寒冷地区超低能耗居住建筑暖通空调设计要点浅析

原创  潘玉亮 高性能建筑

【引言】

  我国建筑用能约占全国能源消费总量的21.7%，且占比仍在上升。寒冷地区居住建筑规模巨大，每年新增建筑数量相当可观。随着广大居民生活水平的逐渐提高，供暖和空调设备的使用也越来越普遍。如何在保障居民居住舒适度的同时，尽可能降低住宅建筑  的能耗，是我国建筑节能工作的重点内容之一。超低能耗建筑作为我国建筑节能标准不断提升，而提出来的一种新型建筑形态，正逐渐成为未来住宅建筑发展的主流趋势之一。但是，超低能耗居住建筑不同于常规居住建筑，如何正确、合理的选择和设计暖通空调系统，对于居住环境的舒适性和建筑的节能性，都有重要的影响。

一、寒冷地区超低能耗居住建筑技术特征分析  超低能耗建筑强调采用性能化设计方法，根据气候特征和场地条件，通过被动式设计大幅度降低建筑冷热需求，通过主动式措施大幅度提高能源设备与系统效率。寒冷地区超低能耗居住建筑能耗水平应较行业标准《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26-2010降低50%以上。

1.1保温隔热性能更高的围护结构

超低能耗建筑应采用保温隔热性能更高的围护结构。在严寒和寒冷地区，围护结构保温性能的重要性尤为显著。高性能的外墙和外窗等被动式技术在提高建筑能效的同时，还可以大幅度提高建筑质量和寿命，改善居住环境。寒冷地区居住建筑屋面K值推荐取值为0.10-0.20 W/(㎡·K)，外墙K值推荐取值为0.15-0.20 W/(㎡·K)]；相对于《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26-2018规定的参数限值，屋面K值降低幅度约为20%~60%，外墙K值降低幅度约为55.6~66.7%。

1.2无热桥的设计和施工

建筑围护结构中热流密度显著增大的部位，成为传热较多的桥梁，称为热桥。热桥对超低能耗建筑的影响更为显著。超低能耗建筑设计时，应进行消除或削弱热桥的专项设计，严格控制热桥的产生。

1.3建筑整体的高气密性

超低能耗建筑需具有良好的气密性，室内外50Pa压差下换气次数≤0.6次/h。良好的气密性可以减少室外空气对室内热湿环境的干扰，比如可减少冬季冷风渗透，降低夏季非受控通风导致的供冷需求增加，避免湿气侵入造成的建筑发霉、结露和损坏，减少室外噪声和空气污染等不良因素对室内环境的影响，提高居住者的生活品质。建筑良好的气密性主要是通过气密等级高的外门窗和连续的气密层等来实现的。

1.4高效新风热回收系统

超低能耗建筑气密性较高，只靠室外自然渗透无法保证室内新风量的需求。且建筑内部有各种污染物，也需通过引入新风解决。直接引入室外新风会带来较高的新风负荷，因此新风系统需设置热回收装置，通过回收利用排风中的能量来降低供暖、供冷需求。

1.5 高能效冷热源系统

超低能耗居住建筑由于具有良好的围护结构、气密性和无热桥设计，可有效降低建筑的冷热负荷需求。但是冬季需要满足应对极端天气下的制热负荷；夏季除湿负荷无法完全通过提高围护结构性能和设置新风热回收系统完全消除。因此超低能耗居住建筑还是需要设置供冷供热系统。常规的集中式冷热源系统在调节性和灵活性上都有一定的不足。高能效的户式冷热源系统，从灵活可控、产权划分、能耗计量等方面都有一定的优势，成为寒冷地区超低能耗居住建筑的优选方案之一。

二、寒冷地区超低能耗居住建筑暖通空调系统设计注意事项  2.1新风设备

考虑到房屋产权及管理的便利性，超低能耗居住建筑宜分户独立设置新风系统。新风系统应选择带热回收的机组形式，通过回收利用排风中的能量来降低冷热负荷和冷热源设备的容量。

（1）热回收效率

新风热回收装置分为全热回收型和显热回收型，显热回收具有较好的性价比，全热回收装置有利于降低结露和结霜的风险，应根据具体项目综合考虑。显热回收装置的显热交换效率不应低于75%；全热热回收装置的全热交换效率不应低于70%。

（2）空气净化装置

新风热回收系统应设置低阻高效的空气净化装置，不仅可为室内提供更加洁净的空气，同时也可减缓热回收装置因积尘等原因造成的换热效率的下降。空气净化装置对大于等于0.5μm细颗粒物的一次通过计数效率宜高于80%，且不应低于60%。目前新风设备一般是在机组送风口设高效过滤网，在机组新风入口、排风入口设粗效过滤网。

（3）单位风量耗功率

超低能耗居住建筑供暖供冷需求相对于常规建筑大幅度下降，通风能耗占比逐渐升高。为了减小风机能耗，需对热回收装置单位风量风机耗功率（功率与风量的比值）进行限制，此值不应大于0.45 W/(m3·h)。

