中小型超低能耗公建项目空调形式的选择探讨

【摘要】本文对夏热冬冷地区超低能耗建筑暖通空调系统设计中存在的技术和管理问题进行了剖析。分析了超低能耗建筑空调系统的负荷特性及用能特点，指出常规空调系统的设计手法与超低能耗建筑不能匹配。超低能耗建筑“小负荷”、新风不间断运行等特点决定了超低能耗建筑空调设计可以让新风承担更多的负荷。新风承担负荷不足部分由中温水和高温水末端来承担。而采用中高温水供冷，带来常规末端的冷量衰减恰好能很好地匹配空间的“小负荷”冷量，同时又提升了主机侧的能效。本文为超低能耗建筑提供了若干冷热源和末端解决方案。
 
我国超低能耗建筑的发展已有十余年的历程。超低能耗建筑在中国北方严寒和寒冷地区发展势头良好，但在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区发展相对缓慢，其原因是由于气候和用能习惯存在差异，存在技术路线不清晰、规范标准缺乏、管理机制不完善、工程实践不足的情况。由于公共建筑类型和用能的复杂性等因素，国家标准GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》[1]对于超低能耗公建项目也未像居住建筑那样对供冷、供暖年耗量提出明确的指标要求，且超低能耗公建也不像近零能耗公共建筑那样明确提出了对可再生能源利用率≥10%的要求，更强调建筑本体节能和综合节能率。因此针对超低能耗小型公建项目（无锡地区当前超低能耗公共建筑实施面积通常≤10000m2）而言，本着超低能耗建筑构建的“被动优先，主动优化”的原则，作为暖通专业设计而言，仍然是遵循围护结构热工特性改善后的成果，应对超低能耗建筑的高舒适性特征、合理匹配建筑物负荷、选择合适的系统类型成了设计的关键。
 
1超低能耗建筑负荷特性分析和实施超低能耗建筑存在的问题
 
超低能耗建筑的负荷特性有如下变化：（1）由于围护结构热工性能的极大提升，导致夏季冷负荷大大降低，特别是显热负荷大大降低。冬季在不开启任何供暖设备时，夏热冬冷地区室内温度要求保持在不低于16℃，冬季的供暖负荷也大大降低，因此全年空调负荷大幅降低是表现形式；（2）超低能耗建筑也必须是健康建筑，改善围护结构热舒适性，改善卫生条件，降低室内PM2.5，新风必须常开是重要特点，彻底改变了过去传统空调的运行模式：其他末端常开，新风系统不开或间歇启停。因此超低能耗建筑中新风负荷在总的供暖空调负荷中将占据较大份额。
 
结合无锡市在实施超低能耗建筑技术措施的若干案例可以看出，主要存在两个专业的问题：一是建筑专业存在的问题：（1）在方案阶段业主一方面要求必须建成超低能耗建筑乃至近零能耗建筑，一方面过度追求建筑的美学观念而忽视了超低能耗建筑被动优先的设计理念，追求建筑的通透性，在小型公建中多采用玻璃幕墙建筑，窗户的温差传热是墙体的4.4倍，单位面积的辐射传热是墙体的34倍，全玻璃幕墙类建筑也很难实施外遮阳技术，导致被动优先的超低能耗策略无法落到实处；（2）初步方案阶段过度重视建筑的美学，强调所谓“第五立面”（即屋顶层布局），忽视建筑功能性，忽视合理摆放暖通空调设备的重要性，对于小型公建项目，其冷热源设备及空气处理设备往往必须设置在屋顶，纷繁芜杂的屋顶造型和所谓绿植分布不是导致屋顶设备无法布置就是降低设备功效。
 
