寒冷地区被动房的新风系统设计

前言

最近几年，随着被动式低能耗居住建筑在我国的飞速发展，国内示范项目日渐增多，但项目的顺利实施主要以德国专家为主导进行项目的技术支持，国内掌握被动房新风系统核心设计能力或能提供相关技术咨询服务的公司目前还较少。被动式低能耗居住建筑是以极低的能源消耗为基础，提供最佳可能的舒适室内环境。如何正确、合理地选择、设计被动式低能耗居住建筑的新风系统，在今后被动式低能耗居住建筑发展建设过程中，起到至关重要的作用。

被动房特点

被动式低能耗居住建筑（以下简称被动房）是将自然通风、自然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源得热等各种被动式节能手段与建筑围护结构高效节能技术相结合建造而成的低能耗建筑。这种建筑在显著提高室内环境舒适性的同时，大幅度降低建筑所需能耗。与目前国内普通节能标准的居住建筑相比，此类建筑在室内环境、建筑气密性、采暖制冷能耗及一次能源需求方面有较大不同，主要表现在：

室内环境

被动房室内环境全年处于舒适状态，即：室内温度维持在20～26℃，全年室内温度超出该温度范围的频率不大于10%；室内相对湿度35%～65%；室内二氧化碳浓度不大于1000ppm；非透明围护结构内表面温度与室内环境温度差不超过3℃；卧室、起居室（厅）噪声≤30dB（A）。

根据目前我国现行相关规范、标准要求，普通节能标准的住宅建筑冬季室内主要功能房间（卧室、起居室和卫生间）设计温度为18℃，夏季室内温度、全年室内湿度、二氧化碳浓度均无要求[2]；住宅室内允许噪声标准见表1：

表1

建筑气密性

根据目前我国实施的被动房规范、导则等相关要求，在室内外压差50Pa的条件下，每小时换气次数不超过0.6次，即n50≤0.6次/h。

我国最早在中德技术合作项目《中国既有建筑节能改造基础数据调查》中利用“鼓风门”气密性检测设备对唐山、天津、乌鲁木齐、鹤壁四个城市的26栋典型建筑（建于1965～2002年）进行了建筑整体气密性测试，测试结果：n50 = 4.4～20.7次/h。

年采暖制冷需求及一次能源需求

被动房年采暖需求Qh≤15kWh/(m²·a)或采暖负荷qh≤10W/m²；被动房年制冷需求Qc≤15kWh/(m²·a)或最大制冷负荷qc，max≤20W/m²；被动房年采暖、制冷、通风一次能源总需求Eph+Epc+Epv≤60kWh/(m²·a)。

新风系统的特点及设计

新风系统特点

被动房除应具有高效的外围护结构保温隔热性能、严密的防热桥处理技术、高性能节能门窗、良好的气密性外。必须依靠高效带热回收的新风换气系统来满足室内环境，年采暖、制冷、通风一次能源需求的要求。加之，目前我国华北地区空气污染严重，PM2.5频繁爆表，室内污染物浓度也逐渐上升，严重威胁着人类的身体健康，因此适用于被动房的新风系统应具备如下特点：

（1）为满足被动房室内二氧化碳浓度≤1000ppm的指标，要求其新风、排风部分能根据室内CO2浓度进行自动运行，且最小新风量应满足国家相关规范的要求；新风系统的热回收效率不低于75%。

（2）由于被动房采暖、制冷负荷很小，从目前国内成熟的采暖、制冷设备中难以找到与之匹配的采暖、制冷设备。所以，要求被动房新风系统应具有主动制冷、制热的功能。

（3）目前我国华北地区空气污染严重，室外PM2.5浓度高，要求新风系统具有过滤去除PM2.5的功能；同时新风系统能够根据室内温度、CO2浓度、PM2.5浓度等条件，自动运行。

新风系统设计

被动房新风系统在为室内人员提供所需最小新风量的同时，还应提供室内所需的冷热量、维持室内环境指标要求，同时满足被动房对制冷、采暖能耗的需求。由于被动房所需的制冷、采暖负荷很小，所以被动房的冬季采暖可以很简单地通过对冬季新风系统的送风进行加热就能实现，当然夏季采用对新风系统的送风进行制冷。

1.室内新风量的选取

（1）相关规范标准要求

①国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012（简称暖通国标）第3.0.6条规定，设置新风系统的居住建筑，所需人员最小新风量宜按换气次数法确定，并宜符合表2的规定，对新风系统的热回收效率无要求；第6.3.4条第4款规定，厨房、卫生间宜设竖向排风道。

表2 居住建筑设计最小换气次数

②2015年11月住建部印发的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）》（简称建设部导则）第60.68.69条中分别对新风量、卫生间及厨房排风方式进行了规定：新风量宜按总人数确定，每人所需的最小新风量应按30m3/h计算，新风量应与排风量平衡。

每个卫生间宜设独立的排风装置，自然补风。厨房宜设独立的排油烟补风系统。

③河北地标《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》DB13（J）/ 177-2015（简称河北地标）第7.1.1、7.1.10条分别对新风量、厨房排风方式进行了规定：

总新风量应按房间总人数确定，每人所需的最小新风量为每小时30m3，排风量应为新风量的90%～100%。

厨房宜设置独立的排油烟补风系统，或设置方便的补风措施。

（2）确定新风量

选择目前市场上最常见的五种户型，按照上述所述方法分别进行新风量的计算，计算结果见表3：

表3 被动房新风量的确定

从表3可以看出，建筑面积在100m2以内的被动房建筑，室内新风量按人均新风量计算能满足要求。当被动房建筑面积大于100m2时，被动房新风量应按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012的相关规定进行新风量的计算。

