夏熱冬冷地區(qū)中小學(xué)教室中不同新風(fēng)方式的分析研究

吳毅學(xué)，何梅玲，張敏敏，章文杰

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

0 引言

建筑空調(diào)系統(tǒng)的良好運(yùn)行為學(xué)校教室提供了舒適的環(huán)境，如何在保證其舒適的前提下，盡可能地提高其經(jīng)濟(jì)性，減少投資運(yùn)行成本成為眾多學(xué)者研究的方向。學(xué)習(xí)環(huán)境的好壞與學(xué)生的學(xué)習(xí)和健康息息相關(guān)，惡劣的教育環(huán)境直接會影響到學(xué)生的表現(xiàn)，對教室空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與學(xué)生的表現(xiàn)之間存著一個平衡［1］。臨時性教室由于其功能性質(zhì)，其空調(diào)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(nèi)空氣質(zhì)量，教室內(nèi)換氣次數(shù)成為一個關(guān)鍵參數(shù)。文獻(xiàn)［3］通過在一所小學(xué)開展的室內(nèi)外空氣污染強(qiáng)化測量活動，調(diào)查了室內(nèi)外顆粒物數(shù)量濃度的相關(guān)性以及空氣交換率對室內(nèi)顆粒物濃度的影響。結(jié)果表明換氣次數(shù)越多，室內(nèi)空氣中顆粒物數(shù)量越小。教室內(nèi)部的空氣質(zhì)量和熱環(huán)境也與季節(jié)變化有關(guān)，美國中西部教室的調(diào)查研究結(jié)果表明，教室內(nèi)的濕度、換氣速率、顆粒物數(shù)量以及甲醛濃度都有較大的季節(jié)性變化［4］。

空調(diào)建筑群會對城市微氣候產(chǎn)生一定的影響，通過人們在無空調(diào)學(xué)校建筑中的舒適性，可以控制建筑能耗，減少對周邊室外環(huán)境的影響［5］。文獻(xiàn)［6］研究了暴露在空調(diào)房不同時間后，受試者在自然通風(fēng)的教室內(nèi)的熱感覺情況。研究結(jié)果表明，前期在空調(diào)房內(nèi)暴露時間越久，后面進(jìn)入自然通風(fēng)的教室內(nèi)時明顯感覺較熱。夏熱冬冷地區(qū)，空調(diào)是學(xué)校必不可少的設(shè)備，且耗能巨大?；赥RNSYS軟件，對用于大學(xué)教室內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，前后系統(tǒng)對比發(fā)現(xiàn)，采用新的控制方式，能耗可以節(jié)約15.27%［7］。全熱交換器作為新興空調(diào)設(shè)備，尤其是轉(zhuǎn)輪全熱交換器能量回收效率高，維護(hù)方便，聯(lián)合全新風(fēng)處理機(jī)組的使用可以在保證新風(fēng)供應(yīng)的同時降低新風(fēng)處理能耗［8］。近些年其被廣泛用于各種場合，對其性能及應(yīng)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(chǎn)生影響，文獻(xiàn)［9］對不同季節(jié)的典型氣候日的全熱交換器的潛熱和顯熱回收效率進(jìn)行了連續(xù)實(shí)測，并結(jié)合濕度勢理論對實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［10-11］研究了德國南部被動式學(xué)校建筑在帶熱回收的空調(diào)機(jī)組作用下，其室內(nèi)的環(huán)境情況以及夜間制冷能效。在后續(xù)的研究中，又對學(xué)校建筑中的能耗情況進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明隨著通風(fēng)設(shè)備熱回收效率的提高，可以降低教室通風(fēng)降溫的能源需求，空調(diào)機(jī)組的節(jié)能率隨著送風(fēng)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(xiàn)［12］比較分析了全熱交換器在不同室內(nèi)外空氣參數(shù)下能量回收性能，結(jié)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(xiàn)［13］實(shí)測了華東地區(qū)某實(shí)驗(yàn)建筑中的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)能效率，實(shí)驗(yàn)表明在過渡季節(jié)則無顯著節(jié)能效果。文獻(xiàn)［14］利用ENERGY PLUS軟件對上海某住宅室內(nèi)空氣溫度、CO2濃度、PM2.5濃度以及空調(diào)能耗進(jìn)行模擬，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比修正。從模擬結(jié)果來看，全熱交換器于上海住宅并不能體現(xiàn)出較好的節(jié)能優(yōu)勢。

