夏热冬冷地区中小学教室中不同新风方式的分析研究

吴毅学，何梅玲，张敏敏，章文杰

（1.浙江大学 建筑设计研究院有限公司，杭州 310028；2.南京理工大学 能源与动力工程学院，南京 210094）

0 引言

建筑空调系统的良好运行为学校教室提供了舒适的环境，如何在保证其舒适的前提下，尽可能地提高其经济性，减少投资运行成本成为众多学者研究的方向。学习环境的好坏与学生的学习和健康息息相关，恶劣的教育环境直接会影响到学生的表现，对教室空调系统的节能与学生的表现之间存着一个平衡［1］。临时性教室由于其功能性质，其空调的制冷制热效率相对较差，供热能力降低20%以上［2］。为保证室内空气质量，教室内换气次数成为一个关键参数。文献［3］通过在一所小学开展的室内外空气污染强化测量活动，调查了室内外颗粒物数量浓度的相关性以及空气交换率对室内颗粒物浓度的影响。结果表明换气次数越多，室内空气中颗粒物数量越小。教室内部的空气质量和热环境也与季节变化有关，美国中西部教室的调查研究结果表明，教室内的湿度、换气速率、颗粒物数量以及甲醛浓度都有较大的季节性变化［4］。

空调建筑群会对城市微气候产生一定的影响，通过人们在无空调学校建筑中的舒适性，可以控制建筑能耗，减少对周边室外环境的影响［5］。文献［6］研究了暴露在空调房不同时间后，受试者在自然通风的教室内的热感觉情况。研究结果表明，前期在空调房内暴露时间越久，后面进入自然通风的教室内时明显感觉较热。夏热冬冷地区，空调是学校必不可少的设备，且耗能巨大。基于TRNSYS软件，对用于大学教室内的中央空调系统进行优化设计，前后系统对比发现，采用新的控制方式，能耗可以节约15.27%［7］。全热交换器作为新兴空调设备，尤其是转轮全热交换器能量回收效率高，维护方便，联合全新风处理机组的使用可以在保证新风供应的同时降低新风处理能耗［8］。近些年其被广泛用于各种场合，对其性能及应用情况的研究也很多。室外温度和湿度等气候条件都会对全热交换器的回收效率产生影响，文献［9］对不同季节的典型气候日的全热交换器的潜热和显热回收效率进行了连续实测，并结合湿度势理论对实测结果进行了分析。文献［10-11］研究了德国南部被动式学校建筑在带热回收的空调机组作用下，其室内的环境情况以及夜间制冷能效。在后续的研究中，又对学校建筑中的能耗情况进行了计算，结果表明随着通风设备热回收效率的提高，可以降低教室通风降温的能源需求，空调机组的节能率随着送风温度的升高而降低。全热交换器一定程度上减少了耗能，但并不适用于所有场合。文献［12］比较分析了全热交换器在不同室内外空气参数下能量回收性能，结果表明，北京在冬季回收量的最大值是过渡季和夏季的10倍，上海则为5.5倍，过渡季和夏季的全热回收量与冬季相比是微小的。文献［13］实测了华东地区某实验建筑中的新风热回收系统的实际节能效率，实验表明在过渡季节则无显著节能效果。文献［14］利用ENERGY PLUS软件对上海某住宅室内空气温度、CO2浓度、PM2.5浓度以及空调能耗进行模拟，并与实测结果进行对比修正。从模拟结果来看，全热交换器于上海住宅并不能体现出较好的节能优势。

当前针对学校教室等建筑的研究主要集中在其室内环境的舒适性上，对其空调系统的研究则主要集中在大学的一些特殊建筑，例如图书馆，游泳馆，剧场等，对中小学教室空调系统的研究非常少［15-17］。关于变制冷剂流量多联分体式空调系统（以下简称多联机）结合全热交换器系统在中小学教室中的应用研究基本没有涉及。本文基于中小学教室的特殊功能性，对夏热冬冷地区中小学教室中不同新风方式的耗能情况进行了模拟分析，为未来中小学教室空调系统的设计研究提供参考。

