被动房室内新风管道优化设计

1 引言

被动房需新风换气机实现热回收及调节室内空气循环[1]。在夏季运行的时候，室外引入的新风可以通过室内排风获得冷量，使引入室内的新风温度降低，根据《河北省被动式低能耗居住建筑节能设计标准》，这一过程的热交换效率须在60%以上[2]。同理，在冬季运行的时候，室外引入的新风可以被室内的排风加热，从而提高引入室内的新风温度，根据《河北省被动式低能耗居住建筑节能设计标准》，这一过程的热交换效率须在75%以上。显热新风换气机工作的原理是通过排风管的室内排风和通过进风管的外界新风呈现交叉方式流经热交换芯，如图1所示。由于气流分隔板两侧存在温差和蒸汽分压差，所以新风和室内排风这两股气流会通过分隔板产生热传递现象（即显热交换现象）。这一过程中只发生能量的交换，并不发生物质的转移，因此不会形成交叉污染。同时显热新风换气机还具备维护保养程度较低、设备费用较低、无自身能耗等优点。

目前被动房新风设计较少，本文将针对管道保温、管道位置及送回风口进行优化设计，如图1所示。

图1 显热新风换气机工作原理图

2 新风系统管道保温方案

2.1 新风系统管道温度计算

被动房新风系统设计共涉及4种风管，分别是送风管道热交换芯到室内的风管、回风管道室内到热交换芯的风管、新风管道室外到热交换芯的风管、排风管道热交换芯到室外的风管，如图2所示。

图2 被动房新风系统设计管道

假设某地区供暖室外计算温度为-7.2℃，冬季被动房室内送风管道的风温不低于16℃，可根据显热交换率式（1-1）分别计算出各个管道的进出口温度。

根据《河北省被动式低能耗居住建筑节能设计标准》，冬季室内温度要求在20℃以上，而夏季室内温度要求在26℃以下。以显热新风换气机显热交换率75%进行计算，可求得新风出风温度为13.2℃，小于被动房冬季室内新风出风温度16℃的设计标准。在流量相同且不漏风的情况下，根据能量守恒定律，进风升温等于排风的降温，经过计算得出热交换后排风出口温度为0.4℃。

在送风过程中，新风流经室外到热交换芯和热交换芯到室内的风管的管道、排风流经热交换芯到室外的管道。在冬季时由于管道温度过低，这三类管道将成为很大的冷源，不利于新风与排风之间热交换。因此，应当在上述三种管道外侧铺设保温层以阻断冷源。

2.2 新风系统管道保温厚度计算

可以根据送风管道管径、排风管道管径、新风管道管径，并按照被动式建筑室内风管风速控制的要求，即室内主风管风速在2~3m/s；支风管风速不大于2m/s，由式（1.-2）到式（1-4）可计算出管道保温的厚度[3]。

（2）保温结构外表面传热系数公式

风管保温结构表面传热系数为保温层材料的辐射传热系数与对流换热系数之和。可按照式（2-3）计算：

利用上述公式，可推算出排风管道、新风管道及送风管道采用不同厚度时岩棉管壳管道表面的温度,结果见表1。

表1 排风管道、新风管道及送风管道保温厚度与表面温度计算

结合被动房保温效果要求,管道增加保温后的表面温度不应该低于18℃。结合管道保温效果和材料经济性，可得出送风管道外保温的厚度为40mm，排风管道外保温的厚度为80mm，新风管道保温厚度为100mm。同时，需要暖通设计人员充分考虑由于保温厚度的增加而导致没有足够的施工空间等问题。

3 送风口与回风口设计及计算

3.1 送风口及回风口设计

暖通回风方式分为上进下回式、上进上回式、中送上下回式及下送上回式。

（1）上进下回式，即送风口位于空调区的上部，回风口位于空调区的下部。该方案的优点是能够形成比较均匀的温度场和速度场，送风和回风不易发生“短路”，是混合式送风的基本方式；缺点是回风口和回风管道的设置不便。

（2）上进上回式，即送风口位于空调区的上部，回风口也位于空调区的上部。室外新风与室内空气充分混合后进入工作区，排风由空调区上部的回风口排出空调区。该方式适用于不适在房间下部布置排风口的场所，且这种回风方式易发生气流短路现象。

（3）中送上下回式，即中送上、下回方式，送风口位于空调区的中部，回风口空调区的上部或者下部。室外新风由空调中部直接进入工作区，排风由空调区上部或者下部的回风口排出空调区。在某些高大建筑内，实际工作区仍在2m以下，不需要将整个空间作为调节的对象，可以采用中部送风的方式，且具有一定的节能效果。

（4）下送上回式，即下送上回方式。送风口位于空调区的下部，回风口位于空调区的上部。室外新风由空调下部进入室内与房间内空气混合，排风由空调区上部的回风口排出空调区。该方式适用于室内余热量很大，特别是热源靠近顶棚的场所。

