环境一体机在被动式超低能耗项目的应用

张凯 高建会

【摘要】环境一体机除了具备提供新风、净化空气等功能外，还可以实现供暖和制冷;同时，也能够实现智能监测室内空气品质、温度，并做到智能调节和自动运行。本文以我国常见的单户住宅为例，对环境一体机在被动式超低能耗建筑项目的应用进行简要介绍，为类似被动式超低能耗建筑項目暖通设计提供参考。

【关键词】环境一体机;供暖;制冷;暖通设计

众所周知，被动式超低能耗建筑是高效节能建筑和高度舒适性建筑。为保持被动式超低能耗建筑内部高度的舒适性，需配备带有高效热回收功能的新风设备，以保证室内空气的品质。但是对于某些气候区，仅仅依靠新风设备高效的热回收装置很难保持室内舒适的温度，依然需要提供主动的供暖和制冷设备。被动式超低能耗建筑兼具优异的保温性能和高度的气密性能。在门窗关闭的情况下，仅依靠空气渗透提供的新鲜空气不能满足人体生理活动需求，所以必须配置机械通风系统也就是新风系统，持续为室内提供足量的新风来保证室内空气品质和舒适性。

当前，围护结构性能不断提升，围护结构的负荷占整个被动式超低能耗建筑总负荷越来越小，新风负荷所占比例越来越大。环境一体机采用高效热回收装置可以有效减少新风冷热损失75%以上，同时兼具制冷和制热功能，可实现健康、舒适和超低能耗的目标。

1.被动式超低能耗建筑对设备的实际需求

1.1对制冷制热的需求

我国国土面积幅员辽阔，从南到北跨越的气候区为温和地区、夏热冬暖地区、夏热冬冷地区、寒冷地区、严寒地区等，仅仅依靠新风系统不能满足被动式超低能耗建筑居住环境要求，还需要辅助的制冷和制热功能。

1.2对设备功能的要求

设备应具有智能和自动控制功能，可实时对室内环境的温度、湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度等指标进行监测并自动调整设备运行状态，使室内环境始终保持在健康、舒适的水平，同时兼顾节能效果。

2工程实例

2.1设计概况

2.1.1工程概况

高碑店奥润顺达被动式专家公寓楼位于河北省高碑店市国家建筑节能技术国际创新园内，属于河北建筑节能设计气候分区寒冷（B）区，是经过德国被动房研究院PHI认证的被动房。该公寓为住宅建筑，剪力墙结构，地下一层、地上九层，建筑面积8016m2。

2.1.2室内设计参数（见表1）

2.1.3冷热负荷指标：热负荷指标10W/m2，冷负荷指标7W/m2。热负荷1.49kW，冷负荷1.04kW。

2.1.4设计内容：室内新风系统设计。

2.2新风系统方案设计

（1）根据被动式超低能耗建筑的特点和本工程实际情况，本设计选用户式新风系统，在为室内提供新风的同时，还可为室内提供冷热源，保证室内温湿度处于设定状态。

（2）以选定被动式专家公寓楼C户型进行新风系统设计。室内净面积148m2。根据房间功能分析，将新风设备布置在对噪声要求不高的储藏室，吊顶式安装。将客厅、书房、卧室作为送风区，厕所作为回风区，走廊和餐厅作为溢流区，进行气流组织。

（3）卫生间设置新风机强制启动按钮，在新风系统机不自动运行的情况下，强制启动达到卫生间通风换气的目的。

（4）智能监测与控制系统。在客厅设置主控面板，集中显示各房间温湿度参数;在各个房间设置探测器，用于监测温湿度和PM2.5浓度。当有参数超标时，探测器将信号传递给主控面板，主控面板下达指令给新风设备进行状态调整。具体布置见图1。

（5）对新风设备的技术参数要求为见表2。

（6）风管选择：选用彩钢酚醛复合风管，酚醛厚度25mm。

（7）风口选择：送风口选择电动双层百叶形式，回风口选择单层百叶形式。

（8）送、回风形式：采用上部侧送风形式，顶部回风形式。

2.3新风量计算及机型选择

2.3.1新风量计算

排风量计算所需新风

该户型有一个卫生间（排风量50 m3/h）、一间浴室（排风量 70m3/h）。

排风量计算：50+70=120m3;

按照PHI计算规则，按面积和计算新风量，见表3;

按照房间人数计算新风量，见表4;

通过以上计算，标准风量应该按排风量、按面积计算新风量和按人数计算新风量的最大值，所以设计新风量为146m3/h。

2.3.2冷热负荷校核

按照PHI要求，被动式超低能耗建筑的冷热负荷均不能超过10W/㎡，即本户型冷热负荷最大为1.48kW。

2.3.3设备选择

（1）环境一体机是一种新型暖通设备，集新风、制冷制热、智能控制等功能于一体的设备，能满足被动式超低能耗建筑的实际需求。

本次选择的环境一体机性能参数如表5。

（2）设备参数校核

经进行设计参数对比，该设备新风量、热交换效率、制冷和制热能力、通风耗电量和过滤等级均满足要求。

按设备新风量和实际室内空气净体积（按实际层高3.1m计算），校核实际换气次数，如表6。

当为额定新风量时，室内换气次数为0.32（1/h）>0.3（1/h），满足被动技术要求。

经校核，卫生间、淋浴间换气次数均满足暖通规范要求，卫生间换气次数不低于3次每小时，淋浴间换气次数应当大一些即5～6次（《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》）。