（4）新风预热

在室外气温较低的冬季，为了防止新风机组排风侧结露和结霜，通常需要对新风进行预热。预热的方式主要包括以下几种：1）新风入口段设电加热器预热新风；2）有集中供暖时，利用热网回水对新风进行预热；3）采用地道风预热室外空气。

（5）消声隔振措施

新风机组应进行消声隔振处理，机组送风口和排风入口处宜设消音软管或消声器等消声装置，风机和风管连接处应采用软连接。应尽量降低风管和风口风速，主风道风速宜小于3m/s，送风口风速宜小于1.5m/s。吊装的设备可采用静音型弹性减震吊架，并加装橡胶隔振垫。机器外壁应贴装吸音棉。

2.2 冷热源系统

寒冷地区超低能耗居住建筑通常采用的户式冷热源系统包括新风热回收及热泵一体机、户式多联机、风管机等。以新风热回收及热泵一体机为例，此种设备是户用热泵机组和新风机组集成的设备，由室内机和室外机组成；室内机基本为吊顶式的形态，可以安装在厨房、卫生间或封闭阳台的吊顶内；室外机需安装在室外平台。从功能的角度，设备一般均可实现供热、供冷、高效新风热回收、新风净化过滤、过渡季新风旁通、内循环供热供冷等功能。

（1）性能系数

新风热回收及热泵一体机的冷热源为空气源热泵。随着室外环境温度的下降，空气源热泵的制热能力逐渐减小。以常规3HP（匹）空气源热泵空调为例，在室外温度为-7℃时的制热量仅为其额定工况（室外温度7℃）下制热量的78%左右，在室外温度更低的工况下，制热量衰减更加严重，往往需要电辅热来提高出风温度，导致能耗急剧上升。根据《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350-2023，空气源热泵机组低环境温度名义工况下的性能系数（COP），热风型应不低于2.0，热水型应不低于2.3。实际设计选型时，应注意选择低环境温度下COP较高的设备。

（2）噪声控制

新风热回收及热泵一体机室内机需布置在住宅室内，通常机组有新风机、排风机、循环风机3个风机，设备运行时会产生一定的噪声。居住建筑室内空间有限，通常很难设置专门放置暖通空调设备的设备间，目前项目一般是将室内机布置在厨房的吊顶中。由于厨房通常毗邻餐厅和客厅，设备运行时噪音一般会传递到相邻的空间，造成室内声环境质量的下降。建筑方案设计时，应尽可能考虑设置能放置室内机的封闭阳台，以有效的控制噪声传递。室内机和风管的其他消声隔振措施可参照新风设备的要求进行设置。

（3）化霜水排放

冬季室外温度较低时，空气源热泵室外换热器会结霜。为保证设备的正常运行，需要除霜，会产生化霜水。如果化霜水不及时排走，容易在室外机平台处结冰，甚至形成冰锥，悬挂在室外机平台处，产生一定的危险。因此应在室外机平台处设专门的化霜水排水管，将化霜水及时排走，排水管应做保温处理。

（4）室外机安装位置

室外机不应布置在通风不良的建筑竖井或过于封闭的空间，应布置在通风良好的地方，确保进风与排风通畅，不产生气流短路；应避免受到污浊气流，比如厨房油烟排气的影响；为保障系统的高效运行，室外机换热器应具备清扫的条件。

三、实际案例分析以北京地区某超低能耗住宅项目一个户型为例，进行了新风热回收及热泵一体机的设计。新风热泵一体机管路布置图如图1所示。主要关注点包括以下部分：

3.1 在建筑方案设计时就对户型进行了优化，设置了可容纳室内机的北向封闭平台，将室内机布置在封闭平台内；室内机采用静音型弹性减震吊架和橡胶隔振垫进行吊装，外壁贴装吸音棉；同设备连接的风管均采用1.5~2m的保温消音软管；控制主风道风速小于3m/s，送风口风速小于1.5m/s。

3.2 每个功能空间都设有送风口，其中餐厅设置下送风口，起居室、主卧和次卧设置侧送风口，可有效保证各个功能空间的新风和供暖、空调需求。

3.3 卫生间设排风口，过道作为过流区，卧室房间的内门与地面间留有缝隙，用于排风，使新风气流从起居室和卧室等主要活动区流向卫生间等功能区，保证所有房间得到充分通风，室内气流组织良好。

3.4 循环风口和主要送风管布置在走道区域，卧室采用侧送风，吊顶可以集中布置在这些区域；风管采用扁平型风管，短边尺寸为120mm，占有吊顶空间较小。

3.5 外墙上的新风口和排风口布置在不同方向，可有效避免新风、排风的短路；与室外连通的新风和排风管路上设计有保温密闭型电动风阀，并与系统联动，保证建筑的气密性。

3.6 设置温度控制装置和室内空气质量监测装置，设备运行状态可根据室内温度、CO2浓度、PM2.5浓度进行调节。

四、小结