中國建筑科學(xué)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]已于2019年實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)對近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能、氣密性能及機(jī)電設(shè)備的能效提出了較高要求，同時(shí)對所采用的新風(fēng)熱回收裝置的交換效率進(jìn)行了明確規(guī)定。由于隨著供暖空調(diào)系統(tǒng)能效的提高，熱回收裝置的節(jié)能量會減少，因此對于不同的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，新風(fēng)熱回收裝置的節(jié)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的熱回收裝置全年節(jié)能量的計(jì)算方法研究。

本文基于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對近零能耗居住建筑中采用新風(fēng)熱回收裝置的全年節(jié)能量計(jì)算方法進(jìn)行了研究，并對全國主要?dú)夂騾^(qū)代表城市近零能耗居住建筑中采用熱回收裝置的全年節(jié)能量進(jìn)行了計(jì)算分析，以期為近零能耗居住建筑的性能化設(shè)計(jì)提供參考。

1 全年節(jié)能量計(jì)算方法

居住建筑采用熱回收裝置設(shè)計(jì)階段全年節(jié)能量計(jì)算的基本思路為：確定研究對象和目標(biāo)參數(shù)，劃分全年供暖空調(diào)時(shí)間段，根據(jù)典型年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)對逐時(shí)節(jié)能量進(jìn)行計(jì)算并累加，進(jìn)而得到全年節(jié)能量。典型年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)取自《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的居住建筑為研究對象，其采用分散式房間空調(diào)器作為建筑的冷源，采用戶式燃?xì)夤┡療崴疇t作為供暖熱源，熱回收新風(fēng)機(jī)組的新風(fēng)量、排風(fēng)量相等，不考慮冬季預(yù)熱防霜。

1.2 目標(biāo)參數(shù)的確定

在設(shè)計(jì)階段，熱回收裝置單位新風(fēng)量的全年節(jié)能量可以作為建筑整體能耗評價(jià)的輸入，因此本研究以單位新風(fēng)量的全年節(jié)能量作為計(jì)算的目標(biāo)參數(shù)。全年節(jié)能量的計(jì)算基準(zhǔn)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(diào)時(shí)間段的劃分

為了計(jì)算熱回收裝置的全年節(jié)能量，需要了解暖通空調(diào)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間。在不同的時(shí)間段，暖通空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)不同，因此需要對全年供暖空調(diào)時(shí)間段進(jìn)行劃分。對于居住建筑，其供暖、空調(diào)時(shí)間與冬季、夏季時(shí)間基本一致，因此要進(jìn)行全年供暖空調(diào)時(shí)間段的劃分，先進(jìn)行四季時(shí)間段的劃分。根據(jù)氣象學(xué)中對四季的定義劃分四季的時(shí)間：連續(xù)5日平均氣溫超過10 ℃為入春；連續(xù)5日平均氣溫超過22 ℃為入夏；連續(xù)5日平均氣溫低于22 ℃為入秋；連續(xù)5日平均氣溫低于10 ℃為入冬。

1.4 冬季逐時(shí)節(jié)能量的計(jì)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(jì)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(shí)因熱回收而減少的供熱量，kW；te、to分別為排風(fēng)進(jìn)口、新風(fēng)進(jìn)口溫度，℃；hs、he分別為排風(fēng)進(jìn)口、新風(fēng)進(jìn)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(fēng)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?xì)鉅t供暖，因熱回收而減少的燃?xì)鉅t能耗(轉(zhuǎn)換為電耗)按下式計(jì)算：

(3)

式中 ΔNb為因熱回收而減少的鍋爐能耗(轉(zhuǎn)換為電耗)，kW；φ為天然氣與標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)，取1.21 kg/m3；η1為燃?xì)忮仩t的熱效率；q1為標(biāo)準(zhǔn)天然氣熱值，取9.87 kW·h/m3；q2為發(fā)電煤耗，取0.31 kg/(kW·h)。

因熱回收芯體阻力而增加的新、排風(fēng)機(jī)能耗按下式計(jì)算：

(4)

式中 ΔNf為因熱回收芯體阻力而增加的新、排風(fēng)機(jī)能耗，kW；P為熱回收芯體的阻力，Pa；ηCD為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率，取85.5%[3]；ηF為風(fēng)機(jī)效率，取80%[4]。

因經(jīng)過熱回收芯體新風(fēng)側(cè)和排風(fēng)側(cè)的風(fēng)量和阻力相等，新、排風(fēng)機(jī)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(shí)節(jié)能量按下式計(jì)算：

Nh=ΔNb-ΔNf

(5)

