近零能耗居住建筑中采用熱回收裝置全年節能量計算方法研究*

中國建筑科學研究院有限公司 王立峰 曹 陽 袁 濤 杜 爭 李澤奇 游曉靜

0 引言

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》[1]已于2019年實施。該標準對近零能耗建筑圍護結構的保溫性能、氣密性能及機電設備的能效提出了較高要求，同時對所采用的新風熱回收裝置的交換效率進行了明確規定。由于隨著供暖空調系統能效的提高，熱回收裝置的節能量會減少，因此對于不同的建筑節能標準，新風熱回收裝置的節能效果會有所不同，而目前尚無針對GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》的熱回收裝置全年節能量的計算方法研究。

本文基于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》對近零能耗居住建筑中采用新風熱回收裝置的全年節能量計算方法進行了研究，并對全國主要氣候區代表城市近零能耗居住建筑中采用熱回收裝置的全年節能量進行了計算分析，以期為近零能耗居住建筑的性能化設計提供參考。

1 全年節能量計算方法

居住建筑采用熱回收裝置設計階段全年節能量計算的基本思路為：確定研究對象和目標參數，劃分全年供暖空調時間段，根據典型年逐時氣象數據對逐時節能量進行計算并累加，進而得到全年節能量。典型年逐時氣象數據取自《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[2]。

1.1 研究對象

本研究以滿足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》的居住建筑為研究對象，其采用分散式房間空調器作為建筑的冷源，采用戶式燃氣供暖熱水爐作為供暖熱源，熱回收新風機組的新風量、排風量相等，不考慮冬季預熱防霜。

1.2 目標參數的確定

在設計階段，熱回收裝置單位新風量的全年節能量可以作為建筑整體能耗評價的輸入，因此本研究以單位新風量的全年節能量作為計算的目標參數。全年節能量的計算基準為同條件下不安裝熱回收裝置的居住建筑。

1.3 全年供暖空調時間段的劃分

為了計算熱回收裝置的全年節能量，需要了解暖通空調各設備的運行狀態和運行時間。在不同的時間段，暖通空調設備的運行狀態不同，因此需要對全年供暖空調時間段進行劃分。對于居住建筑，其供暖、空調時間與冬季、夏季時間基本一致，因此要進行全年供暖空調時間段的劃分，先進行四季時間段的劃分。根據氣象學中對四季的定義劃分四季的時間：連續5日平均氣溫超過10 ℃為入春；連續5日平均氣溫超過22 ℃為入夏；連續5日平均氣溫低于22 ℃為入秋；連續5日平均氣溫低于10 ℃為入冬。

1.4 冬季逐時節能量的計算

對于顯熱回收裝置和全熱回收裝置，因熱回收而減少的供熱量分別按式(1)、(2)計算：

(1)

(2)

式(1)、(2)中 ΔQh、ΔQ′h分別為采用顯熱回收裝置和全熱回收裝置時因熱回收而減少的供熱量，kW；te、to分別為排風進口、新風進口溫度，℃；hs、he分別為排風進口、新風進口比焓，kJ/kg；cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；ρ為空氣的密度，1.2 kg/m3；L為單位新(排)風量，1 m3/h；ηs、ηt分別為顯熱交換效率和全熱交換效率。

采用燃氣爐供暖，因熱回收而減少的燃氣爐能耗(轉換為電耗)按下式計算：

(3)

式中 ΔNb為因熱回收而減少的鍋爐能耗(轉換為電耗)，kW；φ為天然氣與標準煤折算系數，取1.21 kg/m3；η1為燃氣鍋爐的熱效率；q1為標準天然氣熱值，取9.87 kW·h/m3；q2為發電煤耗，取0.31 kg/(kW·h)。

因熱回收芯體阻力而增加的新、排風機能耗按下式計算：

(4)

式中 ΔNf為因熱回收芯體阻力而增加的新、排風機能耗，kW；P為熱回收芯體的阻力，Pa；ηCD為電動機傳動效率，取85.5%[3]；ηF為風機效率，取80%[4]。

因經過熱回收芯體新風側和排風側的風量和阻力相等，新、排風機增加的能耗亦相同，故式(4)中能耗乘2。

如果熱回收裝置不帶旁通功能，其逐時節能量按下式計算：

Nh=ΔNb-ΔNf

(5)

式中Nh為冬季熱回收裝置的逐時節能量，kW。

當新排風進口溫差或比焓差較小時，ΔNb可能小于ΔNf，逐時節能量Nh為負值，即不節能。如果熱回收裝置具有旁通功能(具有旁通功能的熱回收裝置其風機可變速，下同)，則此時應切換至旁通狀態，逐時節能量Nh=0。

1.5 夏季逐時節能量的計算

對于顯熱回收裝置和全熱回收裝置，因熱回收而減少的制冷量需求分別按式(6)、(7)計算：

(6)