无论利用哪种方式，被动房新风设计的主要目的是通过形成有效的新风区、溢流区及排风区，使新风在室内得以充分循环，进而覆盖到房间的每一个角落。

图3展示了理想状态下的被动房室内新风组织设计，描述了经过新风热交换机的室外新风通过客厅上部进入室内，在卫生间设置回风口将室内污浊空气通过回风管道引入新风换气机，进行室内空气的余热回收利用。该方案的优点是利用卫生间排风产生的负压使起居室形成了溢流区，即使不用在起居室额外增加新风管道也能保证起居室内充满新风，从而实现新风循环的目的；回风口设置在卫生间，使卫生间内产生了负压，保证卫生间内的异味不会扩散到起居室；节省送风管道的材料费与安装费。

图3 理想状态下的被动房室内新风组织设计

3.2 风管阻力的计算

由上面例子得出，一方面良好合理的送风口与回风口的设置可以大大减少额外风管的布置。另一方面，为了保证新风换气机能正常通风，需要克服管网阻力的静压和把气体输送除去的动压。

风机中的静压只存在于风机进出口管网中，并且一定等于管网阻力。风机动压在风机进出口管网中没有任何消耗。当风机进出口管网的截面积相同时，风机进出口的动压相等。如果管网的截面积不同，管网中的动压也不同。所以，新管道管道长度的减少以及管道的弯头阀门的减少等同于整个管系的沿程阻力和局部阻力减少，风机将会更加省电。以下为风管阻力计算公式：

通过式（2-1）至式（2-3）可以计算出整个风管系统的全压，即管道局部阻力与管道沿程阻力之和。当新风风机所能提供的风压大于管道系统的全压时，说明风机选型正确。新风机风机能提供的风压按照式（2-4）计算。

4 工程实际案例分析

4.1 项目分析

图4为某项目工程项目的被动房教室新风系统管道布置，房间净深8米。设计者的设计思路是从右侧门上口吊顶层引入新风，进入房间后将新风管道均匀分为4路。其目的是为了使新风可以均匀地分布到房间当中，实现新风循环的作用。同时在左侧门上口处设置排风装置，目的是将室内的空气引导至走廊中，再通过走廊的集中排风管道将室内污浊空气引向新风换气机进行余热回收利用。值得注意的是，设计者考虑到卫生间产生的气体若进行集中排风引到新风换气机中实现热交换，会导致室内新风被污染。故而设计者在卫生间设置了独立的排风系统，即将卫生间的污浊空气直接引入独立的排风井，不参与新风热交换。

图4 某工程项目的被动房教室新风系统管道布置

但此项目设计方案存在两个问题。

（1）本设计中卫生间采用局部排风系统，风量较大。被动式建筑气密性非常好，当卫生间排风系统启动时，使用者是否按照设想及时开关换气扇不可预估，应审慎考虑回风系统与新风系统的联动关系，否则会导致建筑处于负压状态。同时，大量富有剩余焓值的空气未经热回收就被排出室外，浪费部分室内余热，应把卫生间通风纳入建筑整体通风考虑。可采取以下措施：显热换气机不会污染新风，可通过风井统一回收卫生间的排风废热，并根据风量进行补风；还可加大每一层新风量，把每层的卫生间排风直接并入新风换气机的排风管，排风口从走廊挪到卫生间，并在卫生间的墙壁和门上做出足够的溢流口。但该措施在实际工程案例中，业主可能担心新风换气机出现质量问题，导致卫生间的废气污染新风，最终使整个房间充满异味，所以使用该措施需要考虑业主是否能接受。

（2）新风管线太长会造成不必要的送风压力损失，增加风机功耗。在面积较小的空间内且被动房气密性较好的工况下，送风管道不必延伸至房间深处[4]。送风口设置在房间边缘，用送风百叶调整角度就可以满足将新风送入室内的需求。因此，可将送风管道的送风口布置在右侧门上口部分，在门下口留有合理的通风缝隙，就可以保证室内空气的流通。按照上文所述，也就是教室为新风区，走廊为溢流区，集中排风口处为排风区。按照门上口送新风、门下口排风这种方式结合该项目案例，根据式（2-1）至式（2-4），计算得到若减少管长为10m、管径为250mm×160mm的管道局部阻力为24.16pa，则沿程阻力为11.85pa。

4.2 Airpak 模拟

通过Airpak（CFD）模拟仿真软件对该方案进行室内气流模拟分析，以确定门上口送风、门下口回风这种方式可保障在面积较小的空间内，新风可以均匀地分布于整个房间。

图5为Airpak新风模拟—速度矢量图，图中新风送风口位置离地高度2.5米，图中的Opening1、opening2表示门上方新风出口，出口风速3m/s；vent1、vent2表示门下口回风洞。

根据图5所示，新风在入口处速度最快，产生向前的运动轨迹。但通过无隔间壁面，由于压力骤减，新风方向发生改变，贴近壁面向前流动。在房间远离新风口位置，依然存在一定风速。

根据图6可观察到新风质子运动轨迹，观察到引进的新风可达到室内最远端，即形成良好的新风循环，表明门上口送风，门下口回风在面积较小的空间内具有可行性。