當(dāng)前針對學(xué)校教室等建筑的研究主要集中在其室內(nèi)環(huán)境的舒適性上，對其空調(diào)系統(tǒng)的研究則主要集中在大學(xué)的一些特殊建筑，例如圖書館，游泳館，劇場等，對中小學(xué)教室空調(diào)系統(tǒng)的研究非常少［15-17］。關(guān)于變制冷劑流量多聯(lián)分體式空調(diào)系統(tǒng)（以下簡稱多聯(lián)機(jī)）結(jié)合全熱交換器系統(tǒng)在中小學(xué)教室中的應(yīng)用研究基本沒有涉及。本文基于中小學(xué)教室的特殊功能性，對夏熱冬冷地區(qū)中小學(xué)教室中不同新風(fēng)方式的耗能情況進(jìn)行了模擬分析，為未來中小學(xué)教室空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(nèi)墻，鄰室設(shè)空調(diào)，負(fù)荷計(jì)算過程中不考慮鄰室傳熱。朝南的外墻上，設(shè)兩頭外門，尺寸為寬×高：1 m×2.3 m。教室可容納45～50位學(xué)生。教室平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 教室平面示意Fig.1 Classroom plan

1.2 空調(diào)系統(tǒng)及運(yùn)行規(guī)則

空調(diào)系統(tǒng)的形式多樣，本文主要研究多聯(lián)機(jī)+全熱交換器系統(tǒng)與多聯(lián)機(jī)+通風(fēng)機(jī)兩種空調(diào)系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的中小學(xué)教室中的適用性情況。因此，本文主要對以上兩套空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬?？照{(diào)的選型參考鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算8.0結(jié)合DeST軟件模擬計(jì)算的結(jié)果選擇。

介于教室的使用特性，本文規(guī)定，空調(diào)僅在工作日的 7：00～17：00 之間運(yùn)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(yùn)行。

1.3 計(jì)算軟件

本文主要采用DeST軟件對對象教室進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算以及不同空調(diào)系統(tǒng)下的全年能耗模擬。

鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算軟件（空調(diào)負(fù)荷計(jì)算工具）是一款非常方便實(shí)用的計(jì)算空調(diào)負(fù)荷的輔助工具。其采用諧波反應(yīng)法或輻射時間序列法（RTS）計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷，能夠滿足任意地點(diǎn)、任意朝向，不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型和不同房間類型的空調(diào)逐項(xiàng)逐時冷負(fù)荷計(jì)算要求。本文主要利用鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算8.0對對象教室進(jìn)行負(fù)荷的計(jì)算以用于教室的設(shè)備選型。

2 研究結(jié)果

2.1 主要參數(shù)設(shè)定

負(fù)荷計(jì)算及能耗模擬過程中，教室主要參數(shù)的設(shè)定參照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及GB50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范，鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算8.0軟件與DeST軟件的參數(shù)設(shè)定基本保持一致，具體數(shù)據(jù)見表1。

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

2.2 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果及設(shè)備選型

鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算8.0軟件對教室的負(fù)荷計(jì)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(fēng)量根據(jù)計(jì)算為1 080 m3/h，夏季總冷負(fù)荷為22.74 kW，夏季總冷負(fù)荷（含新風(fēng)）指標(biāo)為252.64 W/m2，冬季總熱負(fù)荷為14.97 kW，冬季總熱負(fù)荷（含新風(fēng)）指標(biāo)為166.23 W/m2。DeST軟件計(jì)算了教室全年的逐時負(fù)荷，冷負(fù)荷的峰值出現(xiàn)在6月29日14：00，其值為27.53 kW。教室熱負(fù)荷的峰值出現(xiàn)在1月22日7：00，其值為13.34 kW。兩個軟件計(jì)算的負(fù)荷基本吻合，但由于軟件本身，基本參數(shù)設(shè)定，數(shù)據(jù)庫來源，計(jì)算原則等的差異原因，兩者計(jì)算結(jié)果之間存在略微差異。2個軟件所計(jì)算的教室總冷熱負(fù)荷見圖2所示。

圖2 教室總冷熱負(fù)荷Fig.2 Total cooling and heating load of the classroom

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，教室多聯(lián)機(jī)選擇FXSP125室內(nèi)機(jī)2臺+8P室外機(jī)1臺。多聯(lián)機(jī)室內(nèi)機(jī)單臺制冷量為12.5 kW，額定功率為90 W，多聯(lián)機(jī)室外機(jī)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(nèi)外機(jī)配比率為111：100。全熱交換器數(shù)量1臺，其送風(fēng)量為1 600 m3/h，功率為0.74 kW。通風(fēng)機(jī)數(shù)量1臺，通風(fēng)量為1 500 m3/h，其功率為0.28 kW。

2.3 能耗模擬結(jié)果

利用DeST軟件對教室多聯(lián)機(jī)的全年耗能情況進(jìn)行模擬，多聯(lián)機(jī)全年逐月能耗情況如圖3所示。

圖3 多聯(lián)機(jī)全年逐月能耗情況Fig.3 Monthly energy consumption of the VRF system throughout the year

