被动式低能耗幼儿园建筑新风系统方案分析

北京康居认证中心有限公司

陈旭 郝生鑫 王祺

1  项目概况

目前，被动式低能耗建筑快速发展，已从理念发展逐步迈向成熟体系，其以更少的能源消耗为导向，成为构建碳中和路径的多目标模型之一。我国各省市颁布的多项被动式低能耗建筑政策开始实施，落地的被动式低能耗建筑项目如雨后春笋般大量建设。已建成的被动式低能耗建筑项目中多以住宅建筑、公办建筑为主要建设对象，技术层面相对较为完善，对于幼儿园类建筑的设计方案相对匮乏。本文以北京某被动式低能耗幼儿园建筑项目为例，通过设计人员角度，深入分析该类被动式低能耗建筑新风系统方案及其关键节点，为该类工程项目提供设计思路。

幼儿园三维模型如图1所示，该项目建筑高度为14.5m，面积为4200m²，包括地上三层（无地下室），其主要使用功能为儿童教学区及活动区、教师办公及休息区，首层东侧厨房作为独立区域（不作为被动区考虑）。

图 1  幼儿园三维模型图

2  新风负荷分析

为充分考量新风系统影响，对其负荷进行计算，观察建筑综合负荷变化。对该项目工况条件进行设定：工作日，工作时间（08:00-18:00），冬季室内控制温度20℃，夏季室内控制温度26℃；工作日，非工作时间（18:00-08:00），冬季室内控制温度15℃，夏季室内不控制温度。

2.1 围护结构设计

该项目外墙采用岩棉外保温系统，屋顶采用模塑聚苯板外保温系统，地面采用挤塑聚苯板系统。外围护结构具体做法如表1所示：

表1 外围护结构具体做法

2.2 新风机组风量统计

该项目采用带热回收的新风机组来供给室内新风，其具体类型及新风量，如表2所示。

表2 新风机组具体类型及新风量

2.3 新风负荷分析

该项目计算条件参照公共建筑节能设计标准[1]及建设单位提供的相关信息，其中北京地区室外设计计算参数如下：1）夏季空调室外空气计算参数取空气调节计算干球温度：33.5℃。2）冬季空调室外空气计算参数取空气调节计算干球温度：-9.9℃。

根据外围护结构设计、使用人数（男人数量30人，女人数量30人、儿童数量360人）、灯光散热密度（2.85W/m²）及设备散热密度（1.2W/m²），计算该项目建筑能耗。对比有热回收新风机组和无热回收新风机组能耗，其负荷对比结果如图2所示。

图2 有无热回收新风热负荷、冷负荷

参照图2可知，该项目有热回收新风机组（温度交换效率为75%）时热负荷下降60.24%，冷负荷下降15.38%。新风引起的建筑负荷相对较高，对被动式低能耗幼儿园建筑影响较大，而带热回收（内置换热芯）的新风机组在实现新排风换热过程时可有效降低建筑能耗。

3  新风系统方案

3.1 系统方案设计

参照图3可知，该项目可划分为南北两区域，新风系统方案采用转轮式新风机组以半集中式新风系统对南北两区进行分区送回风（北侧和南侧），且转轮式新风机组落地置于屋顶处。

图3 首层新风系统平面图

该项目卫生间数量较多，换气次数为5-10次，所需新风量较大，此时若不做热回收处理，将导致建筑能耗增加约1/5~1/4，故把卫生间通风一并纳入建筑整体新风量进行考量。因转轮式机组内置换热芯为全热回收，新风与排风换热时易发生污染现象，尤其针对幼儿园类（对室内空气质量要求较高）建筑，故对卫生间做显热回收，采用板翅式新风机组，且板翅式新风机组吊顶置于卫生间处。同时，卫生间做负压处理，新风量为回风量的75%，以保证卫生间污浊空气不外溢至过道、教学区等房间；如教学区、活动室、休息室等房间做正压处理，新风量为回风量的122%，以保证室内处于微正压（须平横卫生间带来的负压影响）。

为进一步降低新风负荷并保障机组稳定运行，新风机组自带温湿度控制系统，送风管上温度传感器信号控制冷（热）水回水管上电动调节阀的开度，对风机进行自动启停控制、监测手自动运行状态及故障报警；针对教室、活动室等人员密集场所设置CO₂传感器，联动新风机组变频。

3.2 设备参数选型

被动式低能耗建筑主要以全空气处理作为主要采暖和制冷手段，承担室内热、冷负荷，故新风机组设备性能至关重要。针对转轮式新风机组（全热型）、板翅式新风机组（显热型）设备选型，其需满足以下要求：

（1）温度交换效率是指对应风量下新风、送风之间温差与新风、回风之间温差之比，其代表新风与回风之间换热效率，该值越大建筑新风负荷越低，建筑能耗越低。冬季热回收的温度交换效率宜符合下列规定：转轮式新风机组（全热型）≥70%，焓值交换效率≥60%；板翅式新风机组（显热型）≥75%。

（2）通风电力需求是指送入室内每立方米空气的耗电量，为总输入功率与新风量的比值，其代表新风机组通风能耗，该值越小新风机组能耗越低。新风机组通风电力需求宜符合下列规定：≤0.45Wh/m³。较板翅式新风机组，转轮式新风机组内部风机可提供风量较大，通过高效过滤网、转轮换热芯、内部风道造成的局部阻力较大，通风电力需求也较大，可能出现在0.5Wh/m³左右浮动的现象。随着风机不断发展，还望该值进一步降低。

