【摘要】建筑通風(fēng)是十分重要的，尤其是在霧霾天氣，本文比較了兩種熱回收新風(fēng)凈化機(jī)，認(rèn)為空氣源熱泵熱回收空氣凈化機(jī)有諸多優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】空氣源熱泵；熱回收；新風(fēng)凈化機(jī)

1.建筑通風(fēng)的作用及重要性

建筑通風(fēng)一般是指以室外新風(fēng)置換室內(nèi)被污染的空氣，在公共建筑尤其是人員密集的建筑，如教室、會(huì)議室等，污染物主要是人體生理活動(dòng)引起的二氧化碳、不良?xì)馕丁⒎蹓m及室內(nèi)裝修污染，人體二氧化碳的排放約15L/h人，由此形成了對(duì)室外新風(fēng)的需求量，以所需新風(fēng)量置換室內(nèi)排風(fēng)就可以同時(shí)去除不良?xì)馕都胺蹓m，使二氧化碳日平均值達(dá)到1000PPm限值《GB/T18883-2002室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

但是，北方冬季霧霾天氣時(shí)有發(fā)生，新風(fēng)直接進(jìn)入室內(nèi)為不可行，必須加以凈化，當(dāng)前實(shí)踐證明用物理的過(guò)濾方法并在一定時(shí)間加以清洗或更換，使pm2.5等降低至35mg/m3，最高至75mg/m3，再送入室內(nèi)是可行的，《CJJ/T309-2013建筑通風(fēng)效果測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》；此外，黨的十九大提出要滿足人民生活日益增長(zhǎng)的美好需要，還必須重視建筑內(nèi)的熱舒適度，把溫度過(guò)低的新風(fēng)直接引入室內(nèi)或夏季溫濕度過(guò)高的新風(fēng)直接引入室內(nèi)，也是不可取的?？傊谟腥藛T活動(dòng)尤其是人員密集的建筑內(nèi)，供給適量的經(jīng)過(guò)凈化的有適當(dāng)溫濕度的新風(fēng)對(duì)保證人體健康有重要意義，在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)該引起足夠的重視，也是目前一般空氣調(diào)節(jié)不能實(shí)現(xiàn)的。

2.新風(fēng)量與新風(fēng)負(fù)荷

對(duì)于居住建筑，一般規(guī)定每小時(shí)最低換氣次數(shù)為0.5次，即換氣量為與使用面積相應(yīng)的建筑內(nèi)體積的一半。對(duì)于以北京為代表的北方寒冷地區(qū)，冬季最冷天形成的新風(fēng)熱負(fù)荷占一般建筑采暖熱負(fù)荷的20%，占節(jié)能建筑的40%左右，而在人員密集的公共建筑如會(huì)議室等，規(guī)范（GB50736-2012）規(guī)定每人所需最小新風(fēng)量為22～24m3/h·人[1]，對(duì)于中小學(xué)教室，由于學(xué)生有課間活動(dòng)，新風(fēng)量可以減少至15～20m3/h人，當(dāng)霧霾天門窗緊閉時(shí)，該新風(fēng)量是必須的。假設(shè)小學(xué)教室的建筑內(nèi)使用面積為60m2，內(nèi)部坐有40人聽(tīng)課，則平均新風(fēng)換氣量為600～800m3/h，按采暖室溫為20℃，假設(shè)早晨上課時(shí)室外溫度為-2℃，如新風(fēng)出風(fēng)溫度定為20℃，則新風(fēng)負(fù)荷為4400～5860W，折合每平米建筑面積82～110W/m2；又假設(shè)該教室屬于中等節(jié)能建筑，單位面積基本采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為60W，則新風(fēng)換氣熱負(fù)荷與基本采暖負(fù)荷之比高達(dá)1.3～1.8：1，新風(fēng)耗熱量占總采暖負(fù)荷的57～64%，由此可見(jiàn)，為保證新風(fēng)換氣量，供暖能耗增量是比較大的，如果不采取措施，就大大增加了設(shè)備的初投資和運(yùn)行費(fèi)。值得注意的是，新風(fēng)負(fù)荷不是時(shí)刻都存在的，在公共建筑中沒(méi)有人無(wú)需送新風(fēng)，所以，它應(yīng)該與建筑的基本負(fù)荷區(qū)別對(duì)待、單獨(dú)處理，特別是在間歇使用的建筑中沒(méi)有人員在時(shí)，時(shí)常以較低的值班負(fù)荷運(yùn)行，這時(shí)就更不應(yīng)該帶有新風(fēng)負(fù)荷。此外，根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)，在大型多功能公共建筑中不易設(shè)置集中的送新風(fēng)系統(tǒng)，否則，不僅新風(fēng)被沿途風(fēng)道污染，而且不是按需要的房間供給，從而造成浪費(fèi)。所以，研究、發(fā)展節(jié)能、高效的局部的小型新風(fēng)裝置是經(jīng)濟(jì)合理的。

