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]（德）沃爾夫岡·費斯特.（德）貝特霍爾德·考夫曼.德國被動房設計和施工指南[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2015.

（作者單位：河北綠色建筑科技有限公司）

【中圖分類號】TU83

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）10-0117-03