(7)

式(6)、(7)中 ΔQc、ΔQ′c分別為采用顯熱回收裝置和全熱回收裝置時因熱回收而減少的制冷量，kW。

采用房間空調器制冷，因熱回收而減少的制冷電耗按式(8)計算：

(8)

式中 ΔNc為因熱回收而減少的制冷電耗，kW；SEER為房間空調器的制冷季節能效比。

因熱回收芯體阻力而增加的新、排風機能耗ΔNf按式(4)計算。

如果熱回收裝置不帶旁通功能，其逐時節能量按下式計算：

Nc=ΔNc-ΔNf

(9)

式中Nc為夏季熱回收裝置的逐時節能量，kW。

當新、排風進口溫差或比焓差較小時，ΔNc可能小于ΔNf，逐時節能量Nc為負值，即不節能。如果熱回收裝置具有旁通功能，則此時應切換至旁通狀態，逐時節能量Nc=0。

1.6 過渡季逐時節能量的計算

對于過渡季采用機械通風的居住建筑，如果熱回收裝置不帶旁通功能，其逐時節能量按下式計算：

Nt=-ΔNf

(10)

式中Nt為過渡季熱回收裝置的逐時節能量，kW。

此時逐時節能量Nt為負值，即不節能。如果熱回收裝置具有旁通功能，則過渡季切換至旁通狀態，逐時節能量Nt=0。

對于過渡季采用自然通風的居住建筑，無論熱回收裝置是否具有旁通功能，其逐時節能量Nt均為0。

1.7 全年節能量的計算

熱回收裝置單位新風量的全年節能量為冬季節能量和夏季節能量及過渡季節能量之和，按下式計算：

(11)

式中Na為熱回收裝置單位新風量的全年節能量，kW·h/(m3/h)；Nh,i為冬季熱回收裝置i時刻的單位風量節能量，kW/(m3/h)；nh為冬季供暖時間，h；Nc,j為夏季熱回收裝置j時刻的單位風量節能量，kW/(m3/h)；nc為夏季制冷時間，h；Nt,k為過渡季熱回收裝置k時刻的單位風量節能量，kW/(m3/h)；nt為過渡季時間，h。

2 主要氣候區代表城市近零能耗居住建筑中采用熱回收裝置的全年節能量計算

2.1 全年節能量計算條件

所要計算的居住建筑滿足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》要求的基本條件，即室內熱濕參數設計值為冬季溫度20 ℃，相對濕度30%；夏季溫度26 ℃，相對濕度60%。采用分散式房間空調器作為建筑的冷源，其制冷季能效比為5.40；采用戶式燃氣供暖熱水爐作為供暖熱源，其熱效率按97%(GB/T 51350—2019規定燃氣供暖爐在額定負荷和部分負荷下的熱效率較小值和較大值分別為95%和99%，取其平均值)計算；熱回收新風機組冬季顯熱回收效率為75%，夏季顯熱回收效率為70%；冬季全熱回收效率為70%，夏季全熱回收效率為65%。

《實用供熱空調設計手冊》[5]中給出了不同迎面風速時熱回收芯體的壓力損失值，迎面風速為2.5 m/s時板式顯熱交換芯體的壓力損失為84.5 Pa，板翅式全熱交換芯體的阻力為218 Pa。故本算例中，對于顯熱回收，芯體阻力取84.5 Pa；對于全熱回收，芯體阻力取218 Pa。

過渡季的通風方式分為機械通風、自然通風2種。

2.2 季節劃分

對全國主要氣候區代表城市進行季節劃分，結果見表1。由表1可以看出，哈爾濱、北京、上海四季分明；廣州只有夏季和過渡季，沒有冬季；昆明只有冬季和過渡季，沒有夏季。

表1 不同氣候區代表城市季節劃分

2.3 計算結果

2.3.1過渡季機械通風的居住建筑

對于過渡季機械通風的近零能耗居住建筑，其采用顯熱回收裝置、全熱回收裝置的單位風量節能量計算結果分別見表2、3。

2.3.2過渡季自然通風的居住建筑

表2 單位風量節能量(顯熱回收、過渡季機械通風) kW·h/(m3/h)

表3 單位風量節能量(全熱回收、過渡季機械通風) kW·h/(m3/h)

對于過渡季自然通風的近零能耗居住建筑，其采用顯熱回收裝置、全熱回收裝置的單位風量節能量計算結果分別見表4、5。

表4 單位風量節能量(顯熱回收、過渡季自然通風) kW·h/(m3/h)

表5 單位風量節能量(全熱回收、過渡季自然通風) kW·h/(m3/h)

