寒冷地区风管保温对新风机组热回收效率的影响分析

在建筑物的采暖空调负荷中新风负荷占30%以上，而寒冷地区冬季时间长，室内外温差大，新风热负荷占建筑总热负荷比例更高，因此通过回收排风中的能量降低新风能耗，是实现建筑节能的有效手段。新风热回收机组的热回收效率是评价排风热回收节能效果的主要参数，热回收类型可分为显热热回收和全热热回收。在超低能耗建筑相关的技术标准中，对寒冷地区排风热回收效率均有明确规定，其中显热热回收装置的热交换效率应不小于75%，全热热交换装置的热回收效率应不小于70%。

热回收效率与进出热回收装置的新排风温度有关，在设计新风系统时，往往需在建筑内设计一定长度的新排风管路进行新排风量的输送，以保证室内新风的需求。

本文通过计算新排风管路与室内空气的热交换损失，研究其对新风机组热回收效率的影响并给出管路的保温设计原则。

1??新风机组热回收效率的计算

高效热回收新风系统通过热回收装置实现排风与新风之间的能量交换，热回收效率除与新排风进出口温度有关外，还与新排风量的差值、迎风面风速、增加热回收装置后带来的风机能耗等因素有关。本文考虑到超低能耗建筑具有很好的气密性，设计系统中的新风量等于排风量，故不考虑迎风面风速和因增加排风热回收装置带来的风机能耗影响。

采用热回收装置对新风进行热回收处理如图1所示，新风机组的热交换效率计算如式（1）、式（2）所示：

式中： η _t 为新风机组的显热热交换效率； η _h 为新风机组的全热热交换效率； t 为空气的干球温度（℃）； h 为空气的比焓（kJ/kg）； 下标为相应的进入和离开新风机组内热交换器的状态点。

图1??新风机组热回收示意

2??新风机组的风管及保温设计

在寒冷地区，根据不同的住宅户型面积所需新风量为90~400?m3/h，新风机组主要分为独立新风机组和户式能源环境一体机，安装形式主要为吊顶式和立式。图1中新风系统中的新风管道和排风管道直接通往室外，成为建筑中的两个热桥，且其中的新风管道内是直接从室外引进的新鲜空气，排风管道是室内回风与新风进行热量交换后排至室外的污浊空气，所以冬季这两根管道内部成为室内两个很大的冷源。为此需对新排风管道进行保温包裹，保温材料多采用B1级柔性泡沫橡塑，保温的主要作用一是防止风管表面结露；二是避免风管内的低温空气与室内空气进行热量交换而造成室内热量损失，进而降低热回收机组的回收效率。因此在设计管道保温，确定保温材料和厚度时，首先需保证管道保温层外表面温度高于其所在的室内空气的露点温度，还需减少管道内空气的温升和室内热量流失，以免影响热回收效率。

3??新排风风管防结露保温计算

3.1??工程实例

以河北省石家庄市某高层住宅建筑为例，石家庄市属寒冷B区，冬季室外气象数据如下：空调室外计算温度为–8.8 ℃，空调室外计算相对湿度为55%，相应的室外空气含湿量为1.0?g/kg，比焓值为–6.4?kJ/kg。

该项目每户有1台能源环境一体机，安装在厨房吊顶内。冬季室内环境参数为20 ℃，相对湿度为30%，相应的含湿量为4.4?g/kg，比焓值为31.4?kJ/kg。

机组采用全热热交换芯体，即除对排风的显热进行回收外，还进行湿度回收，全热热回收效率为70%，根据式（1）~式（3）计算，新风温度 t ₁ 为–8.8?℃， d ₁ =1.0?g/kg，回风温度 t ₃ 为20℃， d ₃ =4.4?g/kg时，计算排风温度 t ₄ 为–0.1℃，含湿量 d ₄ =2.02?g/kg，含湿量为2.02?g/kg的等含湿量线与相对湿度95%的线进行交汇，交汇点处的空气干球温度为–6.5?℃，即排风温度低于–6.6℃时热回收芯体才会有结露风险，因此可不对机组进行预热。

