近零能耗居住建筑中采用热回收装置全年节能量计算方法研究*

中国建筑科学研究院有限公司 王立峰 曹 阳 袁 涛 杜 争 李泽奇 游晓静

0 引言

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》[1]已于2019年实施。该标准对近零能耗建筑围护结构的保温性能、气密性能及机电设备的能效提出了较高要求，同时对所采用的新风热回收装置的交换效率进行了明确规定。由于随着供暖空调系统能效的提高，热回收装置的节能量会减少，因此对于不同的建筑节能标准，新风热回收装置的节能效果会有所不同，而目前尚无针对GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的热回收装置全年节能量的计算方法研究。

本文基于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》对近零能耗居住建筑中采用新风热回收装置的全年节能量计算方法进行了研究，并对全国主要气候区代表城市近零能耗居住建筑中采用热回收装置的全年节能量进行了计算分析，以期为近零能耗居住建筑的性能化设计提供参考。

1 全年节能量计算方法

居住建筑采用热回收装置设计阶段全年节能量计算的基本思路为：确定研究对象和目标参数，划分全年供暖空调时间段，根据典型年逐时气象数据对逐时节能量进行计算并累加，进而得到全年节能量。典型年逐时气象数据取自《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[2]。

1.1 研究对象

本研究以满足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的居住建筑为研究对象，其采用分散式房间空调器作为建筑的冷源，采用户式燃气供暖热水炉作为供暖热源，热回收新风机组的新风量、排风量相等，不考虑冬季预热防霜。

1.2 目标参数的确定

在设计阶段，热回收装置单位新风量的全年节能量可以作为建筑整体能耗评价的输入，因此本研究以单位新风量的全年节能量作为计算的目标参数。全年节能量的计算基准为同条件下不安装热回收装置的居住建筑。

1.3 全年供暖空调时间段的划分

为了计算热回收装置的全年节能量，需要了解暖通空调各设备的运行状态和运行时间。在不同的时间段，暖通空调设备的运行状态不同，因此需要对全年供暖空调时间段进行划分。对于居住建筑，其供暖、空调时间与冬季、夏季时间基本一致，因此要进行全年供暖空调时间段的划分，先进行四季时间段的划分。根据气象学中对四季的定义划分四季的时间：连续5日平均气温超过10 ℃为入春；连续5日平均气温超过22 ℃为入夏；连续5日平均气温低于22 ℃为入秋；连续5日平均气温低于10 ℃为入冬。

1.4 冬季逐时节能量的计算

对于显热回收装置和全热回收装置，因热回收而减少的供热量分别按式(1)、(2)计算：

(1)

(2)

式(1)、(2)中 ΔQh、ΔQ′h分别为采用显热回收装置和全热回收装置时因热回收而减少的供热量，kW；te、to分别为排风进口、新风进口温度，℃；hs、he分别为排风进口、新风进口比焓，kJ/kg；cp为空气的比定压热容，1.01 kJ/(kg·℃)；ρ为空气的密度，1.2 kg/m3；L为单位新(排)风量，1 m3/h；ηs、ηt分别为显热交换效率和全热交换效率。

采用燃气炉供暖，因热回收而减少的燃气炉能耗(转换为电耗)按下式计算：

(3)

式中 ΔNb为因热回收而减少的锅炉能耗(转换为电耗)，kW；φ为天然气与标准煤折算系数，取1.21 kg/m3；η1为燃气锅炉的热效率；q1为标准天然气热值，取9.87 kW·h/m3；q2为发电煤耗，取0.31 kg/(kW·h)。

因热回收芯体阻力而增加的新、排风机能耗按下式计算：

(4)

式中 ΔNf为因热回收芯体阻力而增加的新、排风机能耗，kW；P为热回收芯体的阻力，Pa；ηCD为电动机传动效率，取85.5%[3]；ηF为风机效率，取80%[4]。

因经过热回收芯体新风侧和排风侧的风量和阻力相等，新、排风机增加的能耗亦相同，故式(4)中能耗乘2。

如果热回收装置不带旁通功能，其逐时节能量按下式计算：

Nh=ΔNb-ΔNf

(5)

式中Nh为冬季热回收装置的逐时节能量，kW。

当新排风进口温差或比焓差较小时，ΔNb可能小于ΔNf，逐时节能量Nh为负值，即不节能。如果热回收装置具有旁通功能(具有旁通功能的热回收装置其风机可变速，下同)，则此时应切换至旁通状态，逐时节能量Nh=0。

1.5 夏季逐时节能量的计算

对于显热回收装置和全热回收装置，因热回收而减少的制冷量需求分别按式(6)、(7)计算：

(6)

