新风系统在被动式建筑中的应用

随着我国经济的快速发展，环境问题日益严峻，尤其是在北方的采暖季节，室外环境问题一直影响着我们的身心健康。我国所需求的建筑能耗比重大，建筑能耗已经占据社会总能耗的1/3，显然在目前阶段发展被动式建筑对我国日益严峻的能源及环境问题有积极作用。

1 新风系统在被动式建筑中的意义

1.1 新风系统的概念

新风系统是由送风系统及排风系统组成的一套独立的空气处理系统。通常来讲，完整的新风系统应由进风段、过滤段、热回收段、送风段、回风段、排风段及末端的一整套管道系统组成（见图1）。

新风系统的工作原理：室外含氧量较高的空气首先会经过新风系统的过滤段，同时室内冷量或热量较高的相对污浊的空气会通过回风段。室外的空气和室内的空气会在新风系统的热交换芯中进行能量交换。比如在夏季，室内回风中的冷量在通过热交换芯时会传递给进风的空气，以“冷却”室外高温的空气，通过过滤及能量回收后的新鲜空气会送进室内，从而形成循环。

图1 新风系统的原理

1.2 新风系统的性能指标

（1）采用显热回收的新风系统，换热芯的显热回收效率应大于75％。采用全热回收的新风系统，换热芯的焓回收效率应大于70％，显热回收效率应大于75％。

图2 逆流板式换热芯

一般来说，被动式建筑所要求的高效热回收效率，通过带有逆流板式热交换芯的新风系统才能实现。逆流板式换热芯拥有如此高的换热效率，得益于它更大的空气接触面积、更大的传热面积以及更合理巧妙的内部气流组织形式。空气以较低的风速通过逆流板式换热芯截面积也是实现高效率的关键所在，通常比较经济的运行风速范围在1m/s ～ 2.5m/s，这样可以获得良好的经济运行效果（见图2）。

选择全热换热芯设备时，必须考虑室内外温湿度的参数。当室内空气的相对湿度较大或室外温度较低时，有可能会出现冷凝水，设计时必须查看焓湿图仔细校核。

选用何种形式的换热芯应根据不同区域的气候特点来决定。通常来讲，对于夏季室外湿度大、室内外焓差较大的区域，比如长江流域和华南区域有着显著的夏热冬冷或夏热冬暖的气候特征，选择全热回收的新风设备一般会有较好的节能效果，同时也应考虑全热换热芯的经济型。通常市面上的全热换热芯大多为纸质材质，使用一段时间后必定会有发霉的情况，由于纸质全热换热芯的不可清洗性，本质上它和过滤装置一样属于耗材，开发商应考虑后期的维护成本。尽管市面上已经有了可以水洗的全热换热芯，比如高分子镀膜的全热换热芯，但是造价相对较高，且对于大风量的汊流板式全热换热芯设备而言，能否达到被动式建筑的换热效率标准还值得考究。针对这个问题，比较好的解决措施是采用全热高分子镀膜的转轮换热芯，但是由于技术难度上的障碍，国内很少有厂家可以提供此类换热芯。使用全热转轮换热芯面临的另一个问题就是，必须要求设备内部的漏风率极低。极低的漏风率、优秀的设备保温及设备冷热桥的优秀处理等才可以保证高效的换热效率，这是相辅相成的。

而对于严寒和寒冷地区，全热换热芯和显热换热芯所能带来的节能效果差异并不大，并且显热回收装置的造价更低、后期免维护。但是需要考虑的重要问题是要防止换热芯发生结冻，在寒冷地区这是会大概率存在的问题。因此，新风设备加入防冻保护是必要的[1]。

（2）新风机组必须按照实际计算出来的压力损失来计算其单位能耗。必须指出的是，单位能耗的计算是以新风量或者回风量为基础的，而不是以两个体积流量的总和为基准的。针对小型户式居住单元带热回收的新风系统，单位风量风机能耗应小于0.45Wh/m³，计算方法如下：

SFP=P/Q=Δp/ηtot

式中，SFP——新风系统的单位风量能耗（Wh/m³）；

P——设备的有效功率（W）；

Q ——设备在克服余压后的末端标准体积容量（m³/h）；

Δp——风机压力增高总值（Pa）；

ηtot——风机、电机及传动装置等的总有效率。

对于公共建筑而言，单位风量能耗应满足现行公共建筑节能设计标准的相关要求。对于新风量大于10000m³/h 的新风系统，单位风量能耗WS 不宜大于表1 的数值。单位风量能耗应按下式计算：

WS=P/(3600×ηCD×ηF)