3.新風(fēng)凈化系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展

3.1 室內(nèi)空氣凈化裝置

由前述，一般居住建筑所需新風(fēng)量及新風(fēng)負(fù)荷都不大，尤其是建筑面積大居住人少的民用房屋，靠衛(wèi)生間和廚房的機(jī)械排風(fēng)和開(kāi)窗或滲透的自然通風(fēng)就可以滿足要求，有的還加用新風(fēng)進(jìn)化器。如圖1所示。

所以這類建筑加裝全面的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)尚不多。

3.2 熱交換器式的熱回收空氣凈化裝置

這類裝置中安裝有空氣凈化過(guò)濾網(wǎng)，由于室外空氣較多的低于或高于室溫，為了節(jié)約能量，引進(jìn)室外空氣時(shí)利用內(nèi)排出空氣所具有的剩余熱量或冷量與其進(jìn)行交換，統(tǒng)稱為熱回收技術(shù)，其裝置稱為熱回收裝置?？諝鈨艋療峤粨Q器式的熱回收裝置分為顯熱和全熱回收兩大類，即通過(guò)顯熱或全熱交換器回收排風(fēng)中的顯熱（冷）或全熱（熱、冷、濕），改善新風(fēng)送風(fēng)的溫、濕度條件的裝置，當(dāng)排風(fēng)中含有害氣體的時(shí)候，這類裝置要注意有氣流滲漏，當(dāng)新風(fēng)露點(diǎn)低于室溫時(shí)，要防止這類裝置中產(chǎn)生凝露。又由于全熱交換器價(jià)格昂貴，以及北方寒冷地區(qū)冬季室內(nèi)的濕度普遍不高，因此，冬季濕交換的作用不大，所以，當(dāng)前熱回收裝置多為板式或板翅式顯熱交換器。如圖2所示，其系統(tǒng)及原理見(jiàn)圖3。

根據(jù)國(guó)標(biāo)“空氣-空氣能量回收裝置”（GB/21087-2007）[2]中對(duì)無(wú)結(jié)露的裝置規(guī)定了如下的冬季試驗(yàn)工況：

即制熱工況下的新風(fēng)干球溫度5℃，濕球溫度2℃，排風(fēng)干球溫度22℃，濕球17℃。

該效率的含義是：新風(fēng)經(jīng)過(guò)熱交換器后其溫度接近排風(fēng)溫度的程度，合格值的上限為60%，（實(shí)際中排風(fēng)量應(yīng)當(dāng)約為送風(fēng)量的90%，所以效率比上式值低些）目前不少企業(yè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)達(dá)到70%。

