兩種運行方式下的新風系統節能分析

李 雙，白 莉，朱 林，王楊洋，張 語

（吉林建筑科技學院，吉林 長春 130114）

0 引言

新風系統是滿足室內人員舒適性、保證室內空氣品質的最佳選擇，同時，新風系統運行導致空調冷熱負荷增加。為降低新風系統帶來的新風負荷，目前新風系統通常安裝熱回收裝置。國內學者針對熱回收裝置的節能性進行了大量研究。張沖等[1]通過對哈爾濱、北京、武漢、廣州等地采用熱回收裝置節能量分析，表明嚴寒地區的熱回收性能最好。還有一部分學者對新風系統運行控制方案進行研究，如：大連理工大學等[2-3]通過對居住建筑新風系統運行策略模擬計算，表明冷風耗熱量可降低14%，節能量明顯。本文以帶有熱回收裝置的新風系統作為研究對象，分析新風系統根據人員作息規律、室內污染物濃度控制新風系統啟閉時的節能性。

1 新風系統的組成

實驗裝置是一種帶凈化和熱回收功能的新風系統[4]，可實現根據人們作息規律、室內污染物濃度控制新風系統啟閉，簡稱智能化運行，其結構見圖1，主要由熱交換裝置1、排風機2、送風機3、控制器4 及控制器5 組成。控制器4 可根據人們作息規律調整新風系統運行時間控制新風系統啟閉，控制器5 則是根據污染物傳感器檢測到的室內污染物平均濃度控制新風系統啟閉。室外新風在送風機作用下進入熱交換裝置，與同時進入熱交換裝置的排風進行能量交換，新風吸收排風中的熱（冷）量，新風出口溫度升高（降低）且排風出口溫度降低（升高），分別設新風進、出口溫度為t1，t2，排風進、出口溫度為t3，t4。

2 新風系統的智能化運行

2.1 根據作息規律控制啟閉

居住建筑室內人員作息較規律，新風系統運行時間具有規律性。根據作息規律控制啟閉可根據新風系統的前一段時間使用情況，設定當日啟閉時間。如：假設人員近幾天都在17：00 回家，次日8：00離開家。新風系統會記憶一段時間的運行時間，根據記憶分析設定當天運行時間為17：00 ～8：00（次日）。考慮新風系統的凈化時間，新風系統會自動調整運行時間，如：提前開啟和延時關閉，這樣可確保人們回到家時室內的空氣品質，且避免室內有害物在室內長時間停留。

而對于使用規律不明顯或者使用頻率不高的居住建筑，可實施紅外跟蹤檢測模糊定時，以確定新風系統啟閉時間。可根據一般規律粗略設定運行時間，并設人體紅外感應器實時檢測人體。只有在設定內且檢測到人體時，新風系統才會開啟；否則新風系統不開啟，其流程見圖2。當短時間內檢測到人體時新風系統不會啟動，這樣可避免新風系統頻繁啟動進而增加新風系統能耗。

2.2 根據室內污染物濃度自動啟閉

新風系統控制器5 中設置了人體感應傳感器、PM2.5 傳感器、甲醛傳感器及CO2傳感器等，并且實現全天24 h 實時檢測。傳感器檢測到的室內空氣中污染物濃度作為實測值，根據相關規范要求確定新風系統啟閉的控制值，根據標準規定[5-6]，CO2濃度上限值為1 000 ppm，甲醛濃度上限值為0.10 mg/m3，PM2.5 濃度上限值為75 ug/m3。新風系統將根據特定設計程序控制啟閉如下：第1 步，對比污染物實測濃度和控制值，當任意污染物濃度超過控制值時，新風系統不啟動；第2 步，人體感應傳感器檢測室內是否有人，且僅當污染物超標，同時室內有人停留時新風系統啟動，否則新風系統不啟動；第3步，新風系統運行一段時間后污染物濃度會降低，當低于各自控制值的1/2 或者人體感應器檢測室內無人時，新風系統將自動關閉，如此重復。

3 新風系統的新風負荷、能耗分析

為分析新風系統在上述運行方式下的節能性，選取嚴寒地區典型城市長春市某住宅作為測試對象。該住宅面積為80 m2，層高為4 m，確定換氣次數為0.5 次/h，因此新風量為160 m3。國內學者[7]對北京某辦公建筑設顯熱回收裝置研究表明夏、冬季可回收冷、熱量之比只有11.5%。因此，本文主要分析熱回收裝置在冬季的節能性。根據DeST 模擬軟件確定長春市和北京市的全年逐時室外干球溫度，如圖3 所示，可看出長春市在1月—6月，10月—12月室外干球溫度更低，夏季工況溫度主要集中在24℃左右，室內外溫差更小，分析可知長春市夏季采用顯熱回收裝置回收冷量占冬季回收熱量比例將更小。因此，長春市回收性能分析不考慮夏季，主要考慮冬季的回熱量。根據規范[8]規定居住建筑室內設計溫度為20 ℃為宜，能夠滿足人體舒適性和節能性要求。