2.4 結果分析

2.4.1過渡季機械通風的居住建筑

在主要氣候區哈爾濱、北京、上海、廣州、昆明5個代表城市的近零能耗居住建筑(過渡季機械通風)中，采用顯熱和全熱回收裝置單位風量全年節能量的比較見圖1。

圖1 過渡季機械通風單位風量全年節能量的比較

從氣候區看，在溫和地區的代表城市昆明的近零能耗居住建筑中，無論采用顯熱回收還是全熱回收，無論是否具有旁通功能，其全年節能量均不高于1.22 kW·h/(m3/h)；采用全熱回收的全年節能量低于顯熱回收，采用不帶旁通的全熱回收的全年節能量甚至低于零，即不節能。這是因為昆明氣候溫和，全年冬季只有一個多月且不太冷，其他時間全部是過渡季，采用熱回收的節能潛力不大；而采用全熱回收雖然能量回收的絕對值略高于顯熱回收，但由于全熱回收芯體阻力大，所以采用全熱回收的全年節能量低于顯熱回收。

除了昆明外，其他氣候區代表城市的近零能耗居住建筑無論采用顯熱回收還是全熱回收，其全年節能量均呈現出自北向南依次遞減的趨勢。這主要是因為在冬季室內外溫差(或比焓差)較大且熱源能源消耗效率較低(按式(3)計算熱源能源消耗效率為2.45)，而在夏季室內外溫差(或比焓差)較小且冷源能源消耗效率較高(冷源能源消耗效率為5.40)，所以熱回收裝置的節能主要體現在冬季，冬季時間越長、天氣越寒冷，采用熱回收裝置的全年節能量越高。廣州沒有冬季，其采用熱回收裝置的全年節能量在4個代表城市中最低，采用不帶旁通的顯熱回收的全年節能量甚至低于零，即不節能。

除昆明外的4個代表城市中，在近零能耗居住建筑中采用顯熱回收裝置并設置旁通功能的全年節能量增加0.41～0.61 kW·h/(m3/h)；采用全熱回收裝置并設置旁通功能的全年節能量增加0.85～0.90 kW·h/(m3/h)。

2.4.2過渡季自然通風的居住建筑

在全國主要氣候區5個代表城市的近零能耗居住建筑(過渡季自然通風)中，采用顯熱、全熱回收裝置單位風量全年節能量的比較如圖2所示。

圖2 過渡季自然通風單位風量全年節能量的比較

從氣候區看，過渡季自然通風的近零能耗居住建筑中采用熱回收的全年節能量規律與過渡季機械通風的近零能耗居住建筑類似，二者的主要區別體現在旁通功能對過渡季節能量的影響上。

從圖2可以看出，無論是采用顯熱回收裝置還是全熱回收裝置，其設置旁通控制功能對全年節能量的提高并不明顯，5個代表城市的提高量均不高于0.34 kW·h/(m3/h)。

究其原因，在冬季室內外溫差(或比焓差)較大且熱源能源消耗效率較低(按式(3)計算熱源能源消耗效率為2.45)，絕大多數情況是不滿足旁通條件的，因此5個代表城市中除廣州沒有冬季外，其他4個城市熱回收裝置有無旁通功能冬季節能量基本不變；而在夏季室內外溫差(或比焓差)較小且冷源能源消耗效率較高(冷源能源消耗效率為5.40)，滿足旁通條件的時間較多，但由于夏季的可回收潛力不大，加之冷源的能源消耗效率高達5.40，因此5個代表城市中除昆明沒有夏季外，其他4個城市的熱回收裝置有旁通功能的夏季節能量與無旁通相比有一定的提高但幅度有限；而由于過渡季采用自然通風，即不開啟熱回收新風機組，因此無論其是否具有旁通功能，其節能量均為零，這也是與過渡季機械通風相比，設置旁通功能的全年節能量減小的主要原因。

3 結論

本文基于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》，提出了近零能耗居住建筑中采用新風熱回收裝置的全年節能量計算方法，并對全國主要氣候區5個代表城市近零能耗居住建筑中采用熱回收裝置的全年節能量進行了計算分析(未考慮熱回收芯體結霜對節能量的影響)，得到以下結論：

1) 哈爾濱全年節能量在12.67～15.05 kW·h/(m3/h)之間；北京全年節能量在6.56～8.73 kW·h/(m3/h)之間；上海全年節能量在3.05～4.03 kW·h/(m3/h)之間；廣州全年節能量不高于2.07 kW·h/(m3/h)；昆明全年節能量不高于1.22 kW·h/(m3/h)。

2) 對于除昆明外的4個代表城市，過渡季采用機械通風的近零能耗居住建筑，采用顯熱回收裝置，其設置旁通功能增加的全年節能量在0.41～0.61 kW·h/(m3/h)之間；采用全熱回收裝置，其設置旁通功能增加的全年節能量在0.85～0.90 kW·h/(m3/h)之間。

3) 對于過渡季采用自然通風的近零能耗居住建筑，5個代表城市熱回收裝置設置旁通功能對于全年節能量的提高量均不超過0.34 kW·h/(m3/h)。