根據(jù)上述規(guī)定由上式計(jì)算出制熱工況的新風(fēng)出口干球溫度為tx2= tx1+（tp1-tx1）×70%，以北京為代表的北方寒冷地區(qū)為例，早晨上八點(diǎn)課時(shí)外干球溫度為2℃，室內(nèi)溫度為18℃，則根據(jù)上式，新風(fēng)送風(fēng)溫度為2℃+（18-2）℃×70%=13.2℃，該溫度遠(yuǎn)低于規(guī)范GB5736-2012規(guī)定的熱舒適度要求。據(jù)社會(huì)有代表性的調(diào)查，某教室送入較低溫的新風(fēng)時(shí)，“送風(fēng)10分鐘室內(nèi)溫度下降3.5℃，”[4]，因此，使用這種裝置還需要在建筑的供暖設(shè)備中增加部分新風(fēng)負(fù)荷，如基本采暖負(fù)荷50%的供熱量。

3.3 熱泵式熱回收新風(fēng)凈化裝置

熱泵是一種很好的節(jié)能裝置，第一它可以把低品位熱能提升為可用的高品位熱，第二它可以以輸入少量高品位電能獲取比它高幾倍的熱能，例如，在以北京地區(qū)為代表的寒冷地區(qū)全冬季供暖平均能效比可達(dá)到2.5～3左右，夏季能效比可達(dá)3.7以上[5]。遺憾的是，目前普通的分體式空調(diào)熱泵還普遍不能處理新風(fēng)。而本文所指的熱泵是采用創(chuàng)新的技術(shù)，將送入室內(nèi)的新風(fēng)達(dá)到室內(nèi)空調(diào)的溫濕度，其技術(shù)難度在于冬季要把室外溫度低的新風(fēng)一次性處理為合格的送風(fēng)溫度，夏季可將室外的熱濕風(fēng)一次性處理為室內(nèi)空調(diào)的溫度和濕度，例如冬季從0℃加熱到20℃，提升20度，而一般空調(diào)只能將室內(nèi)的循環(huán)風(fēng)加熱5～10℃，夏季送風(fēng)溫濕度可以達(dá)到24℃、60%左右。因?yàn)樯鲜龅难b置利用了室內(nèi)排風(fēng)的余熱、冷，如冬季利用室內(nèi)20～22℃的排風(fēng)，供給熱泵的吸熱端，以提高放熱端的溫升和熱量；夏季利用排風(fēng)中的冷量，如30℃左右，去冷卻熱泵高溫端，增大放熱量，使熱泵高壓下降，以實(shí)現(xiàn)低溫端將室外新風(fēng)降溫降濕的目的，這種技術(shù)稱為熱泵熱回收新風(fēng)處理裝置，其中再加裝三級(jí)過(guò)濾器構(gòu)成新風(fēng)凈化裝置，以消音風(fēng)道送入室內(nèi)。該產(chǎn)品通過(guò)了清華大學(xué)建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)中心“空氣凈化器除細(xì)顆粒顆性能評(píng)估”檢測(cè)報(bào)告見(jiàn)圖4，產(chǎn)品外觀見(jiàn)圖5。

圖6給出了該裝置的原理，由于室內(nèi)需要維持正壓以阻擋室外有污染物的空氣從門窗縫隙滲入室內(nèi)，本裝置控制排風(fēng)量為送風(fēng)量的90%。

這種處理過(guò)程不是簡(jiǎn)單的熱交換式熱回收，而是將回收熱、冷用在逆卡諾循環(huán)中完成的，因此它可以用少量的電能提高其處理空氣的品位，因而，不需要在建筑的采暖空調(diào)裝置中再增加新風(fēng)或部分新風(fēng)負(fù)荷，形成獨(dú)立承擔(dān)負(fù)荷的新風(fēng)裝置，這是簡(jiǎn)單的熱交換卻不能做到的，它的用電量是只出現(xiàn)在使用時(shí)。