式中Nh為冬季熱回收裝置的逐時(shí)節(jié)能量，kW。

當(dāng)新排風(fēng)進(jìn)口溫差或比焓差較小時(shí)，ΔNb可能小于ΔNf，逐時(shí)節(jié)能量Nh為負(fù)值，即不節(jié)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(fēng)機(jī)可變速，下同)，則此時(shí)應(yīng)切換至旁通狀態(tài)，逐時(shí)節(jié)能量Nh=0。

1.5 夏季逐時(shí)節(jié)能量的計(jì)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(jì)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(shí)因熱回收而減少的制冷量，kW。

采用房間空調(diào)器制冷，因熱回收而減少的制冷電耗按式(8)計(jì)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(diào)器的制冷季節(jié)能效比。

因熱回收芯體阻力而增加的新、排風(fēng)機(jī)能耗ΔNf按式(4)計(jì)算。

如果熱回收裝置不帶旁通功能，其逐時(shí)節(jié)能量按下式計(jì)算：

Nc=ΔNc-ΔNf

(9)

式中Nc為夏季熱回收裝置的逐時(shí)節(jié)能量，kW。

當(dāng)新、排風(fēng)進(jìn)口溫差或比焓差較小時(shí)，ΔNc可能小于ΔNf，逐時(shí)節(jié)能量Nc為負(fù)值，即不節(jié)能。如果熱回收裝置具有旁通功能，則此時(shí)應(yīng)切換至旁通狀態(tài)，逐時(shí)節(jié)能量Nc=0。

1.6 過渡季逐時(shí)節(jié)能量的計(jì)算

對于過渡季采用機(jī)械通風(fēng)的居住建筑，如果熱回收裝置不帶旁通功能，其逐時(shí)節(jié)能量按下式計(jì)算：

Nt=-ΔNf

(10)

式中Nt為過渡季熱回收裝置的逐時(shí)節(jié)能量，kW。

此時(shí)逐時(shí)節(jié)能量Nt為負(fù)值，即不節(jié)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(tài)，逐時(shí)節(jié)能量Nt=0。

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

1.7 全年節(jié)能量的計(jì)算

熱回收裝置單位新風(fēng)量的全年節(jié)能量為冬季節(jié)能量和夏季節(jié)能量及過渡季節(jié)能量之和，按下式計(jì)算：

(11)

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

2 主要?dú)夂騾^(qū)代表城市近零能耗居住建筑中采用熱回收裝置的全年節(jié)能量計(jì)算

2.1 全年節(jié)能量計(jì)算條件

所要計(jì)算的居住建筑滿足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求的基本條件，即室內(nèi)熱濕參數(shù)設(shè)計(jì)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(diào)器作為建筑的冷源，其制冷季能效比為5.40；采用戶式燃?xì)夤┡療崴疇t作為供暖熱源，其熱效率按97%(GB/T 51350—2019規(guī)定燃?xì)夤┡癄t在額定負(fù)荷和部分負(fù)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(jì)算；熱回收新風(fēng)機(jī)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(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》[5]中給出了不同迎面風(fēng)速時(shí)熱回收芯體的壓力損失值，迎面風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)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(fēng)方式分為機(jī)械通風(fēng)、自然通風(fēng)2種。

2.2 季節(jié)劃分

對全國主要?dú)夂騾^(qū)代表城市進(jìn)行季節(jié)劃分，結(jié)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(qū)代表城市季節(jié)劃分

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1過渡季機(jī)械通風(fēng)的居住建筑

對于過渡季機(jī)械通風(fēng)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(fēng)量節(jié)能量計(jì)算結(jié)果分別見表2、3。

2.3.2過渡季自然通風(fēng)的居住建筑

表2 單位風(fēng)量節(jié)能量(顯熱回收、過渡季機(jī)械通風(fēng)) kW·h/(m3/h)

表3 單位風(fēng)量節(jié)能量(全熱回收、過渡季機(jī)械通風(fēng)) kW·h/(m3/h)

對于過渡季自然通風(fēng)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(fēng)量節(jié)能量計(jì)算結(jié)果分別見表4、5。

表4 單位風(fēng)量節(jié)能量(顯熱回收、過渡季自然通風(fēng)) kW·h/(m3/h)

表5 單位風(fēng)量節(jié)能量(全熱回收、過渡季自然通風(fēng)) kW·h/(m3/h)

