夏熱冬冷地區中小學教室中不同新風方式的分析研究

吳毅學，何梅玲，張敏敏，章文杰

（1.浙江大學 建筑設計研究院有限公司，杭州 310028；2.南京理工大學 能源與動力工程學院，南京 210094）

0 引言

建筑空調系統的良好運行為學校教室提供了舒適的環境，如何在保證其舒適的前提下，盡可能地提高其經濟性，減少投資運行成本成為眾多學者研究的方向。學習環境的好壞與學生的學習和健康息息相關，惡劣的教育環境直接會影響到學生的表現，對教室空調系統的節能與學生的表現之間存著一個平衡［1］。臨時性教室由于其功能性質，其空調的制冷制熱效率相對較差，供熱能力降低20%以上［2］。為保證室內空氣質量，教室內換氣次數成為一個關鍵參數。文獻［3］通過在一所小學開展的室內外空氣污染強化測量活動，調查了室內外顆粒物數量濃度的相關性以及空氣交換率對室內顆粒物濃度的影響。結果表明換氣次數越多，室內空氣中顆粒物數量越小。教室內部的空氣質量和熱環境也與季節變化有關，美國中西部教室的調查研究結果表明，教室內的濕度、換氣速率、顆粒物數量以及甲醛濃度都有較大的季節性變化［4］。

空調建筑群會對城市微氣候產生一定的影響，通過人們在無空調學校建筑中的舒適性，可以控制建筑能耗，減少對周邊室外環境的影響［5］。文獻［6］研究了暴露在空調房不同時間后，受試者在自然通風的教室內的熱感覺情況。研究結果表明，前期在空調房內暴露時間越久，后面進入自然通風的教室內時明顯感覺較熱。夏熱冬冷地區，空調是學校必不可少的設備，且耗能巨大。基于TRNSYS軟件，對用于大學教室內的中央空調系統進行優化設計，前后系統對比發現，采用新的控制方式，能耗可以節約15.27%［7］。全熱交換器作為新興空調設備，尤其是轉輪全熱交換器能量回收效率高，維護方便，聯合全新風處理機組的使用可以在保證新風供應的同時降低新風處理能耗［8］。近些年其被廣泛用于各種場合，對其性能及應用情況的研究也很多。室外溫度和濕度等氣候條件都會對全熱交換器的回收效率產生影響，文獻［9］對不同季節的典型氣候日的全熱交換器的潛熱和顯熱回收效率進行了連續實測，并結合濕度勢理論對實測結果進行了分析。文獻［10-11］研究了德國南部被動式學校建筑在帶熱回收的空調機組作用下，其室內的環境情況以及夜間制冷能效。在后續的研究中，又對學校建筑中的能耗情況進行了計算，結果表明隨著通風設備熱回收效率的提高，可以降低教室通風降溫的能源需求，空調機組的節能率隨著送風溫度的升高而降低。全熱交換器一定程度上減少了耗能，但并不適用于所有場合。文獻［12］比較分析了全熱交換器在不同室內外空氣參數下能量回收性能，結果表明，北京在冬季回收量的最大值是過渡季和夏季的10倍，上海則為5.5倍，過渡季和夏季的全熱回收量與冬季相比是微小的。文獻［13］實測了華東地區某實驗建筑中的新風熱回收系統的實際節能效率，實驗表明在過渡季節則無顯著節能效果。文獻［14］利用ENERGY PLUS軟件對上海某住宅室內空氣溫度、CO2濃度、PM2.5濃度以及空調能耗進行模擬，并與實測結果進行對比修正。從模擬結果來看，全熱交換器于上海住宅并不能體現出較好的節能優勢。

當前針對學校教室等建筑的研究主要集中在其室內環境的舒適性上，對其空調系統的研究則主要集中在大學的一些特殊建筑，例如圖書館，游泳館，劇場等，對中小學教室空調系統的研究非常少［15-17］。關于變制冷劑流量多聯分體式空調系統（以下簡稱多聯機）結合全熱交換器系統在中小學教室中的應用研究基本沒有涉及。本文基于中小學教室的特殊功能性，對夏熱冬冷地區中小學教室中不同新風方式的耗能情況進行了模擬分析，為未來中小學教室空調系統的設計研究提供參考。