4.技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1系統(tǒng)設(shè)備安裝與售后維修等

熱交換式熱回收新風(fēng)凈化裝置，無(wú)論是安裝在天花板上還是作為柜式機(jī)組落地安裝，不但占用了建筑室內(nèi)空間，而且裝在天花板位置施工復(fù)雜、維修困難、也難免有噪聲；而空氣源熱泵熱回收新風(fēng)凈化機(jī)組，所有部件都在室外機(jī)內(nèi)，僅有送風(fēng)道和分布式出風(fēng)口、回風(fēng)口，與室內(nèi)裝飾配合，因而，清洗、更換過(guò)濾器、維修電器件都在室外完成，安裝、維修便捷。

4.2兩種產(chǎn)品送風(fēng)溫濕度及能耗的對(duì)比

如前述，熱交換式熱回收新風(fēng)機(jī)組的機(jī)理可知，送入室內(nèi)新風(fēng)的熱舒適度永遠(yuǎn)低于室內(nèi)環(huán)境的熱舒適狀態(tài)，即冬季溫濕度較多的低于室內(nèi)，如果說(shuō)如前述送新風(fēng)時(shí)人們用穿羽絨服來(lái)抵擋的話，夏季雖然至今沒(méi)有見(jiàn)到測(cè)試數(shù)據(jù)，但送出比室內(nèi)溫濕度還要高的新風(fēng)對(duì)室內(nèi)造成了怎樣的影響？可想而知，有人說(shuō)冬季送新風(fēng)可以加電補(bǔ)熱（夏季則不可），那么我們對(duì)比一下兩種新風(fēng)機(jī)組耗電的情況。

我們用數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話，2017年至2018年冬季空氣源熱泵熱回收新風(fēng)機(jī)組分別在北京清華附小昌平校區(qū)教室和天津?qū)氎婺持袑W(xué)教室進(jìn)行了實(shí)測(cè)，機(jī)組風(fēng)量皆為556m3/h，在2017年至2018冬季最冷四天的早晨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下：

北京地區(qū)，外溫-5℃，室溫15.4℃，新風(fēng)送風(fēng)15.3℃，新風(fēng)與送風(fēng)溫差20.3℃，排風(fēng)進(jìn)口16.8℃，排風(fēng)出口-5.4℃，機(jī)組總耗電量1106w，cop3.4；

天津?qū)氎妫鉁?4.5℃，室溫13℃，新風(fēng)送風(fēng)20.3℃，新風(fēng)與送風(fēng)溫差20.8℃，排風(fēng)進(jìn)口15℃，排風(fēng)出口-4.6℃，機(jī)組總耗電量1410.5w，cop3.25。

從比較發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)機(jī)組充氟量不足，高低壓偏低，是安裝時(shí)造成的，今后要注意改進(jìn)。

以下以同樣的室溫和外溫?cái)?shù)據(jù)，與熱交換式熱回收裝置的效果進(jìn)行對(duì)比：

如天津地區(qū)外溫-4.5℃，室溫13℃，相同風(fēng)量556m3/h，假設(shè)熱交換效率70%，新風(fēng)送風(fēng)溫度等于-4.5+

（13+4.5）×0.7%+=16.15-4.5=11.65℃，

以這個(gè)溫度吹風(fēng)是人體難以接受的。清華大學(xué)李兆基樓某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作人員用這樣的話語(yǔ)形容這一感受“以送新風(fēng)大家立即穿上棉外衣”，該溫度比天津熱泵熱回收機(jī)組送風(fēng)溫度低9.12℃，如果用電加熱在熱交換式熱回收送風(fēng)口加熱到與天津?qū)氎鏅C(jī)組同等的送風(fēng)溫度，則所需要電加熱的功率是556m3/h×9.12℃×1.3kg/m3/3.6/0.9=2034.5w。對(duì)于兩種送風(fēng)機(jī)組使用的交換器送排風(fēng)機(jī)電功率應(yīng)當(dāng)差不多，則在送風(fēng)溫度相同的情況下，熱交換式熱回收機(jī)組就比天津?qū)氎娴膲嚎s機(jī)耗電多2034.5w-1323w=711.5w，即711.5/1323=53%，何況二者相比還有其它因素。

