兩種運(yùn)行方式下的新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能分析

李 雙，白 莉，朱 林，王楊洋，張 語(yǔ)

（吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130114）

0 引言

新風(fēng)系統(tǒng)是滿足室內(nèi)人員舒適性、保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的最佳選擇，同時(shí)，新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)致空調(diào)冷熱負(fù)荷增加。為降低新風(fēng)系統(tǒng)帶來(lái)的新風(fēng)負(fù)荷，目前新風(fēng)系統(tǒng)通常安裝熱回收裝置。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)熱回收裝置的節(jié)能性進(jìn)行了大量研究。張沖等[1]通過(guò)對(duì)哈爾濱、北京、武漢、廣州等地采用熱回收裝置節(jié)能量分析，表明嚴(yán)寒地區(qū)的熱回收性能最好。還有一部分學(xué)者對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行控制方案進(jìn)行研究，如：大連理工大學(xué)等[2-3]通過(guò)對(duì)居住建筑新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行策略模擬計(jì)算，表明冷風(fēng)耗熱量可降低14%，節(jié)能量明顯。本文以帶有熱回收裝置的新風(fēng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析新風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)人員作息規(guī)律、室內(nèi)污染物濃度控制新風(fēng)系統(tǒng)啟閉時(shí)的節(jié)能性。

1 新風(fēng)系統(tǒng)的組成

實(shí)驗(yàn)裝置是一種帶凈化和熱回收功能的新風(fēng)系統(tǒng)[4]，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)人們作息規(guī)律、室內(nèi)污染物濃度控制新風(fēng)系統(tǒng)啟閉，簡(jiǎn)稱智能化運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由熱交換裝置1、排風(fēng)機(jī)2、送風(fēng)機(jī)3、控制器4 及控制器5 組成?？刂破? 可根據(jù)人們作息規(guī)律調(diào)整新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間控制新風(fēng)系統(tǒng)啟閉，控制器5 則是根據(jù)污染物傳感器檢測(cè)到的室內(nèi)污染物平均濃度控制新風(fēng)系統(tǒng)啟閉。室外新風(fēng)在送風(fēng)機(jī)作用下進(jìn)入熱交換裝置，與同時(shí)進(jìn)入熱交換裝置的排風(fēng)進(jìn)行能量交換，新風(fēng)吸收排風(fēng)中的熱（冷）量，新風(fēng)出口溫度升高（降低）且排風(fēng)出口溫度降低（升高），分別設(shè)新風(fēng)進(jìn)、出口溫度為t1，t2，排風(fēng)進(jìn)、出口溫度為t3，t4。

2 新風(fēng)系統(tǒng)的智能化運(yùn)行

2.1 根據(jù)作息規(guī)律控制啟閉

居住建筑室內(nèi)人員作息較規(guī)律，新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間具有規(guī)律性。根據(jù)作息規(guī)律控制啟閉可根據(jù)新風(fēng)系統(tǒng)的前一段時(shí)間使用情況，設(shè)定當(dāng)日啟閉時(shí)間。如：假設(shè)人員近幾天都在17：00 回家，次日8：00離開(kāi)家。新風(fēng)系統(tǒng)會(huì)記憶一段時(shí)間的運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)記憶分析設(shè)定當(dāng)天運(yùn)行時(shí)間為17：00 ～8：00（次日）?？紤]新風(fēng)系統(tǒng)的凈化時(shí)間，新風(fēng)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行時(shí)間，如：提前開(kāi)啟和延時(shí)關(guān)閉，這樣可確保人們回到家時(shí)室內(nèi)的空氣品質(zhì)，且避免室內(nèi)有害物在室內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留。

而對(duì)于使用規(guī)律不明顯或者使用頻率不高的居住建筑，可實(shí)施紅外跟蹤檢測(cè)模糊定時(shí)，以確定新風(fēng)系統(tǒng)啟閉時(shí)間?？筛鶕?jù)一般規(guī)律粗略設(shè)定運(yùn)行時(shí)間，并設(shè)人體紅外感應(yīng)器實(shí)時(shí)檢測(cè)人體。只有在設(shè)定內(nèi)且檢測(cè)到人體時(shí)，新風(fēng)系統(tǒng)才會(huì)開(kāi)啟；否則新風(fēng)系統(tǒng)不開(kāi)啟，其流程見(jiàn)圖2。當(dāng)短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到人體時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)不會(huì)啟動(dòng)，這樣可避免新風(fēng)系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)進(jìn)而增加新風(fēng)系統(tǒng)能耗。