1 研究方法

1.1 房間概況

本文研究對象為一個長×寬×高為10 m×9 m×4.2 m的教室，位于杭州。教室共有兩面外墻，分別朝南和朝北，朝南的外墻窗墻比約為0.4，朝北的外墻窗墻比約為0.6。東西朝向的墻均為內墻，鄰室設空調，負荷計算過程中不考慮鄰室傳熱。朝南的外墻上，設兩頭外門，尺寸為寬×高：1 m×2.3 m。教室可容納45～50位學生。教室平面結構如圖1所示。

圖1 教室平面示意Fig.1 Classroom plan

1.2 空調系統及運行規則

空調系統的形式多樣，本文主要研究多聯機+全熱交換器系統與多聯機+通風機兩種空調系統在夏熱冬冷地區的中小學教室中的適用性情況。因此，本文主要對以上兩套空調系統進行了模擬。空調的選型參考鴻業負荷計算8.0結合DeST軟件模擬計算的結果選擇。

介于教室的使用特性，本文規定，空調僅在工作日的 7：00～17：00 之間運行，夜間，周末，以及寒暑假（本文定義1月16日至2月10日為寒假，7月和8月為暑假）均停止運行。

1.3 計算軟件

本文主要采用DeST軟件對對象教室進行負荷計算以及不同空調系統下的全年能耗模擬。

鴻業負荷計算軟件（空調負荷計算工具）是一款非常方便實用的計算空調負荷的輔助工具。其采用諧波反應法或輻射時間序列法（RTS）計算空調冷負荷，能夠滿足任意地點、任意朝向，不同圍護結構類型和不同房間類型的空調逐項逐時冷負荷計算要求。本文主要利用鴻業負荷計算8.0對對象教室進行負荷的計算以用于教室的設備選型。

2 研究結果

2.1 主要參數設定

負荷計算及能耗模擬過程中，教室主要參數的設定參照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》以及GB50189—2015《公共建筑節能設計標準》等規范，鴻業負荷計算8.0軟件與DeST軟件的參數設定基本保持一致，具體數據見表1。

表1 教室主要參數Tab.1 Main parameters of the classroom

2.2 負荷計算結果及設備選型

鴻業負荷計算8.0軟件對教室的負荷計算過程中，除了不考慮鄰室傳熱之外，同樣不考慮地面及樓板之間的傳熱。教室人員新風量根據計算為1 080 m3/h，夏季總冷負荷為22.74 kW，夏季總冷負荷（含新風）指標為252.64 W/m2，冬季總熱負荷為14.97 kW，冬季總熱負荷（含新風）指標為166.23 W/m2。DeST軟件計算了教室全年的逐時負荷，冷負荷的峰值出現在6月29日14：00，其值為27.53 kW。教室熱負荷的峰值出現在1月22日7：00，其值為13.34 kW。兩個軟件計算的負荷基本吻合，但由于軟件本身，基本參數設定，數據庫來源，計算原則等的差異原因，兩者計算結果之間存在略微差異。2個軟件所計算的教室總冷熱負荷見圖2所示。

圖2 教室總冷熱負荷Fig.2 Total cooling and heating load of the classroom

根據負荷計算結果，教室多聯機選擇FXSP125室內機2臺+8P室外機1臺。多聯機室內機單臺制冷量為12.5 kW，額定功率為90 W，多聯機室外機制冷量為22.5 kW，制冷功率為5.24 kW，制熱功率為5.74 kW。室內外機配比率為111：100。全熱交換器數量1臺，其送風量為1 600 m3/h，功率為0.74 kW。通風機數量1臺，通風量為1 500 m3/h，其功率為0.28 kW。

2.3 能耗模擬結果

利用DeST軟件對教室多聯機的全年耗能情況進行模擬，多聯機全年逐月能耗情況如圖3所示。

圖3 多聯機全年逐月能耗情況Fig.3 Monthly energy consumption of the VRF system throughout the year

通風機工況定義為熱回收率為0，全熱交換器工況則分別模擬了熱回收率在0.2～0.7之間的情況。根據教室的使用時間，圖3所示的逐月能耗已剔除掉空調不運行期間的多聯機耗能量。由圖可知，由于1月和2月存在寒假，有部分時間多聯機未運行，故整體上1月及2月耗能最少。去除掉暑假（7月和8月）數據后，6月與9月的多聯機耗能相對較高，因為此階段冷負荷相對較大。在較冷和較熱的時候（1月，2月，12月，6月），多聯機的耗能情況隨著全熱交換器熱回收率的升高而降低，而在過渡季節（3月～5月，9月～11月），多聯機的能耗反而隨著熱回收率的升高而升高。由此可見，全熱交換器只適用于極端天氣而不適用于過渡季節。