1 研究方法

1.1 房间概况

本文研究对象为一个长×宽×高为10 m×9 m×4.2 m的教室，位于杭州。教室共有两面外墙，分别朝南和朝北，朝南的外墙窗墙比约为0.4，朝北的外墙窗墙比约为0.6。东西朝向的墙均为内墙，邻室设空调，负荷计算过程中不考虑邻室传热。朝南的外墙上，设两头外门，尺寸为宽×高：1 m×2.3 m。教室可容纳45～50位学生。教室平面结构如图1所示。

图1 教室平面示意Fig.1 Classroom plan

1.2 空调系统及运行规则

空调系统的形式多样，本文主要研究多联机+全热交换器系统与多联机+通风机两种空调系统在夏热冬冷地区的中小学教室中的适用性情况。因此，本文主要对以上两套空调系统进行了模拟。空调的选型参考鸿业负荷计算8.0结合DeST软件模拟计算的结果选择。

介于教室的使用特性，本文规定，空调仅在工作日的 7：00～17：00 之间运行，夜间，周末，以及寒暑假（本文定义1月16日至2月10日为寒假，7月和8月为暑假）均停止运行。

1.3 计算软件

本文主要采用DeST软件对对象教室进行负荷计算以及不同空调系统下的全年能耗模拟。

鸿业负荷计算软件（空调负荷计算工具）是一款非常方便实用的计算空调负荷的辅助工具。其采用谐波反应法或辐射时间序列法（RTS）计算空调冷负荷，能够满足任意地点、任意朝向，不同围护结构类型和不同房间类型的空调逐项逐时冷负荷计算要求。本文主要利用鸿业负荷计算8.0对对象教室进行负荷的计算以用于教室的设备选型。

2 研究结果

2.1 主要参数设定

负荷计算及能耗模拟过程中，教室主要参数的设定参照GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》以及GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》等规范，鸿业负荷计算8.0软件与DeST软件的参数设定基本保持一致，具体数据见表1。

表1 教室主要参数Tab.1 Main parameters of the classroom

2.2 负荷计算结果及设备选型

鸿业负荷计算8.0软件对教室的负荷计算过程中，除了不考虑邻室传热之外，同样不考虑地面及楼板之间的传热。教室人员新风量根据计算为1 080 m3/h，夏季总冷负荷为22.74 kW，夏季总冷负荷（含新风）指标为252.64 W/m2，冬季总热负荷为14.97 kW，冬季总热负荷（含新风）指标为166.23 W/m2。DeST软件计算了教室全年的逐时负荷，冷负荷的峰值出现在6月29日14：00，其值为27.53 kW。教室热负荷的峰值出现在1月22日7：00，其值为13.34 kW。两个软件计算的负荷基本吻合，但由于软件本身，基本参数设定，数据库来源，计算原则等的差异原因，两者计算结果之间存在略微差异。2个软件所计算的教室总冷热负荷见图2所示。

图2 教室总冷热负荷Fig.2 Total cooling and heating load of the classroom

根据负荷计算结果，教室多联机选择FXSP125室内机2台+8P室外机1台。多联机室内机单台制冷量为12.5 kW，额定功率为90 W，多联机室外机制冷量为22.5 kW，制冷功率为5.24 kW，制热功率为5.74 kW。室内外机配比率为111：100。全热交换器数量1台，其送风量为1 600 m3/h，功率为0.74 kW。通风机数量1台，通风量为1 500 m3/h，其功率为0.28 kW。

2.3 能耗模拟结果

利用DeST软件对教室多联机的全年耗能情况进行模拟，多联机全年逐月能耗情况如图3所示。

图3 多联机全年逐月能耗情况Fig.3 Monthly energy consumption of the VRF system throughout the year

通风机工况定义为热回收率为0，全热交换器工况则分别模拟了热回收率在0.2～0.7之间的情况。根据教室的使用时间，图3所示的逐月能耗已剔除掉空调不运行期间的多联机耗能量。由图可知，由于1月和2月存在寒假，有部分时间多联机未运行，故整体上1月及2月耗能最少。去除掉暑假（7月和8月）数据后，6月与9月的多联机耗能相对较高，因为此阶段冷负荷相对较大。在较冷和较热的时候（1月，2月，12月，6月），多联机的耗能情况随着全热交换器热回收率的升高而降低，而在过渡季节（3月～5月，9月～11月），多联机的能耗反而随着热回收率的升高而升高。由此可见，全热交换器只适用于极端天气而不适用于过渡季节。