环境一体机在标准状况下制热量为4.1kW，制冷量为3.5kW，在本地区极端天气如冬季-15℃时，机组的制热量为3.3kW，所以符合要求。

2.3.4风管设计

（1）风速计算

《民用建筑供暖通风与空调设计规范》 GB50736-2012中规定，通风管道中风速与噪声的关系如表7。

送风管道的干管通过试算选用200mm×120mm矩形管道，支管选用160mm×120mm、120mm×120mm矩形管道。干管風速验算见下表：（见表8）

循环风的最大风量风速为4.05m/s，对应的噪声值约为35分贝，虽然超出PHI送风区的噪声指标，但是并未超出《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试运行）2015年版》规定的昼间噪声指标40分贝的范围，并且循环风最大风量使用的概率极低，所以可以认为满足要求。

对支管160mm×120mm段进行验算，结果显示循环风量在额定状态下为2.17m/s，符合国家规范，但考虑到此段风管在走廊中，所以可以接受，循环风最大风量使用频率低亦可接受，详见表9：

对支管120mm×120mm最大风量段进行验算，当此段可以满足，则其他管段没有问题。详见10表。

当循环风的额定风量为92m3/s时，此时风管的噪声大约为27.5分贝，由于风管不会穿过卧室，符合规范要求，可以采用。

（2）风管材料选择

根据《建筑设计防火规范》要求，风管应使用不燃材料，可以选用酚醛铝箔复合风管、岩棉铝箔风管或彩钢酚醛复合风管，均为A级防火材料，均有良好的保温、防火功能。

（3）气流组织

送风方式为顶部侧送风，采用贴附式射流，可以充分利用柯恩达效应，射流较远，新鲜空气可以很快充盈房间的每一个角落。回风则通过扫地缝进入到溢流区，然后进入卫生间内的回风口，经新风机热交换后排出室外。

送风风口选用双层百叶风口，是横向叶片（可调节的）在外、竖向叶片（固定的）在内的风口，并配有对开式风量调节阀。根据房间制冷和供暖的不同要求，通过改变横向叶片的安装角度，可调整气流的仰角或俯角，以此来调节射程。

双层送风百叶风口尺寸为120mm×120mm，经计算出口速度最大为2.5m/s，符合规范要求。

回风口采用单层百叶风口，且此种风口往往与铝合金网式过滤器或尼龙过滤网配套使用，对空气有过滤作用，适合用作回风口。

对回风口风速进行验算，淋浴间回风量较大，以淋浴间回风口进行验算，最大风量为130m3/h，使用20mm×120mm风口，回风口风速为2.5m/s<4m/s，完全符合规范要求。

循环风口无设计规范要求，亦采用单层百叶风口，按照回风口风速进行验算，当最大风量为350m3/h时，选用矩形风口尺寸200mm×160mm，即可满足要求，此时风速为3m/s。

（4）风管水力计算

选择最不利风管进行阻力验算，结果显示最不利风管的摩擦阻力为12.9pa，局部阻力约为70pa，机外余压为120pa，可以满足要求。

（5）卫生间通风方案

一般情况下，卫生间浊气会通过新风系统排风口排出。但是新风机由于特定情况而处于待机状态时，卫生间的换气就显得尤为重要了。在适合开窗通风的情况下，可以关闭新风机进行自然通风换气，此时如果需要使用卫生间，可以通过设置于卫生间的手动按钮启动新风机进行通风换气。

（6）风管保温

经计算，风管在冬季和夏季时，新风管道外壁和回风管道内壁会有结露现象出现，所以为防止结露产生，应当在对风管进行保温处理。对圆形风管做50mm厚的橡塑保温，矩形风管的酚醛保温25mm厚。

2.3.5智能监测与自动控制

采用全自动控制系统，开放式物联网架构设计，可以直接接入互联网，通过手机APP客户端远程操控。变风量运行和分区域控制，可实时监控室内多个不同区域的温湿度、CO2、PM2.5浓度等多项参数，并据此自动进行舒适度的本地和远程控制。

通过中央控制系统（主控面板，一般设置在客厅）对各项参数进行设置与调节，每个送风房间单独设置感应及显示面板（显示面板最多可以安装9个），实时探测并显示室内的温湿度、CO2、PM2.5浓度等指标，并将数据实时传递给新风机，实现设备的自动控制。

卫生间内还设有人像红外检测设备（或开关）。当新风机的室内机在进入待机状态时，为了保证卫生间内的空气卫生环境，如果有人进入卫生间，红外检测设备（或开关）检测到人像时，执行新风机强制启动模式，此种模式状态不受CO2和PM2.5浓度控制。

为了进一步节能，新风一体机还设置了旁通的功能。当室外环境满足被动式超低能耗建筑的要求时，可以在中控面板中选择旁通选项，室外新风将不经过热交换芯直接送入室内。

3.结论

全球气候变暖日益严重，我们生活的每一个细节都充满了“节能”，建筑节能显得越发重要。在被动式超低能耗建筑中使用智能控制的环境一体机，可有效控制室内舒适度，降低使用能耗，方便暖通设计。

参考文献

[1]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]（德）沃尔夫冈·费斯特.（德）贝特霍尔德·考夫曼.德国被动房设计和施工指南[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

（作者单位：河北绿色建筑科技有限公司）

【中图分类号】TU83

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2020）10-0117-03