两种运行方式下的新风系统节能分析

李 双，白 莉，朱 林，王杨洋，张 语

（吉林建筑科技学院，吉林 长春 130114）

0 引言

新风系统是满足室内人员舒适性、保证室内空气品质的最佳选择，同时，新风系统运行导致空调冷热负荷增加。为降低新风系统带来的新风负荷，目前新风系统通常安装热回收装置。国内学者针对热回收装置的节能性进行了大量研究。张冲等[1]通过对哈尔滨、北京、武汉、广州等地采用热回收装置节能量分析，表明严寒地区的热回收性能最好。还有一部分学者对新风系统运行控制方案进行研究，如：大连理工大学等[2-3]通过对居住建筑新风系统运行策略模拟计算，表明冷风耗热量可降低14%，节能量明显。本文以带有热回收装置的新风系统作为研究对象，分析新风系统根据人员作息规律、室内污染物浓度控制新风系统启闭时的节能性。

1 新风系统的组成

实验装置是一种带净化和热回收功能的新风系统[4]，可实现根据人们作息规律、室内污染物浓度控制新风系统启闭，简称智能化运行，其结构见图1，主要由热交换装置1、排风机2、送风机3、控制器4 及控制器5 组成。控制器4 可根据人们作息规律调整新风系统运行时间控制新风系统启闭，控制器5 则是根据污染物传感器检测到的室内污染物平均浓度控制新风系统启闭。室外新风在送风机作用下进入热交换装置，与同时进入热交换装置的排风进行能量交换，新风吸收排风中的热（冷）量，新风出口温度升高（降低）且排风出口温度降低（升高），分别设新风进、出口温度为t1，t2，排风进、出口温度为t3，t4。

2 新风系统的智能化运行

2.1 根据作息规律控制启闭

居住建筑室内人员作息较规律，新风系统运行时间具有规律性。根据作息规律控制启闭可根据新风系统的前一段时间使用情况，设定当日启闭时间。如：假设人员近几天都在17：00 回家，次日8：00离开家。新风系统会记忆一段时间的运行时间，根据记忆分析设定当天运行时间为17：00 ～8：00（次日）。考虑新风系统的净化时间，新风系统会自动调整运行时间，如：提前开启和延时关闭，这样可确保人们回到家时室内的空气品质，且避免室内有害物在室内长时间停留。

而对于使用规律不明显或者使用频率不高的居住建筑，可实施红外跟踪检测模糊定时，以确定新风系统启闭时间。可根据一般规律粗略设定运行时间，并设人体红外感应器实时检测人体。只有在设定内且检测到人体时，新风系统才会开启；否则新风系统不开启，其流程见图2。当短时间内检测到人体时新风系统不会启动，这样可避免新风系统频繁启动进而增加新风系统能耗。

2.2 根据室内污染物浓度自动启闭

新风系统控制器5 中设置了人体感应传感器、PM2.5 传感器、甲醛传感器及CO2传感器等，并且实现全天24 h 实时检测。传感器检测到的室内空气中污染物浓度作为实测值，根据相关规范要求确定新风系统启闭的控制值，根据标准规定[5-6]，CO2浓度上限值为1 000 ppm，甲醛浓度上限值为0.10 mg/m3，PM2.5 浓度上限值为75 ug/m3。新风系统将根据特定设计程序控制启闭如下：第1 步，对比污染物实测浓度和控制值，当任意污染物浓度超过控制值时，新风系统不启动；第2 步，人体感应传感器检测室内是否有人，且仅当污染物超标，同时室内有人停留时新风系统启动，否则新风系统不启动；第3步，新风系统运行一段时间后污染物浓度会降低，当低于各自控制值的1/2 或者人体感应器检测室内无人时，新风系统将自动关闭，如此重复。

3 新风系统的新风负荷、能耗分析

为分析新风系统在上述运行方式下的节能性，选取严寒地区典型城市长春市某住宅作为测试对象。该住宅面积为80 m2，层高为4 m，确定换气次数为0.5 次/h，因此新风量为160 m3。国内学者[7]对北京某办公建筑设显热回收装置研究表明夏、冬季可回收冷、热量之比只有11.5%。因此，本文主要分析热回收装置在冬季的节能性。根据DeST 模拟软件确定长春市和北京市的全年逐时室外干球温度，如图3 所示，可看出长春市在1月—6月，10月—12月室外干球温度更低，夏季工况温度主要集中在24℃左右，室内外温差更小，分析可知长春市夏季采用显热回收装置回收冷量占冬季回收热量比例将更小。因此，长春市回收性能分析不考虑夏季，主要考虑冬季的回热量。根据规范[8]规定居住建筑室内设计温度为20 ℃为宜，能够满足人体舒适性和节能性要求。