二是暖通专业设计存在的问题：建筑围护结构特性优异，供暖空调负荷需求会有明显降低，相应的空调设备的选型容量应该降低。但目前无锡市超低能耗建筑工程实践中，空调设备的选型容量普遍较常规项目并未有明显降低，其背后的原因值得反思。分析可能有以下原因：（1）未结合超低能耗建筑新型围护结构热工特性进行仔细的负荷计算，还受到过去的常规负荷指标计算思想的禁锢；（2）仍普遍采用传统的空调冷热源和末端形式，导致系统和末端选型过大，无法很好匹配超低能耗的低负荷特性，如无锡某公寓型超低能耗建筑，由于围护结构热工特性优异，房间面积较小，导致该空间空调负荷较小，在常规系统、常规末端选配下，即使选择最小一款末端设备，也无法匹配室内实际负荷。公寓诸多房间空调计算面积为10m2，负荷计算得出单位空调负荷为25W/m2,设计采用常规的风机盘管加新风系统，则仅仅需要250W的风机盘管末端来匹配，如仍然采用传统风机盘管加新风系统选型，新风处理到室内等焓线，7℃/12℃循环冷水为风机盘管提供冷源的条件下，最小的风机盘管340m3/h为1920W（按照中档选型），即使不算上新风负荷，则风机盘管的选型比实际负荷大了接近6~7倍[2]，导致实际使用时，无法精确匹配到实际负荷，夏季室内温度偏低，进而导致系统能耗并不低。
 
2 常规风机盘管+新风系统用于超低能耗建筑的思考
 
如前文所述，不妨思考普通小型公建建筑中广泛采用的多联机系统，如采用全热交换新风（新风机组不带压缩机）+VRV末端，或采用直膨式新风机组（带压缩机）+VRV末端是否能应用于超低能耗建筑内？答案是肯定的！但该类型系统应用于超低能耗建筑内确实存在如下问题：（1）对于房间较小，人员密度不大的空间，现有设备无法进行负荷匹配，往往选择不到容量较小与该空间负荷相匹配VRV末端设备；（2）负荷不匹配导致了系统能耗较大，无法体现超低能耗建筑内暖通空调系统的节能性，设备频繁启停，有可能导致设备的劳损，进而影响设备的寿命；（3）从行为节能的角度，系统能耗较大，运行管理人员往往牺牲新风系统的开启来节能，违背了超低能耗建筑即使开新风能耗也远远低于常规建筑的初衷，也违背了超低能耗建筑成为健康建筑的设计理念。
 
3 新风优先运行的超低能耗空调设计理念
 
应对超低能耗建筑，暖通空调系统的设计方法将呈现较大的变化：（1）冷热源设备的容量将大幅降低；（2）当末端房间较小且人员密度较低时，须匹配更小容量的末端设备类型，来应对室内的热湿负荷。因为新风必须常开，新风负荷占据了整个系统中负荷的较大份额，可以考虑以新风系统为主要负荷载体，让新风承担更多的负荷：对于围护结构热工性能极好的建筑，当新风承担了所有热湿负荷时，空调系统即是新风系统，不再需要设置其他空调末端形式；对于围护结构热工性能稍差的建筑，负荷不足部分由其他末端承担，当新风承担了湿负荷时，其他末端设备可以处于干工况运行，或半干半湿工况运行。此时使用常规的空调末端，常规末端对中高温水的衰减特性，恰好带来很好匹配超低能耗建筑房间“小负荷”的特征：即当冷源水温提高时，常规末端供冷能力大幅衰减，能很好匹配室内“小负荷”，中高温水系统大大提高了冷源的效率，一举两得，图1给出了某品牌850m3/h风量的风机盘管和标况322KW制冷能力的风冷热泵主机在7℃~17℃水温下制冷量和性能系数的变化情况[3]。（3）由于建筑能耗很低，对气密性要求很高，和传统建筑相比，卫生间，厨房排风渗透负荷无法忽视，须采用显热交换设备实现节能与补风，卫生间采用单独显热交换，其他区域采用全热交换，设计时须引起高度重视；（4）对于小型公建，围护结构热工性能改进体现被动优先原则，暖通空调系统主动优化，因地制宜地采用“热泵+”模式（即徐伟先生提出的多能互补，热泵空调凸显行业贡献的空调系统形式）下的空调冷热源方式：比如采用全氟系统，双冷源新风机来解决室内新风负荷和室内湿负荷，采用显热型VRV空调来解决室内显热负荷，是很好的解决方案。也可采用全水系统，即冷源采用一种或两种出水温度的“风冷+风冷”，或“地源+地源”，或“地源+风冷”等方式，采用双冷源新风机等解决新风负荷和室内湿负荷，采用中高温风机盘管来解决新风所不能承担的“剩余”负荷都是很好的匹配超低能耗建筑负荷的冷热源及末端负荷的解决方案。
 