式中，WS——单位风量能耗（Wh/m³）；

P——设备的余压或系统风机的风压（Pa)；

ηCD——电机传动效率（％），取0.855；

ηF——风机效率（％），按设计说明中的效率选择[2]。

表1 单位风量能耗WS（Wh/m³）

（3）设备的内外部漏风率应小于3％。

（4）冬季室内出风口温度不低于16℃。

（5） 新风系统的空气净化装置对大于或等于0.5μm 细颗粒物的一次通过计数效率高于80％，且不低于60％。通常在进风侧设置的过滤网效率应不低于F7 标准的过滤级别，回风侧应设置的过滤网效率应不低于G4 的过滤级别。

（6）设备的保温性能要高于5W/K。

（7）设备宜加入旁通功能。在炎热的夏季傍晚，通常室外比室内更加凉爽，如果此时我们继续将室内外空气进行热交换，就会导致负换热现象的产生，不能降低建筑的能耗，结果适得其反。

通过在设备内加入旁通功能，就可以避免这个问题。在夏季工况下，当系统检测到室外的空气焓值低于室内设计工况；或在冬季工况下，室外空气焓值高于室内设计工况时，系统便启动旁通功能，使得新风和回风不在热交换芯中进行能量交换。当然，也可以通过新风设备联动外窗开启进行自然通风。

（8）防冻保护功能。当室外温度低于-4℃时，换热芯就有结霜结冻的风险，厂家就要考虑在新风设备中增加防冻保护功能。一个解决方案是在进风口增设预热段，始终保证未经换热芯前的空气温度保持在较高值，通常设置为0℃ ~3℃，这是一个简单经济的方式，预热段应设置为无档或者至少两档可调。但在实际情况中，调节往往会出现意想不到的问题，进而引起持续的电能消耗。所以通常应该把预热启动阈值精确调节在-4℃。

如果预热段的运行状态非常精准，那么其实预热段的能耗会非常低，因为它们一年中没有几天工作。所以选择价格低、免维护的电加热盘管比较合适。水加热盘管需要采用水和乙醇混合液作为热媒，并需要独立的循环系统。在多住户系统上使用比较经济合理。

另一个解决方案是在排风侧增设温度传感器，当排风温度低于一定值时，设备主动把送风风机关闭，此时可通过回风的热量加热换热芯，以防止换热芯结冻，但代价就是此时无法继续向室内供应新风。

（9）当量空间吸声面积为4 ㎡时，设备间噪声＜ 35dB (A)；居室噪声＜ 30dB (A)。

1.3 新风系统的功能

（1）得益于被动式建筑高效的气密性，在有效阻隔室外污染的前提下，新风系统可提高室内的含氧量。

（2）新风系统中高效的过滤装置，可将室外细颗粒物、PM2.5 等污染物阻隔在室外，持续向室内提供新鲜的空气。

（3）新风系统中高效率的热回收装置，可有效保存室内排出的冷量或热量，使得送进室内的风不会过冷或过热。同时，我们可以计算出高效率的热回收装置对空调室内负荷有显著的降低。

（4）新风系统拥有湿度回收的热交换装置，可将高湿度的空气处理到一定程度，告别室内潮湿、衣服发霉等问题。

（5）高效隔音的外墙及门窗，使得新风系统厂家不得不在噪声处理上下足功夫。用户即使在夜间也丝毫听不到任何噪声。

2 新风系统的设计理念

2.1 风量计算

通常，我们可以根据人均法和换气次数法两种方式计算建筑所需的新风量。通过这两种计算方法，我们选取较大的值作为最终的选择。

（1）人均法

通常在居住建筑内，我们选择每人30m³/h 作为计算值，通过房间内的常住人数确定新风量。而对于其他形式的建筑类型，应根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》及其他相关标准内的规定计算[3]。

（2）换气次数法

被动式建筑不同于常规的建筑，得益于建筑本身高效的气密性，我们采用换气次数计算室内新风量时，通常比常规的新风系统需求量小很多。根据相关标准，我们通常按照0.3~0.45 次的换气次数进行计算。

2.2 风口的选择与布置

在被动式建筑中，通常我们只在人群长期居留的地方设置送风口，比如客厅、卧室、起居室等。回风口一般设置在较为污浊的区域，比如厨房、餐厅等。我们称之为分区布局，送风区域、过渡区域、回风区域的布置合理性尤为重要。

而在风口形式选择上，通常采用侧送旋流式或远程喷嘴式（见图3、图4）。这两种形式的风口都可以将空气分散至足够远的位置，可明显减少新风系统所需要的管道长度。通过实验可以发现，旋流风口能分流至3m左右的进深，而远程喷嘴式风口可达5m左右的进深。

在冬季运行条件下，新鲜空气迅速贴着天花板散播至整个房间后均匀沉降，厨房转弯的角落即使没有安置排风口也能达到；夏季时，较冷的空气迅速与室内空气混合并蔓延至整个层高[4]。

