2024第九届
上海国际空气与新风展览会

AIRVENTEC CHINA (SHANGHAI) 2024

2024年6月3-5日

上海 | 国家会展中心(虹桥)

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双碳科普|在被动式超低能耗建筑中如何应用【热泵新风技术】


热泵技术新风系统

 

装配式钢结构住宅超低能耗建筑能够实现节能环保,符合建筑市场发展趋势,同时也为广大居民打造了舒适完美的宜居环境。作为衡量人体感知舒适性指标的房间温湿度及室内空气质量等参数控制尤为重要,目前在超低能耗住宅项目中实现上述指标选用的主流设备为新风空调一体机,此设备原理以作为可再生能源的空气为介质,采用热泵技术得以实现。通过对应用于超低能耗住宅项目热回收换热器、空气源热泵及新风空调优化设计及施工等方面的分析,解决能源利用效率低、经济性差的问题。

 

被动式超低能耗建筑

 

被动式超低能耗建筑是指适应气候特征和自然条件,通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构,采用高效新风热回收技术,最大程度地降低建筑供暖供冷需求,并充分利用可再生能源,以更少的能源消耗提供舒适室内环境并能满足绿色建筑基本要求的建筑。

 

超低能耗建筑的主要技术指标为:

 

(1)房屋单位面积年采暖需求≤15 kWh/(m²a)或房屋单位面积采暖热负荷≤10 W/m²;

 

(2)房屋单位面积年制冷需求≤15 kWh/(m²a)或房屋单位面积最大制冷负荷≤20 W/m²;

 

(3)房屋单位面积年一次能源总需求≤120 kWh/(m²a);

 

(4)房屋气密性在室内外压差50pa的条件下,换气次数≤0.6/h(50 Pascal);

 

(5)室内环境全年处于舒适状态,室内温度宜为20-26°C,超出该温度范围的频率≤10%。

 
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新风空调系统

 

热回收新风机

 

空调新风一体机是针对被动房研究的新型设备,它是空气源热泵机组和热回收新风机组的有效组合,既能够作为房间的冷热源,又能够提供新风。其中热回收新风机是一种高效、节能、环保的全方位换气新风系统,它的核心部件及实现节能的部件均是换热器,例如,夏季住宅内空气焓值通常比室外空气焓值低,厨房、卫生间等污浊空气由排风口、排风管道进入新风机热交换器,此时室外较高焓值新风也由室外新风口及新风管道进入热交换器,因新风、排风的焓值不同,所以进行热交换,使得新风焓值降低,达到节能的目的。

 

空气源热泵机组

 

超低能耗住宅建筑宜优先利用高效新风热回收系统满足室内供冷或供暖要求,但为保证房间的舒适性,有时还会额外向房间补充一些冷量或热量。这种提供辅助能源大部分就是通过空气源热泵得以实现的。空气源热泵通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀等组成。

 

空气源热泵作为超低能耗住宅建筑辅助冷热源,得到广泛的应用。但在冬季制热采暖时,制热能效比(cop值)随环境温度降低而下降,在0~-10°C环境温度工作时,热泵机组能效比衰减较快,普通型空气源热泵在-10°C下将无法工作,为了提高制热能效比,需采用带喷气增焓技术的热泵系统。

 

运用喷气增焓技术的空气源热泵具有的优点如下:低温环境制热工况时,热泵机组压缩机的排气温度随着补气压力升高下降显著,故增大补气量可以改善压缩过程并能更好降低排气的温度,使得压缩机能够可靠的运行;低温环境制热工况时,热泵机组制热量提升随相对补气压力几乎是线性增长,能够更好提高低温制热工况效率。综上所述,严寒地区寒冷地区选择带喷气增焓技术的热泵系统能够显著提高制热效率。

 

新风热回收换热器分类

 

新风热回收换热器按照原理不同分为转轮换热器、板式换热器、溶液循环式换热器、热管式换热器和溶液吸收式换热器等。每种热回收装置有其独特的运行原理、工作特性、运行参数、使用场合以及适用工况等。

 

(1)转轮换热器。适用于温差较大的新风热回收系统。转轮换热器缺点如装置体积较大,设备占用空间大,转轮因设置转动机构,转动就消耗能量,另外转轮换热器的风压压损较大,有气流渗漏,会发生交叉污染现象。

 

(2)板式换热器,不能进行潜热回收,只回收显热,板式换热器具有使用寿命长,方便维护保养,同时换热效率高,该种换热器特别适用于室内外温差大,湿度小的地区。

 

(3)溶液循环式换热器具有如下优点:室内排风与室外新风是完全隔离互不直接接触,这样就不会产生交叉污染。吸收热量侧和释放热量侧是通过管道连接的,因为管道布置方式比较灵活多样,所以对空间要求不高,安装方便快捷;该换热装置的缺点是只能对显热进行回收,潜热是不能回收利用的。再有,因为管路中需要配置循环泵,所以需额外耗费能源动力。另外因为热量是通过中间热媒进行输送的,故存在温差损失,导致换热效率通常在60%以下。

 

(4)热管式换热器。热管式换热器具有优点如下:热管换热器布局紧凑合理,传热面积较大。热管式换热器因为没有设置转动装置,所以便没有额外的能源消耗。另外,每根热管自成换热体系,不易堵塞也方便更换。热管换热器工作时,温度降小,近乎于等温运行工作,换热效率处于60%-70%之间;该换热装置的缺点是对潜热不能进行回收利用。

 