夏季工況對(duì)比，以北京地區(qū)為例，熱交換式熱回收裝置，向空調(diào)房間送新風(fēng)，設(shè)室內(nèi)溫度26～28℃，相對(duì)濕度60～55%，絕對(duì)濕量是12.7g/kg，室外空調(diào)設(shè)計(jì)干球溫度33.4℃，濕球26.4℃，相對(duì)濕度58.44%，絕對(duì)濕量19g/kg，設(shè)熱交換式熱回收是顯熱交換，效率為70%，則送風(fēng)溫度是33.4+ （26-33.4）℃×0.7=28.22℃，而濕度是基本不變的，也就是說(shuō)新風(fēng)向室內(nèi)加濕是19g-12.7g=6.3g/kg，因此，對(duì)于一般民用建筑，如教室等，熱交換式新風(fēng)熱回收裝置未見(jiàn)對(duì)于夏季工況的報(bào)導(dǎo)。

對(duì)于熱泵熱回收新風(fēng)凈化裝置，2017年7月，進(jìn)行過(guò)初步試驗(yàn)，室外干球溫度33.2～34.3℃，相對(duì)濕度56～63%，送風(fēng)溫度23～26℃，相對(duì)濕度80%（直膨式），高壓21～22kg/cm2，低壓4.4kg/cm2，壓縮機(jī)功率1994w，

送排風(fēng)機(jī)187.5w，新風(fēng)送風(fēng)焓差等于86kj/kg-64kj/kg=22kj/kg，新風(fēng)送風(fēng)冷量是556m3/h×1.157kg/m3×22kj/kg=14152kj/h=3931w，機(jī)組總耗電是1994+187.5=2181w，cop=1.8，新風(fēng)送風(fēng)絕對(duì)含濕量15.5g/kg，新風(fēng)降濕量20.2-15.5=4.7g/kg，新風(fēng)總降濕量556m3/h×1.157kg/m3×4.7g/kg=3023g/h。

5.結(jié)論

空氣源熱泵熱回收新風(fēng)凈化裝置，是一種全新的供新風(fēng)裝置。它是能做空調(diào)用的新風(fēng)裝置，它是將進(jìn)入熱交換器中進(jìn)行熱交換的排風(fēng)中的能量作為熱泵的低溫（冬季）、高溫?zé)嵩矗ㄏ募荆?，從而?shí)現(xiàn)在冬季將新風(fēng)溫度提高20多度送入室內(nèi)，并節(jié)電近55%左右；對(duì)于北方寒冷地區(qū)在不開(kāi)窗通風(fēng)的霧霾天氣下，由于人體健康的需求使用是十分必要的，尤其是對(duì)于教室、會(huì)議室、辦公室一類的人員密集型建筑，在這類建筑中，新風(fēng)負(fù)荷比建筑基本負(fù)荷要大得多，冬季占到70%左右，且不是全天候需要新風(fēng)，使用這種裝置可以負(fù)擔(dān)自身的負(fù)荷，從而減少了建筑供暖負(fù)荷的初投資和運(yùn)行費(fèi)。此外，這種裝置是裝在室外的，不占用室內(nèi)空間，室內(nèi)只有送、排風(fēng)管道，因而大大簡(jiǎn)化了工程量，也減少了噪音，便于維護(hù)和管理。由于這類建筑主要是白天使用，所以，本文在統(tǒng)計(jì)以北京為代表的寒冷地區(qū)白天室外溫度分區(qū)延時(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了節(jié)能性分析，表明在冬季冷天使用時(shí)達(dá)到舒適性的送風(fēng)溫度有很好的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：1. 清華大學(xué)；2. 天津五洲同創(chuàng)空調(diào)制冷設(shè)備有限公司）

【中圖分類號(hào)】TU834.41

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1671-3362（2018）08-0046-04