3.2??管道防结露保温厚度计算

新风机组的风管设置保温层，防止风管保温层外表面结露的保温层厚度计算如式（3）所示：

式中： T _S1 为风管表面的温度（℃）； T _S2 为保温层表面的温度（℃）； T _A 为周围环境的温度（℃）； R ₁ 为保温层的热阻（㎡·℃/W）； R _T 为总热阻， R _T = R ₁ + R _F （㎡·℃/W）； R _F 为空气侧的热阻， R _F = R _N + R _W （㎡·℃/W）； R _N 为风管内气流与管壁间的对流换热热阻（㎡·℃/W）。

R _N 与 R _e 有关，试验结果表明 R _N =0.286 D ^0.25 / V? ^0.8 ， D 为风管直径（m）， V 为管内风速（m/s）。 R _W 为风管保温层外表面与周围空气气流的对流换热热阻，考虑新风机组在厨房吊顶内，根据文献可简单取值为0.1。

本高层住宅每层4户，厨房内集中了能源环境一体机管道、厨房补风管道及燃气排烟管道，根据新排风口的间距设计要求，不同户型新风机组的新风口和排风口在外墙的位置不同，造成新排风管道的管长不同，最短者仅1?m，最长的因跨越卫生间、卧室等房间，长度达8?m。一般新排风管路根据风量和风速要求，管路直径 D =160?mm，相应的风速一般为2.76?m/s，因此 R _N 计算后可取值0.08?㎡·℃/W，则 R _F =0.18?㎡·℃/W。

冬季室内环境参数为20℃，相对湿度为30%，则风管外空气的露点温度为2℃，当保温层外表面温度达到露点温度（2℃）时，周围环境温度 T _A 为20℃，根据式（5）计算保温层厚度为3.67?mm。

考虑到新风机组放置在厨房内，厨房内的湿度在做饭时可达到60%，因此计算厨房温度20℃，相对湿度为60%时，保温层外侧露点温度为11.9℃，计算保温层厚度为15.64?mm，管道保温设置20?mm。夏季室外环境参数为35.1℃，相对湿度为60%，空气露点温度为26.1℃，周围环境温度为26℃，根据式（3）即夏季基本无结露风险，因此只考虑冬季防结露要求。

新排风管道穿墙部位均属热桥，从超低能耗建筑室内舒适性角度考虑，热桥部位的温度与室内温差不应超过3℃，故管道保温外表面温度应达到17℃，而此时的保温厚度理论计算结果应达到52.63?mm，则实际管道保温层应设置为60?mm厚。

同理计算排风管道的温度，在达到热回收效率70%的前提下，排风管道的入口温度为–0.1℃，则按防结露要求，管道保温厚度理论计算结果为不足1?mm；而为满足热舒适性要求，管道保温层厚度理论计算应达到34.88?mm，即管道保温应设置40?mm厚。

4??管道温升计算分析

4.1??管路温升计算

风管管路的温升和的热量计算如式（4）~式（6）所示：

式中： T ₁ 为某段风管的出口温度（℃）； T _e 为某段风管的入口温度（℃）； D 为风管直径（mm）； V 为风管内风速（m/s）； K 为传热系数，与式（4）中的 R _T 互为倒数[W/（㎡·℃）]； ρ 为空气密度，取1.293?kg/m3； L 为风管的长度（m）； ? T 为管路的温升（℃）。

4.2??实际案例计算分析

本案例管道长度取1~10?m，管道保温材料为柔性泡沫橡塑，保温材料的热导率为0.034?W/（m·K），新风管道进口温度 T _e 为–8.8℃，环境温度 T _a 为20℃，分别设置管道保温厚度为20~80?mm，间隔为10?mm，根据式（4）~式（6）得出不同管长，不同保温厚度下的新风管道的温升变化曲线（图2）。

图2??新风管道温升计算结果

从图2可看出，在相同管道长度下，管路温升随管道保温层增厚而逐渐减少，管长1?m，管道保温层厚20?mm时管路温升值很小，仅0.28℃；保温层厚增至60?mm后管路温升仅0.1℃；管路长度达到5?m时，保温层厚度从20?mm增至60?mm，管路温升从1.38?℃降至0.55℃，保温层厚度增加至70?mm后管路温升不足0.5℃，管路长度达到10?m时随保温层厚度增加，管路温升从2.7℃减少至0.85℃；在同等保温层厚度下，随管路增长温降逐渐增大，管道保温层厚60?mm时，管路温升在0.11~1.1℃范围内，保温层厚达到70?mm及以后管路温升不足1℃。