(7)

式(6)、(7)中 ΔQc、ΔQ′c分别为采用显热回收装置和全热回收装置时因热回收而减少的制冷量，kW。

采用房间空调器制冷，因热回收而减少的制冷电耗按式(8)计算：

(8)

式中 ΔNc为因热回收而减少的制冷电耗，kW；SEER为房间空调器的制冷季节能效比。

因热回收芯体阻力而增加的新、排风机能耗ΔNf按式(4)计算。

如果热回收装置不带旁通功能，其逐时节能量按下式计算：

Nc=ΔNc-ΔNf

(9)

式中Nc为夏季热回收装置的逐时节能量，kW。

当新、排风进口温差或比焓差较小时，ΔNc可能小于ΔNf，逐时节能量Nc为负值，即不节能。如果热回收装置具有旁通功能，则此时应切换至旁通状态，逐时节能量Nc=0。

1.6 过渡季逐时节能量的计算

对于过渡季采用机械通风的居住建筑，如果热回收装置不带旁通功能，其逐时节能量按下式计算：

Nt=-ΔNf

(10)

式中Nt为过渡季热回收装置的逐时节能量，kW。

此时逐时节能量Nt为负值，即不节能。如果热回收装置具有旁通功能，则过渡季切换至旁通状态，逐时节能量Nt=0。

对于过渡季采用自然通风的居住建筑，无论热回收装置是否具有旁通功能，其逐时节能量Nt均为0。

1.7 全年节能量的计算

热回收装置单位新风量的全年节能量为冬季节能量和夏季节能量及过渡季节能量之和，按下式计算：

(11)

式中Na为热回收装置单位新风量的全年节能量，kW·h/(m3/h)；Nh,i为冬季热回收装置i时刻的单位风量节能量，kW/(m3/h)；nh为冬季供暖时间，h；Nc,j为夏季热回收装置j时刻的单位风量节能量，kW/(m3/h)；nc为夏季制冷时间，h；Nt,k为过渡季热回收装置k时刻的单位风量节能量，kW/(m3/h)；nt为过渡季时间，h。

2 主要气候区代表城市近零能耗居住建筑中采用热回收装置的全年节能量计算

2.1 全年节能量计算条件

所要计算的居住建筑满足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》要求的基本条件，即室内热湿参数设计值为冬季温度20 ℃，相对湿度30%；夏季温度26 ℃，相对湿度60%。采用分散式房间空调器作为建筑的冷源，其制冷季能效比为5.40；采用户式燃气供暖热水炉作为供暖热源，其热效率按97%(GB/T 51350—2019规定燃气供暖炉在额定负荷和部分负荷下的热效率较小值和较大值分别为95%和99%，取其平均值)计算；热回收新风机组冬季显热回收效率为75%，夏季显热回收效率为70%；冬季全热回收效率为70%，夏季全热回收效率为65%。

《实用供热空调设计手册》[5]中给出了不同迎面风速时热回收芯体的压力损失值，迎面风速为2.5 m/s时板式显热交换芯体的压力损失为84.5 Pa，板翅式全热交换芯体的阻力为218 Pa。故本算例中，对于显热回收，芯体阻力取84.5 Pa；对于全热回收，芯体阻力取218 Pa。

过渡季的通风方式分为机械通风、自然通风2种。

2.2 季节划分

对全国主要气候区代表城市进行季节划分，结果见表1。由表1可以看出，哈尔滨、北京、上海四季分明；广州只有夏季和过渡季，没有冬季；昆明只有冬季和过渡季，没有夏季。

表1 不同气候区代表城市季节划分

2.3 计算结果

2.3.1过渡季机械通风的居住建筑

对于过渡季机械通风的近零能耗居住建筑，其采用显热回收装置、全热回收装置的单位风量节能量计算结果分别见表2、3。

2.3.2过渡季自然通风的居住建筑

表2 单位风量节能量(显热回收、过渡季机械通风) kW·h/(m3/h)

表3 单位风量节能量(全热回收、过渡季机械通风) kW·h/(m3/h)

对于过渡季自然通风的近零能耗居住建筑，其采用显热回收装置、全热回收装置的单位风量节能量计算结果分别见表4、5。

表4 单位风量节能量(显热回收、过渡季自然通风) kW·h/(m3/h)

表5 单位风量节能量(全热回收、过渡季自然通风) kW·h/(m3/h)