3.1 新风系统热回收

新风系统进行热回收，则其冬季新风显热负荷计算公式如下：

式中：Q 为单位时间房间的新风负荷，kJ/h；Cp为空气定压比热容，kJ/（kg·℃），取1.005 kJ/（kg·℃）；ρ 为空气密度，取1.2 kg/m3；G 为新风系统新风量，假定为 160 m3/h；t2，τ 为经过热交换的新风温度，℃；t2可根据 t2=t1+η（t3-t1）得出，式中：η 为新风系统的显热回收效率，取70%；t3为室内空气温度，℃。在供暖期连续运行时，计算运行时间为3 960 h。

新风系统进行热回收同时空气流动阻力增加，导致新风系统风机能耗增加，新风系统单位时间增加的能耗计算如下：

式中：ΔNx为新风管路增加的风机轴功率，W；ΔNp为排风管路增加的风机轴功率，W；ηtd为风机传动效率，取0.95；ηdj为电动机功率，取0.8。在整个供暖季消耗的总能耗为 W=wτ，τ 为运行时间，h。

因阻力变化风机轴功率的增量通过下式计算：

式中：ΔN 为风机轴功率，W；G 为新风系统的风量，m3/h，设新排风比为1；ΔP 为新风系统增加热回收装置产生的压力降，Pa；送风、排风压力降分别取65 Pa，90 Pa；ηtf为风机效率，取 0.63。

新风系统进行热回收增加的风机能耗W 为电量，若空调消耗同样功耗W，则可得到空调制冷（热）量E 为：

式中：ε 为空调冬季制热系数，一般取2.3。

3.2 新风系统实现智能化运行

1）根据人们作息规律控制新风系统启闭

根据人们作息规律控制新风系统启闭，假定新风系统在17：00～次日 8：00 间运行，运行时间为 2 640 h。长春冬季日平均温度高于夜间室外平均温度，夜间室外空气与室内空气的温差大，新风系统在夜间的热回收效果也会更明显。通过对寒冷地区北京、夏热冬冷地区长沙和夏热冬暖地区南宁的热回收效果进行对比分析，表明室外平均温度中北京的最低，而北京的全热回收的节能潜力指数则将近10[9]。

2）根据室内污染物浓度控制新风系统启闭

研究表明对新装居住建筑室内空气品质测试是非常必要的[10]。因此本文选择某新装修居住建筑进行CO2、甲醛、PM2.5 浓度检测，测试过程中门窗紧闭，实验周期为 24 h，实验在 22：00～22：30 之间对室内进行开窗通风，室内CO2、甲醛、PM2.5 的浓度变化情况如图4 所示。

表1 不同运行方式下新风系统的节能量对比

根据上文可知，一般居住建筑在 17：00～8：00（次日）期间家里有人。从图4（a）可知，室内PM2.5 浓度也处于较低水平，一直不超标，检测当天室外PM2.5平均浓度为 20 μg/m3；从图 4（b）可知，在 4：00～11：00 时间内，CO2平均浓度超过1 000 ppm，达到CO2浓度上限。从图4（c）可知，甲醛平均浓度一直处于超标状态，仅在 22：00～1：00（次日）之间室内甲醛的小时平均浓度未超标，通过对以上3 种污染情况分析，确定新风系统需要在 17：00～21：00 和 24：00～8：00时间内运行，则新风系统供暖期运行时间为2 310 h。

新风系统智能化运行产生的新风负荷和风机能耗通过式（1）～（4）计算出，将新风系统在供暖期内连续运行、智能化运行时的新风负荷、风机增加能耗、空调系统消耗同样电能的制热量及节能量列于表1，并对比了新风系统连续运行和上述2 种运行方式的能耗，如图5 所示。

通过图5 可知，在供暖季新风系统实行上述2种运行方式的新风系统运行能耗将分别减少2 534.7 MJ，2 679.99 MJ，同时，新风负荷将分别减少1 968.55 MJ，1 972.3 MJ，从表 1 可知风机消耗电能将减少68.38 MJ，85.47 MJ，空调系统制热量将减少566.51 MJ，707.69 MJ。同时，可以看出新风负荷下降趋势较为明显；表明带有热回收的新风系统实行上述2 种运行方式对减少新风系统能耗、空调负荷影响较显著。

4 结语

本文在新风系统设有热回收装置，提出了根据人们作息规律、室内污染物浓度控制新风系统启闭的智能化运行方式，并通过实验数据计算出新风系统采用上述2 种运行方式时，在每个供暖季新风系统的运行能耗可分别减少2 534.7 MJ，2 679.99 MJ，同时，采用2 种运行方式对减少新风系统引起的热负荷及建筑总负荷具有重要意义。