近零能耗居住建筑中采用熱回收裝置全年節(jié)能量計算方法研究*

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)標準》[1]已于2019年實施。該標準對近零能耗建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能、氣密性能及機電設(shè)備的能效提出了較高要求，同時對所采用的新風(fēng)熱回收裝置的交換效率進行了明確規(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)能標準，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)標準》的熱回收裝置全年節(jié)能量的計算方法研究。

本文基于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標準》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)能量計算方法進行了研究，并對全國主要氣候區(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)能量進行了計算分析，以期為近零能耗居住建筑的性能化設(shè)計提供參考。

1 全年節(jié)能量計算方法

居住建筑采用熱回收裝置設(shè)計階段全年節(jié)能量計算的基本思路為：確定研究對象和目標參數(shù)，劃分全年供暖空調(diào)時間段，根據(jù)典型年逐時氣象數(shù)據(jù)對逐時節(jié)能量進行計算并累加，進而得到全年節(jié)能量。典型年逐時氣象數(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)標準》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，采用戶式燃氣供暖熱水爐作為供暖熱源，熱回收新風(fēng)機組的新風(fēng)量、排風(fēng)量相等，不考慮冬季預(yù)熱防霜。

1.2 目標參數(shù)的確定

在設(shè)計階段，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)能量作為計算的目標參數(shù)。全年節(jié)能量的計算基準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)時間段的劃分

為了計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)備的運行狀態(tài)和運行時間。在不同的時間段，暖通空調(diào)設(shè)備的運行狀態(tài)不同，因此需要對全年供暖空調(diào)時間段進行劃分。對于居住建筑，其供暖、空調(diào)時間與冬季、夏季時間基本一致，因此要進行全年供暖空調(diào)時間段的劃分，先進行四季時間段的劃分。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 冬季逐時節(jié)能量的計算

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因熱回收而減少的供熱量，kW；te、to分別為排風(fēng)進口、新風(fēng)進口溫度，℃；hs、he分別為排風(fēng)進口、新風(fēng)進口比焓，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。

采用燃氣爐供暖，因熱回收而減少的燃氣爐能耗(轉(zhuǎn)換為電耗)按下式計算：

(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為天然氣與標準煤折算系數(shù)，取1.21 kg/m3；η1為燃氣鍋爐的熱效率；q1為標準天然氣熱值，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)機能耗按下式計算：

(4)

式中 ΔNf為因熱回收芯體阻力而增加的新、排風(fēng)機能耗，kW；P為熱回收芯體的阻力，Pa；ηCD為電動機傳動效率，取85.5%[3]；ηF為風(fēng)機效率，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，其逐時節(jié)能量按下式計算：

Nh=ΔNb-ΔNf

(5)

式中Nh為冬季熱回收裝置的逐時節(jié)能量，kW。

當(dāng)新排風(fēng)進口溫差或比焓差較小時，ΔNb可能小于ΔNf，逐時節(jié)能量Nh為負值，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)機可變速，下同)，則此時應(yīng)切換至旁通狀態(tài)，逐時節(jié)能量Nh=0。

1.5 夏季逐時節(jié)能量的計算

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)機能耗ΔNf按式(4)計算。

如果熱回收裝置不帶旁通功能，其逐時節(jié)能量按下式計算：

Nc=ΔNc-ΔNf

(9)

式中Nc為夏季熱回收裝置的逐時節(jié)能量，kW。

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

1.6 過渡季逐時節(jié)能量的計算

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

Nt=-ΔNf

(10)

式中Nt為過渡季熱回收裝置的逐時節(jié)能量，kW。

此時逐時節(jié)能量Nt為負值，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，其逐時節(jié)能量Nt均為0。

1.7 全年節(jié)能量的計算

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時刻的單位風(fēng)量節(jié)能量，kW/(m3/h)；nh為冬季供暖時間，h；Nc,j為夏季熱回收裝置j時刻的單位風(fēng)量節(jié)能量，kW/(m3/h)；nc為夏季制冷時間，h；Nt,k為過渡季熱回收裝置k時刻的單位風(fēng)量節(jié)能量，kW/(m3/h)；nt為過渡季時間，h。

2 主要氣候區(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)能量計算

2.1 全年節(jié)能量計算條件

所要計算的居住建筑滿足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標準》要求的基本條件，即室內(nèi)熱濕參數(shù)設(shè)計值為冬季溫度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；采用戶式燃氣供暖熱水爐作為供暖熱源，其熱效率按97%(GB/T 51350—2019規(guī)定燃氣供暖爐在額定負荷和部分負荷下的熱效率較小值和較大值分別為95%和99%，取其平均值)計算；熱回收新風(fēng)機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%。

《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[5]中給出了不同迎面風(fēng)速時熱回收芯體的壓力損失值，迎面風(fēng)速為2.5 m/s時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)方式分為機械通風(fēng)、自然通風(fēng)2種。

2.2 季節(jié)劃分

對全國主要氣候區(qū)代表城市進行季節(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 計算結(jié)果

2.3.1過渡季機械通風(fēng)的居住建筑

對于過渡季機械通風(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過渡季機械通風(fēng)的居住建筑

在主要氣候區(qū)哈爾濱、北京、上海、廣州、昆明5個代表城市的近零能耗居住建筑(過渡季機械通風(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。這是因為昆明氣候溫和，全年冬季只有一個多月且不太冷，其他時間全部是過渡季，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。這主要是因為在冬季室內(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

在全國主要氣候區(qū)5個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個代表城市中除廣州沒有冬季外，其他4個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5.40，因此5個代表城市中除昆明沒有夏季外，其他4個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)標準》，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)能量計算方法，并對全國主要氣候區(qū)5個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)能量進行了計算分析(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個代表城市，過渡季采用機械通風(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)。