2.4 經濟性分析

對多聯機全年的逐時運行功率進行統計分析。全年按365天計，共8 760 h，去除掉所有工況均不運行的時間，多聯機全年運行1 114 h。多聯機全年逐時耗能情況如圖5所示。由圖可知，多聯機的最大運行功率超過5.25 kW，基本為滿負荷運行。平均值和中位數基本在3 kW左右，上四分位線約為3.7 kW，下四分位線約為2.5 kW，多聯機較多的時間在此范圍內運行。不論采用何新風供給方式（不同熱回收率的全熱交換器或者通風機），多聯機的全年逐時耗能情況存在的差異很少。

圖4 多聯機全年逐時耗能情況Fig.4 Hourly energy consumption of the VRF throughout the year

對空調系統（多聯機+新風）的運行能耗進行分析，空調運行能耗情況如圖5所示。教室的空調運行模式工況，全年能耗在全熱交換器熱回收率為0.2時，耗能最低，約為3 148.57 kW·h。熱交換器回收率越高，其能耗反而增加更多，這可能是有較多的時間，室外焓值低于室內焓值造成的。當新風采用通風機直接送風時，其耗能約為3 219.04 kW·h，全年能耗差距較小。通風機運行1 114 h需要耗能311.92 kW·h，全熱交換器運行1 114 h則需要耗電824.36 kW·h。教室空調運行模式，多聯機節約的耗電量遠不及全熱交換器增加的耗電量。因此，就運行能耗上而言，全熱交換器并不適用于夏熱冬冷地區的中小學教室。

圖5 空調運行能耗情況Fig.5 Energy consumption for air conditioning operation

全熱交換器的運行模式在定制情況下可實現僅送風，無回風模式。夏熱冬冷地區，過渡季節使用空調頻率較低，故僅提取1月，2月，6月，12月數據進行能耗比較（由2.3可知，在這4個月，多聯機能耗隨著熱回收率的升高而減低），此4月的能耗情況見表2所。

表2 非過渡季節空調運行能耗Tab.2 Energy consumption of air conditioning operation in non-transitional season

在這4個月，多聯機運行351 h，通風機工況，多聯機能耗為1 275.44 kW·h，熱回收率為0.7的工況，多聯機能耗為1043.84 kW·h。通風機運行4個月，能耗為98.28 kW·h，全熱交換器運行4個月，能耗為259.74 kW·h。對空調系統運行時間內的COP進行平均，新風采用通風機工況，系統的COP略低于全熱交換器的工況。若教室僅在此4個月運行空調，采用全熱交換器送新風的模式，全年可以節約用電約45 kW·h。

根據廣材網建筑工程造價行業材料價格查詢平臺，對送風量為1 500 m3/h的全熱交換器以及通風機的市場價格進行統計分析。由表3可知，全熱交換器的市場價普遍要高于通風機的市場價。通風機選用聚英JDF-J靜音管道風機，全熱交換器選用羅特CXH-15D，對本文空調系統進行投資回收期計算，全熱交換器比通風機前期投資多1 128元。電價按照0.588元/kW·h計算，全熱交換器每年比通風機約節約27元。前期投資結合運行費用，教室新風采用全熱交換器的模式，投資回收期超過40年。由此可見，整體性價比而言，全熱交換器并不適用于夏熱冬冷地區的教室。

表3 全熱交換器及風機市場價格Tab.3 Market price list of total heat exchanger and fan

3 結論

本文通過對教室負荷的計算以及全年空調能耗的模擬分析，主要得出以下結論：

（1）夏熱冬冷地區，新風采用全熱交換器供給，在極端季節，對多聯機的耗能能起到一定程度的節約。

（2）夏熱冬冷地區，全熱交換器用于教室送新風，節約的能耗極其有限，整體投資回收期過長，不適用于中小學教室的新風供給。

（3）全熱交換器的使用能一定程度上降低多聯機的能耗，但由于其本身耗能大于通風機的耗能，空調系統整體能耗未必處于較低狀態。