通風(fēng)機(jī)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(jù)教室的使用時間，圖3所示的逐月能耗已剔除掉空調(diào)不運(yùn)行期間的多聯(lián)機(jī)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(lián)機(jī)未運(yùn)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(shù)據(jù)后，6月與9月的多聯(lián)機(jī)耗能相對較高，因?yàn)榇穗A段冷負(fù)荷相對較大。在較冷和較熱的時候（1月，2月，12月，6月），多聯(lián)機(jī)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(jié)（3月～5月，9月～11月），多聯(lián)機(jī)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(jié)。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

對多聯(lián)機(jī)全年的逐時運(yùn)行功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。全年按365天計(jì)，共8 760 h，去除掉所有工況均不運(yùn)行的時間，多聯(lián)機(jī)全年運(yùn)行1 114 h。多聯(lián)機(jī)全年逐時耗能情況如圖5所示。由圖可知，多聯(lián)機(jī)的最大運(yùn)行功率超過5.25 kW，基本為滿負(fù)荷運(yùn)行。平均值和中位數(shù)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(lián)機(jī)較多的時間在此范圍內(nèi)運(yùn)行。不論采用何新風(fēng)供給方式（不同熱回收率的全熱交換器或者通風(fēng)機(jī)），多聯(lián)機(jī)的全年逐時耗能情況存在的差異很少。

圖4 多聯(lián)機(jī)全年逐時耗能情況Fig.4 Hourly energy consumption of the VRF throughout the year

對空調(diào)系統(tǒng)（多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)）的運(yùn)行能耗進(jìn)行分析，空調(diào)運(yùn)行能耗情況如圖5所示。教室的空調(diào)運(yùn)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(nèi)焓值造成的。當(dāng)新風(fēng)采用通風(fēng)機(jī)直接送風(fēng)時，其耗能約為3 219.04 kW·h，全年能耗差距較小。通風(fēng)機(jī)運(yùn)行1 114 h需要耗能311.92 kW·h，全熱交換器運(yùn)行1 114 h則需要耗電824.36 kW·h。教室空調(diào)運(yùn)行模式，多聯(lián)機(jī)節(jié)約的耗電量遠(yuǎn)不及全熱交換器增加的耗電量。因此，就運(yùn)行能耗上而言，全熱交換器并不適用于夏熱冬冷地區(qū)的中小學(xué)教室。

圖5 空調(diào)運(yùn)行能耗情況Fig.5 Energy consumption for air conditioning operation

全熱交換器的運(yùn)行模式在定制情況下可實(shí)現(xiàn)僅送風(fēng)，無回風(fēng)模式。夏熱冬冷地區(qū)，過渡季節(jié)使用空調(diào)頻率較低，故僅提取1月，2月，6月，12月數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗比較（由2.3可知，在這4個月，多聯(lián)機(jī)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(jié)空調(diào)運(yùn)行能耗Tab.2 Energy consumption of air conditioning operation in non-transitional season

在這4個月，多聯(lián)機(jī)運(yùn)行351 h，通風(fēng)機(jī)工況，多聯(lián)機(jī)能耗為1 275.44 kW·h，熱回收率為0.7的工況，多聯(lián)機(jī)能耗為1043.84 kW·h。通風(fēng)機(jī)運(yùn)行4個月，能耗為98.28 kW·h，全熱交換器運(yùn)行4個月，能耗為259.74 kW·h。對空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時間內(nèi)的COP進(jìn)行平均，新風(fēng)采用通風(fēng)機(jī)工況，系統(tǒng)的COP略低于全熱交換器的工況。若教室僅在此4個月運(yùn)行空調(diào)，采用全熱交換器送新風(fēng)的模式，全年可以節(jié)約用電約45 kW·h。

根據(jù)廣材網(wǎng)建筑工程造價(jià)行業(yè)材料價(jià)格查詢平臺，對送風(fēng)量為1 500 m3/h的全熱交換器以及通風(fēng)機(jī)的市場價(jià)格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由表3可知，全熱交換器的市場價(jià)普遍要高于通風(fēng)機(jī)的市場價(jià)。通風(fēng)機(jī)選用聚英JDF-J靜音管道風(fēng)機(jī)，全熱交換器選用羅特CXH-15D，對本文空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行投資回收期計(jì)算，全熱交換器比通風(fēng)機(jī)前期投資多1 128元。電價(jià)按照0.588元/kW·h計(jì)算，全熱交換器每年比通風(fēng)機(jī)約節(jié)約27元。前期投資結(jié)合運(yùn)行費(fèi)用，教室新風(fēng)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(jià)比而言，全熱交換器并不適用于夏熱冬冷地區(qū)的教室。

表3 全熱交換器及風(fēng)機(jī)市場價(jià)格Tab.3 Market price list of total heat exchanger and fan

3 結(jié)論

本文通過對教室負(fù)荷的計(jì)算以及全年空調(diào)能耗的模擬分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）夏熱冬冷地區(qū)，新風(fēng)采用全熱交換器供給，在極端季節(jié)，對多聯(lián)機(jī)的耗能能起到一定程度的節(jié)約。

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

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