 
图1 7℃~17℃供水温度，温差5℃下风机盘管和风冷热泵机组的性能参数
 
4 几种满足中小型超低能耗公建的空调形式选择的思考
 
基于以上讨论，超低能耗小型公建项目，暖通空调系统的解决方案的主要指导思想是：让新风承担更多的冷热负荷，不足部分由其他中高温末端来承担，使末端系统和房间“小负荷”相匹配，同时提升整个冷热源系统的能效，以下介绍几种满足小型超低能耗公建系统的暖通空调系统。
 
4.1新风环控一体机
 
通过无锡地区几个办公项目的负荷计算和运行实例验证表明，当采用实体墙为主要围护结构的建筑，且室内人员密度不大时，采用热泵型新风环控一体机是较好的解决方案。热泵型新风环控一体机其本质是一个自带冷热源的空气-空气热回收小型全空气空调箱（也即小型直膨式空调机组），室内机外形如图2所示。其运行模式需要满足一个完善的全空气空调箱的使用功能与控制策略，现有产品的热泵型新风环控一体机理论上可以实现以下运行模式[4]：（1）全新风模式，在过渡季节实现全新风免费供冷模式，此时制冷模块不开启、新风排风不经过热交换；（2）全新风制冷制热模式，无回风，新风与排风进行热交换，经过表冷器降温或加热送入室内；（3）内循环+新风制冷模式，部分排风与新风发生热交换，经过热交换处理后的新风与室内回风混合，经过表冷器降温后送入室内；（4）内循环+新风制热模式，部分排风与新风发生热交换，经过热交换处理后的新风与室内回风混合，经过表冷器加热后送入室内；（5）内循环制冷制热模式，此时室外新风口关闭，采用室内循环风对室内进行制冷与供热。（6）智能运行模式，主机能根据室内外温、湿度参数，室内CO2浓度及室内外PM2.5浓度含量来选择新风量、回风量、全热交换器是否旁通等运行状态，实现全自动智能运行。图1体现了超低能耗建筑实施带来空调负荷的降低，给空调形式带来新变化，理论计算和实践表明：在无锡地区，当空调冷负荷降低到30W/m2左右时，可以采用热泵型新风环控一体机来满足室内舒适性要求。
 
该种空调方式应用在小型公建项目有如下不足之处：（1）须提供合理的室外机摆放位置，如果室内外机距离较长，将使得能效比本不高的设备本身制冷制热出力进一步降低；（2）由于室内机一般吊装，目前最大冷量设备容量一般不超过10KW，对应的服务区域不超过300m2，服务范围偏小；（3）末端为全空气系统，具有独立房间属性的（如酒店客房）空间会有交叉感染的风险等不足之处。

 
图2 新风环控一体机室内机
 
4.2新风优先的全氟温湿分控系统
 
采用“新风+风机盘管”新风优先运行的全氟系统来匹配超低能耗建筑负荷。即采用“5COP”的新风机：双极压缩双蒸发器的新风机[5]，具有排风冷凝热回收功能+“10IPLV”高温显热多联机组成温湿度分控系统，新风机组承担所有新风负荷并承担室内所有的夏季湿负荷和少部分显热负荷，由高温显热多联机承担剩余的显热负荷。其中新风机组采用了三个技术：（1）在冷凝侧利用排风的热泵热回收技术，通过排风盘管有效回收排风冷量，降低系统冷凝温度，减少压缩机耗功，提升系统能效比；（2）在夏季， 蒸发侧采用双蒸发温度，实现新风的两级降温除湿， 减少机组不可逆损失，将新风处理到较低的含湿量，满足室内湿度平衡。在冬季，通过双蒸发温度实现无霜运行；（3）采用过冷再热技术，回收再热所消耗的冷量，且不产生额外能耗，能够精准控制再热量。高温显热多联机的技术特点如下：（1）蒸发温度高，系统能效高，综合能效系数IPLV(C)可达10左右；（2）蒸发压力高，连管损失小，输送距离远；（3）主要处理显热，也可根据实际需要处理潜热，应用灵活。应用在超低能耗小型建筑中，新风机组可以设置在屋顶，通过管井和竖向风管和水平管将新风输送到每个区域。当然该系统也可以不采用高温显热多联机，可采用普通多联机来应对，对于分割很小的空间，可以采用增大室内外连接率的方式（比如室内外机连接率超过1.3进行配比），认为降低室内机的供冷和供热能力来匹配室内的“小负荷”，以满足超低能耗建筑负荷特性。
 