2.4 经济性分析

对多联机全年的逐时运行功率进行统计分析。全年按365天计，共8 760 h，去除掉所有工况均不运行的时间，多联机全年运行1 114 h。多联机全年逐时耗能情况如图5所示。由图可知，多联机的最大运行功率超过5.25 kW，基本为满负荷运行。平均值和中位数基本在3 kW左右，上四分位线约为3.7 kW，下四分位线约为2.5 kW，多联机较多的时间在此范围内运行。不论采用何新风供给方式（不同热回收率的全热交换器或者通风机），多联机的全年逐时耗能情况存在的差异很少。

图4 多联机全年逐时耗能情况Fig.4 Hourly energy consumption of the VRF throughout the year

对空调系统（多联机+新风）的运行能耗进行分析，空调运行能耗情况如图5所示。教室的空调运行模式工况，全年能耗在全热交换器热回收率为0.2时，耗能最低，约为3 148.57 kW·h。热交换器回收率越高，其能耗反而增加更多，这可能是有较多的时间，室外焓值低于室内焓值造成的。当新风采用通风机直接送风时，其耗能约为3 219.04 kW·h，全年能耗差距较小。通风机运行1 114 h需要耗能311.92 kW·h，全热交换器运行1 114 h则需要耗电824.36 kW·h。教室空调运行模式，多联机节约的耗电量远不及全热交换器增加的耗电量。因此，就运行能耗上而言，全热交换器并不适用于夏热冬冷地区的中小学教室。

图5 空调运行能耗情况Fig.5 Energy consumption for air conditioning operation

全热交换器的运行模式在定制情况下可实现仅送风，无回风模式。夏热冬冷地区，过渡季节使用空调频率较低，故仅提取1月，2月，6月，12月数据进行能耗比较（由2.3可知，在这4个月，多联机能耗随着热回收率的升高而减低），此4月的能耗情况见表2所。

表2 非过渡季节空调运行能耗Tab.2 Energy consumption of air conditioning operation in non-transitional season

在这4个月，多联机运行351 h，通风机工况，多联机能耗为1 275.44 kW·h，热回收率为0.7的工况，多联机能耗为1043.84 kW·h。通风机运行4个月，能耗为98.28 kW·h，全热交换器运行4个月，能耗为259.74 kW·h。对空调系统运行时间内的COP进行平均，新风采用通风机工况，系统的COP略低于全热交换器的工况。若教室仅在此4个月运行空调，采用全热交换器送新风的模式，全年可以节约用电约45 kW·h。

根据广材网建筑工程造价行业材料价格查询平台，对送风量为1 500 m3/h的全热交换器以及通风机的市场价格进行统计分析。由表3可知，全热交换器的市场价普遍要高于通风机的市场价。通风机选用聚英JDF-J静音管道风机，全热交换器选用罗特CXH-15D，对本文空调系统进行投资回收期计算，全热交换器比通风机前期投资多1 128元。电价按照0.588元/kW·h计算，全热交换器每年比通风机约节约27元。前期投资结合运行费用，教室新风采用全热交换器的模式，投资回收期超过40年。由此可见，整体性价比而言，全热交换器并不适用于夏热冬冷地区的教室。

表3 全热交换器及风机市场价格Tab.3 Market price list of total heat exchanger and fan

3 结论

本文通过对教室负荷的计算以及全年空调能耗的模拟分析，主要得出以下结论：

（1）夏热冬冷地区，新风采用全热交换器供给，在极端季节，对多联机的耗能能起到一定程度的节约。

（2）夏热冬冷地区，全热交换器用于教室送新风，节约的能耗极其有限，整体投资回收期过长，不适用于中小学教室的新风供给。

（3）全热交换器的使用能一定程度上降低多联机的能耗，但由于其本身耗能大于通风机的耗能，空调系统整体能耗未必处于较低状态。