（3）卫生间、厨房排风方式汇总见表4

表4 卫生间、厨房排风形式

从表4中可以看出，被动房卫生间宜设竖向排气道，厨房设竖向排气道、同时宜设独立的排油烟补风系统。

2 排风热回收效率的选择

（1）相关规范标准要求

①2015年11月住建部印发的建设部导则第56条规定：显热回收装置的温度交换效率不应低于75%，全热回收装置的温度交换效率不应低于70%。

②河北地标第4.6.2条规定：通风系统的显热回收效率不宜低于75%。

（2）排风热回收效率的分类

排风热回收效率主要有显热（温度）效率、潜热（湿度）效率及全热（焓）效率三种，现就三种热回收效率的概念、特点进行对比，结果见表5。

表5 排风热回收效率定义及特点

（3）排风热回收效率回收效果对比

我国寒冷地区一般1月平均气温-10～0℃，7月平均气温18～28℃，年日平均气温≥25℃的日数<80d，年日平均气温≤5℃的日数145-90d。该区域冬季寒冷干燥，平原地区夏季较炎

热湿润，高原地区夏季较凉爽，降水量相对集中；气温年较差较大，日照较丰富；春、秋季短促，气温变化剧烈。

以石家庄地区为例，分别计算新风经75%显热回收效率的排风热回收装置、新风经70%全热（此时潜热效率不低于50%）回收效率的排风热回收装置后空气状态参数，计算结果见表6。

表6 经热回收后的空气状态参数计算结果

显然，冬季室外寒冷干燥的空气经显热交换装置升温后，新风中的湿度将进一步降低。采用全热交换装置后，效果会好很多。

建议：在建设资金条件许可的前提下，换热芯体采用显热效率不低于75%、全热效率不低于70%、湿度回收效率不低于50%的全热型热回收装置。

3 辅助冷热源的选择

我国寒冷地区大多冬季寒冷干燥，夏季温暖潮湿。甚至冬季日平均温度下降到-10℃；夏季日平均气温在28℃左右，夜间环境温度很少降至20℃以下且环境湿度较高，靠夜间通风辅助制冷是行不通的。所以为了达到良好的室内舒适条件，寒冷地区被动房不但冬季需要辅助制热，夏季主动空调也是不可避免的。

2015年11月印发的住房和城乡建设部导则第63、64条规定：被动房辅助供暖供冷应优先利用可再生能源，减少一次能源的使用。可再生能源主要包括太阳能、地源热泵、空气源热泵及生物质燃料等。寒冷地区宜设置辅助不宜采用集中供热方式。

结合我国寒冷地区气候特征、室外空气质量、居住建筑分户计量等特点要求，寒冷地区宜采用空气源热泵作为被动房的辅助冷热源，空气源热泵的能效等级应符合国建相关标准的要求。

4 室内气流组织

室内新风气流应从起居室、卧室等主要活动区(送风区)流向卫生间、厨房等 功能区(排风区)。过道、餐厅可作为过流区，通过空气流动间接得到送风和排风， 保证所有房间得到充分通风。

室内气流示意图如图1所示：

图1 室内气流组织示意图

每个房间或主要活动区域设置送风口和回风口；当回风口和回风管道安装确有困难时，可在主要活动区域设置集中回风口；对于不能设置回风口且内门不能设置通风口的房间，其内门与地面之间宜预留宽度大于20mm的缝隙通风。

5 其他

（1）被动房对建筑气密性要求很高，要求新风系统与室外连通的新风和排风管路上均应安装保温密闭型电动风阀，并与系统联动，保证建筑的气密性。

（2）在寒冷地区，高效新风热回收系统新风进口处应设置防冻措施；防冻措施可采用以下方式：①采用电加热方式预热室外空气；②采用地道风（土壤热交换器）预热室外空气。

（3）新风系统应进行消声隔震处理；新风出口处和排风入口处宜设消声装置，新风机与风管连接处采用软连接。

（4）新风系统应具有除霾功能。

项目实施

山西长治某低能耗别墅项目为五室四厅一厨两卫的两层住宅，工程占地350m2，建筑面积为225m2。因该地区冬季空调室外计算温度低于-10℃，对室外新风采用地道风（土壤热交换器）预热。

新风系统安装见图2～5所示：

图2 室内风管安装   图3 新风机组安装

图4 新风机组安装效果    图5 室内实景照片

本项目采用了一台3匹的“冀研”牌被动房专用中央式热回收除霾能源环境一体机，为住户供热、供冷、提供新风、除霾、维持室内空气环境品质。能源环境一体机室内机内设热回收效率为78%的板式热回收装置，室外机采用低温变频充R410A环保冷媒的空气源热泵为建筑提供所需冷热量。项目从2015年12月20日开始运行以来，年平均采暖、制冷、通风耗电量18kWh/m2。

结语

（1）具有采用低温变频空气源热泵作为冷热源、对排风进行高效热回收、根据室内环境（包括：温度、湿度、CO2浓度、PM2.5浓度、TVOC浓度）设置情况进行自动监测、自动运行等功能的被动房专用能源环境一体机，在实现被动房室内环境的同时，建筑能耗也控制在被动房采暖、制冷、通风总能耗范围之内，是非常适宜用于寒冷地区被动房的新风产品。

（2）在应用能源环境一体机设备时，应结合室内装修、家具布置、送风口位置及形式、排风口位置及形式、房间几何形状等各种扰动因素，进行气流组织设计，使室内人员活动区域空气的温度、相对湿度、流速和洁净度能更好地满足人们的舒适性要求。

本文原标题为：《寒冷地区被动式低能耗居住建筑新风系统浅析》；作者单位：河北建研科技有限公司；原文刊登于《建设科技》杂志，版权归期刊编辑部及作者所有。