2.2 根據(jù)室內(nèi)污染物濃度自動(dòng)啟閉

新風(fēng)系統(tǒng)控制器5 中設(shè)置了人體感應(yīng)傳感器、PM2.5 傳感器、甲醛傳感器及CO2傳感器等，并且實(shí)現(xiàn)全天24 h 實(shí)時(shí)檢測(cè)。傳感器檢測(cè)到的室內(nèi)空氣中污染物濃度作為實(shí)測(cè)值，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求確定新風(fēng)系統(tǒng)啟閉的控制值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(fēng)系統(tǒng)將根據(jù)特定設(shè)計(jì)程序控制啟閉如下：第1 步，對(duì)比污染物實(shí)測(cè)濃度和控制值，當(dāng)任意污染物濃度超過(guò)控制值時(shí)，新風(fēng)系統(tǒng)不啟動(dòng)；第2 步，人體感應(yīng)傳感器檢測(cè)室內(nèi)是否有人，且僅當(dāng)污染物超標(biāo)，同時(shí)室內(nèi)有人停留時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)，否則新風(fēng)系統(tǒng)不啟動(dòng)；第3步，新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后污染物濃度會(huì)降低，當(dāng)?shù)陀诟髯钥刂浦档?/2 或者人體感應(yīng)器檢測(cè)室內(nèi)無(wú)人時(shí)，新風(fēng)系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉，如此重復(fù)。

3 新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)負(fù)荷、能耗分析

為分析新風(fēng)系統(tǒng)在上述運(yùn)行方式下的節(jié)能性，選取嚴(yán)寒地區(qū)典型城市長(zhǎng)春市某住宅作為測(cè)試對(duì)象。該住宅面積為80 m2，層高為4 m，確定換氣次數(shù)為0.5 次/h，因此新風(fēng)量為160 m3。國(guó)內(nèi)學(xué)者[7]對(duì)北京某辦公建筑設(shè)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(jié)能性。根據(jù)DeST 模擬軟件確定長(zhǎng)春市和北京市的全年逐時(shí)室外干球溫度，如圖3 所示，可看出長(zhǎng)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(nèi)外溫差更小，分析可知長(zhǎng)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(zhǎng)春市回收性能分析不考慮夏季，主要考慮冬季的回?zé)崃俊８鶕?jù)規(guī)范[8]規(guī)定居住建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20 ℃為宜，能夠滿足人體舒適性和節(jié)能性要求。

3.1 新風(fēng)系統(tǒng)熱回收

新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行熱回收，則其冬季新風(fēng)顯熱負(fù)荷計(jì)算公式如下：

式中：Q 為單位時(shí)間房間的新風(fēng)負(fù)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(fēng)系統(tǒng)新風(fēng)量，假定為 160 m3/h；t2，τ 為經(jīng)過(guò)熱交換的新風(fēng)溫度，℃；t2可根據(jù) t2=t1+η（t3-t1）得出，式中：η 為新風(fēng)系統(tǒng)的顯熱回收效率，取70%；t3為室內(nèi)空氣溫度，℃。在供暖期連續(xù)運(yùn)行時(shí)，計(jì)算運(yùn)行時(shí)間為3 960 h。

新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行熱回收同時(shí)空氣流動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致新風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗增加，新風(fēng)系統(tǒng)單位時(shí)間增加的能耗計(jì)算如下：

式中：ΔNx為新風(fēng)管路增加的風(fēng)機(jī)軸功率，W；ΔNp為排風(fēng)管路增加的風(fēng)機(jī)軸功率，W；ηtd為風(fēng)機(jī)傳動(dòng)效率，取0.95；ηdj為電動(dòng)機(jī)功率，取0.8。在整個(gè)供暖季消耗的總能耗為 W=wτ，τ 為運(yùn)行時(shí)間，h。

因阻力變化風(fēng)機(jī)軸功率的增量通過(guò)下式計(jì)算：

式中：ΔN 為風(fēng)機(jī)軸功率，W；G 為新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量，m3/h，設(shè)新排風(fēng)比為1；ΔP 為新風(fēng)系統(tǒng)增加熱回收裝置產(chǎn)生的壓力降，Pa；送風(fēng)、排風(fēng)壓力降分別取65 Pa，90 Pa；ηtf為風(fēng)機(jī)效率，取 0.63。