4.3新风优先运行的变水温热泵空调
 
对于小型超低能耗公建项目，采用“新风+风机盘管”新风优先运行的“热泵+”冷热源和末端形式，可以很好地匹配超低能耗建筑的负荷特性。所谓“新风+风机盘管”新风优先运行，即指的是新风承担自身的新风负荷和室内湿负荷及少量显热负荷，夏季提高热泵本身的供水温度，比如在9℃~17℃（9℃~13℃定义为中温冷水，14℃~17℃定义为高温冷水）[6]范围内调整水温，通过提高供水温度，人为地减少普通风机盘管的显热和潜热供冷能力，以匹配室内的“小负荷”，并通过提高热泵机组的供水温度来提高热泵的效率。由于是小型公建，热泵机组可以采用风冷热泵，或土壤源热泵，或风冷与土壤源热泵的耦合系统。至于热泵机组采用何种水温，取决于新风机组的除湿方案。图3罗列了超低能耗中小型公建项目冷热源为不同出水温度的热泵空调，新风优先运行前提下的各种形式的新风除湿机组的类型。
 

 
图3 超低能耗建筑冷热源与新风除湿机的几种组合形式
 
有以下集中新风除湿机组可以选择：（1）带全热交换的双冷源新风机，一级除湿采用常温冷水或高温冷水，二级除湿采用直膨除湿，根据一级除湿和二级除湿的比例来决定直膨机的余热用于再热还是采用主机提供的冷水用于冷却直膨机的冷凝器；（2）采用二级蒸发器的直膨机+排风冷凝热回收新风机组，如3.2节所阐述；（3）采用高温冷水一级除湿，采用溶液除湿进行二级除湿。以上三种二级除湿新风机组决定了热泵机组提供常温冷水还是高温冷水；（4）或采用全热交换+中温或高温冷水一级除湿+常温冷水机组二级除湿的新风机组。图4为典型的采用风冷热泵或土壤源热泵为冷热源，分别提供中温或高温冷水及常温冷水，新风机组为全热交换+中温或高温冷水盘管一级除湿+常温冷水二级除湿的新风机组，其他温度调节末端可以采用普通风机盘管，通过热泵机组变水温的方式来调节室内末端的供冷能力的典型系统图，其中新风的空气处理过程见文献[7]。当然也可以将整个系统直接设计成温湿度独立控制系统，采用干盘管、冷梁、毛细管、装配式辐射板等方式，实现和超低能耗建筑的末端负荷匹配。

 
图4 常温+中/高温热泵+全热交换+中/高温水一级除湿+常温水二级除湿系统组成
 
5结语
 
夏热冬冷地区中小型超低能耗建筑对围护结构热工特性的被动优化带来建筑负荷的大大降低特别是显热负荷的大大降低，同时超低能耗建筑也是健康建筑，新风优先运行，这必然导致空调设计理念与手法的改变：
 
（1）新风优先运行，可以让新风承担自身负荷、夏季除湿负荷、部分室内显热负荷甚至全部建筑负荷；
 
（2）围护结构热工性能大幅改善后，空调负荷的计算方法没有改变，根据中小型公建建筑自身的特性和空调负荷特征，有针对性的选择新风环控一体机、两级除湿氟系统+高温显热多联机、一种或两种水温可以承担室内湿负荷的双冷源新风机组+高温供水的干工况末端或半干半湿末端均是能很好匹配超低能耗建筑“小负荷”和新风不间断开启的要求，并能提高热泵主机的能效。
 
（3）在热泵热水机组的系统中，研究和明确常规风机盘管等末端形式在9℃~13℃中温系统和14℃~17℃高温冷水系统中供冷能力“衰减”的确切数据，是中小型超低能耗建筑热泵水系统末端设备选型迫切需要解决的数据，文中列举的诸多适应超低能耗建筑中小型公建的的若干空调系统，期待在今后的项目中得到实践的进一步验证。
 
（文章来源： 被动式低能耗建筑技术创新联盟）