3.1 新風系統熱回收

新風系統進行熱回收，則其冬季新風顯熱負荷計算公式如下：

式中：Q 為單位時間房間的新風負荷，kJ/h；Cp為空氣定壓比熱容，kJ/（kg·℃），取1.005 kJ/（kg·℃）；ρ 為空氣密度，取1.2 kg/m3；G 為新風系統新風量，假定為 160 m3/h；t2，τ 為經過熱交換的新風溫度，℃；t2可根據 t2=t1+η（t3-t1）得出，式中：η 為新風系統的顯熱回收效率，取70%；t3為室內空氣溫度，℃。在供暖期連續運行時，計算運行時間為3 960 h。

新風系統進行熱回收同時空氣流動阻力增加，導致新風系統風機能耗增加，新風系統單位時間增加的能耗計算如下：

式中：ΔNx為新風管路增加的風機軸功率，W；ΔNp為排風管路增加的風機軸功率，W；ηtd為風機傳動效率，取0.95；ηdj為電動機功率，取0.8。在整個供暖季消耗的總能耗為 W=wτ，τ 為運行時間，h。

因阻力變化風機軸功率的增量通過下式計算：

式中：ΔN 為風機軸功率，W；G 為新風系統的風量，m3/h，設新排風比為1；ΔP 為新風系統增加熱回收裝置產生的壓力降，Pa；送風、排風壓力降分別取65 Pa，90 Pa；ηtf為風機效率，取 0.63。

新風系統進行熱回收增加的風機能耗W 為電量，若空調消耗同樣功耗W，則可得到空調制冷（熱）量E 為：

式中：ε 為空調冬季制熱系數，一般取2.3。

3.2 新風系統實現智能化運行

1）根據人們作息規律控制新風系統啟閉

根據人們作息規律控制新風系統啟閉，假定新風系統在17：00～次日 8：00 間運行，運行時間為 2 640 h。長春冬季日平均溫度高于夜間室外平均溫度，夜間室外空氣與室內空氣的溫差大，新風系統在夜間的熱回收效果也會更明顯。通過對寒冷地區北京、夏熱冬冷地區長沙和夏熱冬暖地區南寧的熱回收效果進行對比分析，表明室外平均溫度中北京的最低，而北京的全熱回收的節能潛力指數則將近10[9]。

2）根據室內污染物濃度控制新風系統啟閉

研究表明對新裝居住建筑室內空氣品質測試是非常必要的[10]。因此本文選擇某新裝修居住建筑進行CO2、甲醛、PM2.5 濃度檢測，測試過程中門窗緊閉，實驗周期為 24 h，實驗在 22：00～22：30 之間對室內進行開窗通風，室內CO2、甲醛、PM2.5 的濃度變化情況如圖4 所示。

表1 不同運行方式下新風系統的節能量對比

根據上文可知，一般居住建筑在 17：00～8：00（次日）期間家里有人。從圖4（a）可知，室內PM2.5 濃度也處于較低水平，一直不超標，檢測當天室外PM2.5平均濃度為 20 μg/m3；從圖 4（b）可知，在 4：00～11：00 時間內，CO2平均濃度超過1 000 ppm，達到CO2濃度上限。從圖4（c）可知，甲醛平均濃度一直處于超標狀態，僅在 22：00～1：00（次日）之間室內甲醛的小時平均濃度未超標，通過對以上3 種污染情況分析，確定新風系統需要在 17：00～21：00 和 24：00～8：00時間內運行，則新風系統供暖期運行時間為2 310 h。

新風系統智能化運行產生的新風負荷和風機能耗通過式（1）～（4）計算出，將新風系統在供暖期內連續運行、智能化運行時的新風負荷、風機增加能耗、空調系統消耗同樣電能的制熱量及節能量列于表1，并對比了新風系統連續運行和上述2 種運行方式的能耗，如圖5 所示。

通過圖5 可知，在供暖季新風系統實行上述2種運行方式的新風系統運行能耗將分別減少2 534.7 MJ，2 679.99 MJ，同時，新風負荷將分別減少1 968.55 MJ，1 972.3 MJ，從表 1 可知風機消耗電能將減少68.38 MJ，85.47 MJ，空調系統制熱量將減少566.51 MJ，707.69 MJ。同時，可以看出新風負荷下降趨勢較為明顯；表明帶有熱回收的新風系統實行上述2 種運行方式對減少新風系統能耗、空調負荷影響較顯著。

4 結語

本文在新風系統設有熱回收裝置，提出了根據人們作息規律、室內污染物濃度控制新風系統啟閉的智能化運行方式，并通過實驗數據計算出新風系統采用上述2 種運行方式時，在每個供暖季新風系統的運行能耗可分別減少2 534.7 MJ，2 679.99 MJ，同時，采用2 種運行方式對減少新風系統引起的熱負荷及建筑總負荷具有重要意義。