2.4 结果分析

2.4.1过渡季机械通风的居住建筑

在主要气候区哈尔滨、北京、上海、广州、昆明5个代表城市的近零能耗居住建筑(过渡季机械通风)中，采用显热和全热回收装置单位风量全年节能量的比较见图1。

图1 过渡季机械通风单位风量全年节能量的比较

从气候区看，在温和地区的代表城市昆明的近零能耗居住建筑中，无论采用显热回收还是全热回收，无论是否具有旁通功能，其全年节能量均不高于1.22 kW·h/(m3/h)；采用全热回收的全年节能量低于显热回收，采用不带旁通的全热回收的全年节能量甚至低于零，即不节能。这是因为昆明气候温和，全年冬季只有一个多月且不太冷，其他时间全部是过渡季，采用热回收的节能潜力不大；而采用全热回收虽然能量回收的绝对值略高于显热回收，但由于全热回收芯体阻力大，所以采用全热回收的全年节能量低于显热回收。

除了昆明外，其他气候区代表城市的近零能耗居住建筑无论采用显热回收还是全热回收，其全年节能量均呈现出自北向南依次递减的趋势。这主要是因为在冬季室内外温差(或比焓差)较大且热源能源消耗效率较低(按式(3)计算热源能源消耗效率为2.45)，而在夏季室内外温差(或比焓差)较小且冷源能源消耗效率较高(冷源能源消耗效率为5.40)，所以热回收装置的节能主要体现在冬季，冬季时间越长、天气越寒冷，采用热回收装置的全年节能量越高。广州没有冬季，其采用热回收装置的全年节能量在4个代表城市中最低，采用不带旁通的显热回收的全年节能量甚至低于零，即不节能。

除昆明外的4个代表城市中，在近零能耗居住建筑中采用显热回收装置并设置旁通功能的全年节能量增加0.41～0.61 kW·h/(m3/h)；采用全热回收装置并设置旁通功能的全年节能量增加0.85～0.90 kW·h/(m3/h)。

2.4.2过渡季自然通风的居住建筑

在全国主要气候区5个代表城市的近零能耗居住建筑(过渡季自然通风)中，采用显热、全热回收装置单位风量全年节能量的比较如图2所示。

图2 过渡季自然通风单位风量全年节能量的比较

从气候区看，过渡季自然通风的近零能耗居住建筑中采用热回收的全年节能量规律与过渡季机械通风的近零能耗居住建筑类似，二者的主要区别体现在旁通功能对过渡季节能量的影响上。

从图2可以看出，无论是采用显热回收装置还是全热回收装置，其设置旁通控制功能对全年节能量的提高并不明显，5个代表城市的提高量均不高于0.34 kW·h/(m3/h)。

究其原因，在冬季室内外温差(或比焓差)较大且热源能源消耗效率较低(按式(3)计算热源能源消耗效率为2.45)，绝大多数情况是不满足旁通条件的，因此5个代表城市中除广州没有冬季外，其他4个城市热回收装置有无旁通功能冬季节能量基本不变；而在夏季室内外温差(或比焓差)较小且冷源能源消耗效率较高(冷源能源消耗效率为5.40)，满足旁通条件的时间较多，但由于夏季的可回收潜力不大，加之冷源的能源消耗效率高达5.40，因此5个代表城市中除昆明没有夏季外，其他4个城市的热回收装置有旁通功能的夏季节能量与无旁通相比有一定的提高但幅度有限；而由于过渡季采用自然通风，即不开启热回收新风机组，因此无论其是否具有旁通功能，其节能量均为零，这也是与过渡季机械通风相比，设置旁通功能的全年节能量减小的主要原因。

3 结论

本文基于GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》，提出了近零能耗居住建筑中采用新风热回收装置的全年节能量计算方法，并对全国主要气候区5个代表城市近零能耗居住建筑中采用热回收装置的全年节能量进行了计算分析(未考虑热回收芯体结霜对节能量的影响)，得到以下结论：

1) 哈尔滨全年节能量在12.67～15.05 kW·h/(m3/h)之间；北京全年节能量在6.56～8.73 kW·h/(m3/h)之间；上海全年节能量在3.05～4.03 kW·h/(m3/h)之间；广州全年节能量不高于2.07 kW·h/(m3/h)；昆明全年节能量不高于1.22 kW·h/(m3/h)。

2) 对于除昆明外的4个代表城市，过渡季采用机械通风的近零能耗居住建筑，采用显热回收装置，其设置旁通功能增加的全年节能量在0.41～0.61 kW·h/(m3/h)之间；采用全热回收装置，其设置旁通功能增加的全年节能量在0.85～0.90 kW·h/(m3/h)之间。

3) 对于过渡季采用自然通风的近零能耗居住建筑，5个代表城市热回收装置设置旁通功能对于全年节能量的提高量均不超过0.34 kW·h/(m3/h)。