新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行熱回收增加的風(fēng)機(jī)能耗W 為電量，若空調(diào)消耗同樣功耗W，則可得到空調(diào)制冷（熱）量E 為：

式中：ε 為空調(diào)冬季制熱系數(shù)，一般取2.3。

3.2 新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行

1）根據(jù)人們作息規(guī)律控制新風(fēng)系統(tǒng)啟閉

根據(jù)人們作息規(guī)律控制新風(fēng)系統(tǒng)啟閉，假定新風(fēng)系統(tǒng)在17：00～次日 8：00 間運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為 2 640 h。長(zhǎng)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(nèi)空氣的溫差大，新風(fēng)系統(tǒng)在夜間的熱回收效果也會(huì)更明顯。通過(guò)對(duì)寒冷地區(qū)北京、夏熱冬冷地區(qū)長(zhǎng)沙和夏熱冬暖地區(qū)南寧的熱回收效果進(jìn)行對(duì)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(jié)能潛力指數(shù)則將近10[9]。

2）根據(jù)室內(nèi)污染物濃度控制新風(fēng)系統(tǒng)啟閉

研究表明對(duì)新裝居住建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)測(cè)試是非常必要的[10]。因此本文選擇某新裝修居住建筑進(jìn)行CO2、甲醛、PM2.5 濃度檢測(cè)，測(cè)試過(guò)程中門窗緊閉，實(shí)驗(yàn)周期為 24 h，實(shí)驗(yàn)在 22：00～22：30 之間對(duì)室內(nèi)進(jìn)行開(kāi)窗通風(fēng)，室內(nèi)CO2、甲醛、PM2.5 的濃度變化情況如圖4 所示。

表1 不同運(yùn)行方式下新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能量對(duì)比

根據(jù)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(nèi)PM2.5 濃度也處于較低水平，一直不超標(biāo)，檢測(cè)當(dāng)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(shí)間內(nèi)，CO2平均濃度超過(guò)1 000 ppm，達(dá)到CO2濃度上限。從圖4（c）可知，甲醛平均濃度一直處于超標(biāo)狀態(tài)，僅在 22：00～1：00（次日）之間室內(nèi)甲醛的小時(shí)平均濃度未超標(biāo)，通過(guò)對(duì)以上3 種污染情況分析，確定新風(fēng)系統(tǒng)需要在 17：00～21：00 和 24：00～8：00時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，則新風(fēng)系統(tǒng)供暖期運(yùn)行時(shí)間為2 310 h。

新風(fēng)系統(tǒng)智能化運(yùn)行產(chǎn)生的新風(fēng)負(fù)荷和風(fēng)機(jī)能耗通過(guò)式（1）～（4）計(jì)算出，將新風(fēng)系統(tǒng)在供暖期內(nèi)連續(xù)運(yùn)行、智能化運(yùn)行時(shí)的新風(fēng)負(fù)荷、風(fēng)機(jī)增加能耗、空調(diào)系統(tǒng)消耗同樣電能的制熱量及節(jié)能量列于表1，并對(duì)比了新風(fēng)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行和上述2 種運(yùn)行方式的能耗，如圖5 所示。

通過(guò)圖5 可知，在供暖季新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)行上述2種運(yùn)行方式的新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗將分別減少2 534.7 MJ，2 679.99 MJ，同時(shí)，新風(fēng)負(fù)荷將分別減少1 968.55 MJ，1 972.3 MJ，從表 1 可知風(fēng)機(jī)消耗電能將減少68.38 MJ，85.47 MJ，空調(diào)系統(tǒng)制熱量將減少566.51 MJ，707.69 MJ。同時(shí)，可以看出新風(fēng)負(fù)荷下降趨勢(shì)較為明顯；表明帶有熱回收的新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)行上述2 種運(yùn)行方式對(duì)減少新風(fēng)系統(tǒng)能耗、空調(diào)負(fù)荷影響較顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有熱回收裝置，提出了根據(jù)人們作息規(guī)律、室內(nèi)污染物濃度控制新風(fēng)系統(tǒng)啟閉的智能化運(yùn)行方式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出新風(fēng)系統(tǒng)采用上述2 種運(yùn)行方式時(shí)，在每個(gè)供暖季新風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗可分別減少2 534.7 MJ，2 679.99 MJ，同時(shí)，采用2 種運(yùn)行方式對(duì)減少新風(fēng)系統(tǒng)引起的熱負(fù)荷及建筑總負(fù)荷具有重要意義。