(5)溶液吸收式换热器。溶液吸收式换热器具有如下优点:冬季无需考虑防冻措施,溶液在-20°C不会结冰。新风与排风可以完全独立,无交叉污染现象。设备构造简单、维护方便,运行较稳定。喷洒溶液可以除掉空气中大部分细菌及微生物及可吸入颗粒物,能够净化空气。全热回收效率较高,可以达到50%-85%,且全热回收效果不会随使用时间的增加而衰减;该换热装置的缺点是设备的外形尺寸较大,安装占用的空间多。系统中设置有溶液泵,需要额外的动力能源消耗。如果室内产生有毒有害气体,且该气体会溶解在溶液中随溶液喷淋发生挥发则不能采用此种设备。

 

经过对比,针对超低能耗住宅项目来讲,根据换热器能量回收原理和结构不同选择板式及转轮式换热器无论是从热回收效率、初投资、运行能耗方面都是具有明显优势;转轮式与板式回收系统在显热效率和潜热效率相差不大的情况下,由于不需要提供装置运行转动所需电能,板式回收装置的系统能效要高于转轮式热回收装置。

 

超低能耗住宅建筑新风空调设计

 

通风电力需求

 

超低能耗建筑对能耗指标有严格限制,根据《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑)》规定,热回收装置单位风量风机耗功率应小于0.45W/(m³/h)。故此,在设备设计选型时,热回收新风机组的单位风量耗功率一定要在此限值之内。

 

风量衰减与能耗问题

 

超低能耗住宅建筑新风系统设备内部的过滤网是有一定阻力的,机组刚开始投入运行时滤网的阻力最小,称为滤网的初阻力,随着使用时间的延长,新风设备内部滤网的积尘会逐步增多,从而使得过滤网的阻力值不断升高,当滤网的容尘量达到饱和时对应的阻力为滤网的终阻力,也就是滤网的最大阻力。一般情况下当滤网的容尘量达到饱和时,滤网的终阻力比初阻力增大一倍。目前,过滤网自清洁技术是解决过滤网尘积最经济环保的技术,此技术分为微颗粒凝聚技术和滤网自清洁技术。微颗粒凝聚技术是指利用光热凝聚超细颗粒物的机理,有效凝聚PM2.5,将微颗粒凝聚成大的颗粒,有效提高滤除效率,有效降低能耗,并有效避免了普通静电除尘技术带来的臭氧污染问题。滤网自清洁技术,是设置定期自动清洁的滤网,滤网使用一段时间积尘后,利用该技术及时清除积尘,有效地避免了新鲜空气通过积尘滤网后再次受到污染。另外,利用该技术还能大幅度延长滤网的使用寿命,降低后期维护频率及使用成本,同时可有效地解决新风系统风量衰减所造成的能耗问题。

 

施工前优化

 

通风系统中风机的机外静压等于系统管网的总压力损失,包括沿程压力损失及局部压力损失。总压力损失越大,那么通风机消耗的功率就越大,建筑物的能耗指标就会增大,所以,施工前对通风系统管道进行优化,即保证系统使用功能,又尽量降低系统总压力损失。风量一定的情况下,通风系统的阻力越小则系统所需风压越小,相应风机功率就越小,也就越节约能耗。故此,减小通风系统的阻力是我们施工前优化的关键。风管沿程阻力与风管的长度成正比例关系,即风管长度越长,沿程阻力越大,基于此,施工前对管路优化时在考虑气流组织合理的情况下,尽可能减小风管的长度;风管沿程阻力和局部阻力均与风管内空气流速的平方成正比例关系,所以,降低风管内空气流速可以减小系统的阻力,虽然加大风管截面会使风速降低,但却会带来工程成本的增加,综合考虑下,超低能耗住宅建筑通风系统室内主风管内风速宜为2~3m/s、支风管内风速不宜大于2m/s;通风、空调风管系统中产生局部阻力的配件,主要包括空气进口、弯管、变径管、三(四)通管、风量调节阀和空气出口等,所以为减小通风系统局部阻力,管路优化时尽量减少上述部件的使用数量。超低能耗住宅建筑新风空调系统的新风(送风)管与排风(回风)管分别连接室内及室外空间,在新风空调系统不运行情况下,依靠室内外压差作用,有时也会将室外冷(热)空气压入室内,增加室内冷(热)负荷;另外,如住宅套内房间较多,一套新风空调系统工作时向套内所有房间均送新风,则对套内无人房间的空气处理会产生能源的浪费。基于以上考虑,我们课题组正在研究一种带电动阀片的风口,根据新风空调设备的开关及所处房间需求控制此风口的开关状态,更好的实现节能。

 

施工过程中质量控制

 

超低能耗住宅项目新风空调系统管道保温质量对系统冷热量损失也影响较大,为达到节能目的施工中加强对保温质量的控制也有重要意义。橡塑保温施工时,保温板的切割下料施工工序操作难度较大,橡塑本身柔软,切割时的切口不容易平直,此缺陷会带来保温层外表面棱角不清,线条不直,观感性差,甚至如果切口误差大的话,会造成保温层覆盖不严、结露、冷热量损失等情况发生。施工过程中要对切割效率和切割质量密切关注。

 
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针对采用空气源热泵技术的新风空调系统在超低能耗住宅建筑应用中能源利用效率低的问题,本文通过对多种不同型式新风换热装置的分析对比得出在超低能耗住宅建筑中应用板式及转轮式换热器比其它型式换热器具有明显优势;

 

关于能量回收形式方面是回收显热还是回收全热应视项目所处气候带及具体情况综合考虑;

 

在严寒地区及寒冷地区选用带喷气增焓技术的空气源热泵比常规热泵能够显著提高制热效率;

 

在超低能耗住宅建筑新风空调设计方面严格控制并尽量减小单位风量风机耗功率降低系统能耗;

 

在施工优化过程中,尽量减小新风空调系统阻力,降低系统能耗。另一方面,管道保温施工中,严格控制施工质量,减小系统能量损失。

 

(文章来源:双碳魔方)

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