同样，在达到热回收效率70%的前提下，排风管道的入口温度为–0.1℃，周围环境温度为20℃，不同长度的管路和不同保温厚度下的管路温升变化曲线如图3所示。

图3??排风管道温升计算结果

从图3可看出，在相同的管道长度下管路温降随保温层的增厚逐渐减少，管长1?m时保温层厚度20?mm，管路温升值很小，仅0.20℃，保温层厚度达到50?mm后，管路温升不超0.1℃。管路长度达到5?m，保温层厚度增加至50?mm后管路温升不足0.5℃；管路长度达到8?m时，保温层厚度增至80?mm后管路温升不足0.5℃；在同等保温层厚度下，随管路增长温降逐渐增大，管道保温层增至50?mm时管路温升不超1℃。

5??管路保温对热回收效率的影响计算

通过本文3.1节计算得出，新风进入热交换器时的比焓值 h ₁ =?–6.4?kJ/kg。 回风比焓值 h ₃ =31.4?kJ/kg，全热交换效率为70%，则新风送风比焓值 h ₂ =20.06?kJ/kg，因此理论计算机组的全热回收量可按式（7）计算：

式中： Q _q 为全热量（kW）； G 为管道内空气的流量（m3/s）。

所以 Q _q =1.29×200/3?600×（20.06+6.4）=1.90?kW，基准热量值为 Q _q =1.29×200/3?600×（31.4+6.4）=2.72?kW。

根据4.2节部分的管路温升计算，管道内空气的湿度不变，则管道内空气的热量增加值可按式（8）计算：

式中： C 为空气的定压比热容，取1.005?kJ/（kg·k）； G 为管道内空气的流量（m3/s）。

由式（6）（7）（8）可计算不同保温厚度、不同管长下的管路热量变化值，以设备在达到70%热回收效率下的热回收量为基准，分析热回收效率的减少值，结果见表1、表2。

表1??不同新风管路长度和保温层厚度（20~50?mm）下的热回收效率计算结果

表2??不同新风管路长度和保温层厚度（50~80?mm）下的热回收效率计算结果

图4 ??新风管道保温对热回收效率的影响曲线

综合表2和图4可知，随保温层厚度增加，不同长度的管道机组热回收效率与设计值基准值70%的差距越来越小。保温层厚度达到60?mm时，随管路增长热回收效率降低值从0.44%升至3.06%，管道保温层达到70?mm后，长1~3?m的风管热回收效率降低不足1%，因此长1~3?m（含3?m）的管道保温层设置为60?mm，长3~8?m（含8?m）的风管管道保温层增至80?mm时，热回收效率降低不足2%，长8~10?m的风管热回收效率降低不足2.5%，据此建议超过3?m长的风管保温层厚度不小于80?mm。

同理，对排风管道的热量变化和热回收效率进行计算，变化曲线如图5所示。

图5??排风管道保温对热回收效率的影响曲线

从图5可看出，管道长度在1~3?m范围内，管道保温层厚度达到50?mm时，热回收效率降低值小于1%，因此将管道保温层设置为40?mm厚即可，管道长度在3~7?m范围内，热回收效率降低值为1%~2%，保温层厚度达到60?mm时，管长7~10?m范围内热回收效率小于2%，因此管长超过3?m时，保温层厚度应不小于50?mm。

6??结论

高层住宅室内新风机组通向室外的新风管道和排风管道均需进行保温，以寒冷地区为代表的石家庄市为例，从机组热回收效率影响的角度进行分析，新风管道长度在1~3?m范围内时，管道保温层可采用60?mm厚柔性泡沫橡塑保温材料，长度超过3?m后，管道保温层应至少采用80?mm厚的柔性泡沫橡塑保温材料，排风管道长度在1~3?m范围内，管道保温层可采用40?mm厚的柔性泡沫橡塑保温材料，超过3?m后管道保温层厚度应至少达到50?mm。