（3）有效换气率是指标准空气状态下，新风量与排风量进入新风的风量之差与装置名义新风量之比。新风机组有效换气率宜符合下列规定：≥97%。防止排风中污浊气体与新风接触而产生大量交叉污染，保障儿童呼吸时室内空气质量处于安全状态。

（4）新风机组应具备新风净化功能，对PM2.5净化效率达到95%以上。

（5）新风机组应具有预热、防霜、防冻功能，具备冷凝水收集排放功能，尤其是新风机组裸露在室外环境下。

3.3 区域设计

3.3.1 溢流区设计

图4 溢流区设计示意图

被动式低能耗建筑气密性良好，将导致部分无新风区域形成空气滞留区（即射流短路和气流产生死区位置）。空气滞留区若长时间无新风，其空气质量逐渐变差，室内环境易滋生细菌。为此，新风系统设计必须遵循无空气滞留区原则，可通过溢流区设计方法使新风送入室内后得到充分循环，该做法还将降低新风量及其负荷。

参照图4可知，溢流区的形成主要以教学区、活动室、休息室等作为新风区域，以过道、走廊等作为溢流区和回风区域。通过送风口设置在各房间，回风口设置在过道，门下预留2-2.5cm缝隙的方式进行设计。

弱电间广播室、衣帽间、配电室等新风需求量较小区域在非必要条件下不要采用无动力风帽或排风扇等小型排风设备直排室内空气，防止室内出现负压现象，尽可能采用溢流区设计方法。

3.3.2 厨房区设计

厨房位于幼儿园一层东侧（即一层南北两侧连接中间位置）。当厨房处于烹饪状态时，利用油烟机排出空气中的油烟至室外，此时油烟机将大风量抽走室内空气，厨房在冬季和夏季时将发生过冷过热现象。为避免厨房该现象发生，可采用以下措施：

1）促使厨房形成独立区域：厨房与其他区域间的隔墙增加一层保温层（≥50mm岩棉）；厨房门需具备良好气密性，并且可自动关闭；灶台尽量远离厨房与其他区域间的隔墙。

2）厨房应设置与排油烟系统联动的补风装置（补风口靠近灶台面），根据补风量计算补风口孔径（通常≥200mm），补风口安装保温气密阀。当厨房处于烹饪时间时，保温气密阀打开，厨房红案间/或面点间的排油烟风机及其补风机开启。

4  关键节点设计

4.1 风口位置设计

该项目转轮式新风机组设置在屋顶，裸露在室外，故其新风口和排风口选用防雨风口，新风口远离房间污染物排放口和室外热排放设备（房顶设置空气源热泵室外机）且水平间距不宜小于1.5m，排风口迎风面可靠近空气源热泵机组室外机附近以便于空气源热泵机组做功。

参照图5可知，由于回风口设置在过道北侧形成回风区域，规避了送、回风之间气流短路现象的发生。但需考虑的是送风口应避开儿童活动区域，防止气流直吹儿童。送风口可深入至教学室南侧墙体处，促使气流贴附墙壁增加射程到达儿童活动高度（儿童高度1.2米以下），且溢流区面积增大气流可得到充分循环。对送风口风速（≤3m/s）进行规定，以保证儿童舒适度。

图5 转轮式新风机组送回风口设计示意图

板翅式新风机组设置在卫生间，新风口和排风口水平距离不宜小于1.0m，而该项目排风口直接连通风井，排风可直接通过风井排出室外，规避了新、排风之间气流短路现象。

参照图6可知，盥洗室与卫生间形成了干湿分离的设计，而采用显热型新风机组可避免新风污染问题。同时送风口设置在盥洗室，回风口设置在蹲便器上方，即满足盥洗室和卫生间新风量，又保障了新风不溢流至其他房间。

图6 卫生间新风系统设计

4.2 系统保养运维

当前，诸多被动式低能耗建筑项目忽略对新风系统安装检查、初步运行状况测量及后期维护，而以上所述恰恰对建筑运行能耗效果起至关重要的作用。无论是设计阶段、施工阶段、验收阶段，都应标明新风系统定期维护保养方式。定期维护保养方式可参照JGJ/T440-2018《住宅新风系统技术标准》中的相关规定[2]，如下所示：

1）应每3～6个月对风口、风管进行清洁，风口、风管上应无积灰，过滤网中应无粉尘污渍。

2）对未设置阻力检测和报警装置的过滤器，宜每3～6个月对粗效过滤器进行清洗或更换；在室外污染严重时应缩短清洗或更换时间。

3）应每6个月检查风管的气密性，风管连接处应无开裂、漏风现象。

除上述方法外，还应在运营初期对室内空气温度、室内空气湿度、送风口温度、送风口风速、供暖期耗电量及空调期耗电量等进行监测，确保建筑符合被动式建筑要求。

5展望

本文从溢流区设计、厨房区设计及风口位置关系等方面，主要介绍了被动式超低能耗幼儿园建筑新风系统设计方案，以期为该类建筑工程提供借鉴。但新风系统不应仅停留在设计阶段，更为需要的是全周期过程质量监控。从设计方、施工方、再到后期运营管理方，均需做好协调沟通，否则一旦出现类似管道衔接破损、送风量较低、送风温度较低、过滤网堵塞等问题，很难判断发生问题的原因。

参考文献

[1]GB/T50189-2015,公共建筑节能设计标准[S].

[2]JGJ/T440-2018,住宅新风系统技术标准[S].

作者简介

通讯作者：陈旭（1995——）男，硕士研究生，暖通工程师。