图3 旋流风口

图4 远程喷嘴风口

2.3 自动化控制

通过室内环境参数的变化，采用自动调节风机转速的控制方式是个不错的节能措施。比较好的一种处理方式是通过在每个房间支管增设风阀及环境监控器，通过环境监控器与风阀的连锁，通过环境参数的改变，来调整风阀的开启角度。

比如我们要求室内的二氧化碳浓度小于1000ppm，当环境监控器检测到室内的二氧化碳浓度小于1000ppm时，系统主动把支管风阀开启度降低，当然这并不是全部关闭，一般我们会始终保持15％ ~30％的开启度。当然调节风阀的开启度并不是仅仅通过一个参数，包括但不限于温湿度、二氧化碳浓度、PM2.5 浓度等。

我们知道可以通过室内环境质量控制支管的风阀开启度，进而通过所有风阀的开启度控制风机的转速，实现节能的目的。这通过定静压、变静压或者总风量PID调节等方式都可以实现。

从系统对环境变化的适应上讲，总风量控制方式调节迅速，对房间负荷扰动反应快，同时短时间内温度偏差也相对较大；变静压控制在调节过程中时间长且有压力波动，结合上机组的控制后容易出现系统振荡；稳定后，各个控制法下的系统压力、风机转速和过渡过程曲线一致。从节能角度上看，变静压控制下转速、压力均最小，因而也最节能，其次是总风量控制，最不利于节能的显然是定静压控制。具体到某一程度上，每一种控制方法都各有优缺点，应根据工程规模、预算、对节能的要求以及投资回收期等多个方面综合比较后做出最后的选择[5]。

2.4 厨房补风

补风系统应从室外直接引入，补风管道需要做至少2cm 的保温，并在入口处设保温密闭电动风阀，且应与排油烟机联动。

3 新风系统的施工理念

3.1 管道保温

当管道穿过建筑低温区域时，必须对其保温。建筑物隔热外表之内的送风、排风低温管道同样必须进行完善的保温。需要通过反复的计算校核巨大热损耗对建筑物热能耗的损害。比较好的解决措施是尽可能地减少设备和室外管道的长度。

对于没有设置为采暖的区域，比如垃圾房、地下车库的前室、地下车库等，管道绝不可以连接新风系统并且不能随意穿越建筑物的“隔热外表”。如果不可避免地穿过“隔热外表”，则此风管必须具有特别好的保温性能。

按照经验，风管应设置至少2cm 的保温层。不设置保温会导致风管内的冷量或热量流失到穿过的区域，导致冷量或热量不能完全送至目标位置。送风口之前损失的冷量或热量将导致房间得不到足够的冷量或热量，使整体的体验不佳。

管道的保温层须尽量使用无热桥保温管卡固定。如果使用了不带保温的管卡，则需要每隔1m 额外附加1 ～ 3cm 的保温，以平衡由未保温的管卡引起的热损失。

3.2 设备的安装

根据经验，设备如果安装在建筑保温之外，是无法达到合格的热回收效率等级的。新风设备不可控的室外管道接缝，再加上其导致的与室外较冷空气，使得外置的新风设备热回收率大大降低。鉴于目前条件，设备仅能安装在建筑保温之内。

必须要考虑的另一个要点是凝结水排放，产生的凝结水能否顺畅地排出也是设备安装的关键所在。在大风量机组中，排水槽一定要通过水封接入建筑的排水系统。

另外，为了防止固体传声，通常需要做必须的隔音处理。比如可以利用柔性连接或消音管与设备出风口连接。考虑到压降、噪声及污染，通常我们不建议使用具有伸缩性的消音管连接。

3.3 室外管道安装

连接到室外的两根风管（进风管和排风管）应设置不小于0.03°的坡度，坡向室外，以防冷凝水或雨水进入设备内部。这两根风管室外的一侧必须粘贴防水透气膜，内侧粘贴隔气膜。

4 结语

被动式建筑是国家大力发展的新型建筑形式，以极低的能耗和实惠的成本提供最佳可能的舒适室内环境。被动式建筑旨在降低建筑能耗、降低能源消耗，为可持续发展，为人类构建蓝天白云奠定基础，对诠释人类命运共同体有深刻意义。新风系统是被动式建筑中必不可少的组成部分，行业的发展离不开各界的支持，新风系统只有融入到客户群体中，才能实现良性发展、可持续发展。新风企业只有站在客户的角度开发产品，主动融入建筑的大潮中去，才能在行业发展中立足。

参考文献

[1]GB 50736-2012. 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[s].

[2]GB/T 51350-2019. 近零能耗建筑技术标准[s].

[3]GB 50189-2015. 公共建筑节能设计标准[s].

[4] 董小海. 低成本多层被动式住宅. 建学丛书增刊

[5] 刘睿. 天津财富置业有限公司. 变风量系统送风机控制的三种方法比较[J]. 工程设计与应用研究，2009.03.

作者

博乐环境系统（苏州）有限公司  郭志坚