2.4 結(jié)果分析

2.4.1過渡季機(jī)械通風(fēng)的居住建筑

在主要?dú)夂騾^(qū)哈爾濱、北京、上海、廣州、昆明5個(gè)代表城市的近零能耗居住建筑(過渡季機(jī)械通風(fēng))中，采用顯熱和全熱回收裝置單位風(fēng)量全年節(jié)能量的比較見圖1。

圖1 過渡季機(jī)械通風(fēng)單位風(fēng)量全年節(jié)能量的比較

從氣候區(qū)看，在溫和地區(qū)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(jié)能量均不高于1.22 kW·h/(m3/h)；采用全熱回收的全年節(jié)能量低于顯熱回收，采用不帶旁通的全熱回收的全年節(jié)能量甚至低于零，即不節(jié)能。這是因?yàn)槔ッ鳉夂驕睾?，全年冬季只有一個(gè)多月且不太冷，其他時(shí)間全部是過渡季，采用熱回收的節(jié)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(jié)能量低于顯熱回收。

除了昆明外，其他氣候區(qū)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(jié)能量均呈現(xiàn)出自北向南依次遞減的趨勢。這主要是因?yàn)樵诙臼覂?nèi)外溫差(或比焓差)較大且熱源能源消耗效率較低(按式(3)計(jì)算熱源能源消耗效率為2.45)，而在夏季室內(nèi)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(jié)能主要體現(xiàn)在冬季，冬季時(shí)間越長、天氣越寒冷，采用熱回收裝置的全年節(jié)能量越高。廣州沒有冬季，其采用熱回收裝置的全年節(jié)能量在4個(gè)代表城市中最低，采用不帶旁通的顯熱回收的全年節(jié)能量甚至低于零，即不節(jié)能。

除昆明外的4個(gè)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(shè)置旁通功能的全年節(jié)能量增加0.41～0.61 kW·h/(m3/h)；采用全熱回收裝置并設(shè)置旁通功能的全年節(jié)能量增加0.85～0.90 kW·h/(m3/h)。

2.4.2過渡季自然通風(fēng)的居住建筑

在全國主要?dú)夂騾^(qū)5個(gè)代表城市的近零能耗居住建筑(過渡季自然通風(fēng))中，采用顯熱、全熱回收裝置單位風(fēng)量全年節(jié)能量的比較如圖2所示。

圖2 過渡季自然通風(fēng)單位風(fēng)量全年節(jié)能量的比較

從氣候區(qū)看，過渡季自然通風(fēng)的近零能耗居住建筑中采用熱回收的全年節(jié)能量規(guī)律與過渡季機(jī)械通風(fēng)的近零能耗居住建筑類似，二者的主要區(qū)別體現(xiàn)在旁通功能對過渡季節(jié)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(shè)置旁通控制功能對全年節(jié)能量的提高并不明顯，5個(gè)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(nèi)外溫差(或比焓差)較大且熱源能源消耗效率較低(按式(3)計(jì)算熱源能源消耗效率為2.45)，絕大多數(shù)情況是不滿足旁通條件的，因此5個(gè)代表城市中除廣州沒有冬季外，其他4個(gè)城市熱回收裝置有無旁通功能冬季節(jié)能量基本不變；而在夏季室內(nèi)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(shí)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(dá)5.40，因此5個(gè)代表城市中除昆明沒有夏季外，其他4個(gè)城市的熱回收裝置有旁通功能的夏季節(jié)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(fēng)，即不開啟熱回收新風(fēng)機(jī)組，因此無論其是否具有旁通功能，其節(jié)能量均為零，這也是與過渡季機(jī)械通風(fēng)相比，設(shè)置旁通功能的全年節(jié)能量減小的主要原因。

3 結(jié)論

本文基于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，提出了近零能耗居住建筑中采用新風(fēng)熱回收裝置的全年節(jié)能量計(jì)算方法，并對全國主要?dú)夂騾^(qū)5個(gè)代表城市近零能耗居住建筑中采用熱回收裝置的全年節(jié)能量進(jìn)行了計(jì)算分析(未考慮熱回收芯體結(jié)霜對節(jié)能量的影響)，得到以下結(jié)論：

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

2) 對于除昆明外的4個(gè)代表城市，過渡季采用機(jī)械通風(fēng)的近零能耗居住建筑，采用顯熱回收裝置，其設(shè)置旁通功能增加的全年節(jié)能量在0.41～0.61 kW·h/(m3/h)之間；采用全熱回收裝置，其設(shè)置旁通功能增加的全年節(jié)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(fēng)的近零能耗居住建筑，5個(gè)代表城市熱回收裝置設(shè)置旁通功能對于全年節(jié)能量的提高量均不超過0.34 kW·h/(m3/h)。