王仕杰等人|新风对近零能耗居住建筑冷热需求影响分析

在我国能源消费中，建筑运行能耗占总能耗的20%以上，减少建筑能源消耗、降低碳排放的前提是减少能源需求。近零能耗建筑以其更优的围护结构和高气密性可大大降低建筑用能需求，成为了建筑发展的趋势和热点。与一般建筑相比，近零能耗建筑具有负荷需求低、新风负荷占比大的特性。新风的不同利用方式对近零能耗建筑的冷热需求具有较大影响，为提升建筑暖通空调系统效率、指导专用设备开发，研究新风利用方式对建筑冷热需求的影响十分必要。

在近零能耗建筑冷热需求研究与系统节能性分析方面，国内外学者开展了大量工作。赵安琪模拟对比了严寒、寒冷地区居住建筑的新风负荷，结果表明严寒、寒冷地区冬季宜采用新风显热回收，寒冷地区夏季宜采用全热回收。陈彤等人对比了4个气候区典型城市的新风负荷特点，指出与围护结构负荷相比，各气候区新风负荷均比较可观。Liu等人指出被动式热回收技术具有高效、低成本等特点，在零能耗建筑中有广泛的应用前景。彭岩等人模拟得到严寒、寒冷地区近零能耗建筑热负荷及寒冷地区冷负荷与新风量呈正相关。Zhang等人模拟了沈阳超低能耗建筑的新风负荷，结果表明围护结构性能越优异，新风热负荷占总热负荷的比例越大。韩武松等人通过分析北京市超低能耗幼儿园暖通空调系统，指出应考虑排风系统与新风系统的联动关系。Liang等人在英国东北部通过监测近零能耗建筑和常规建筑的运行能耗，得出高效新风热回收对于降低运行能耗至关重要。

近年来，近零能耗建筑的研究在居住建筑方向取得了显著进展。瞿燕等人对上海市典型居住建筑案例进行了分析，提出了适用于上海的近零能耗居住建筑技术指标。李文涛等人利用聚类算法，结合建筑热工设计分区，给出了不同气候区供冷年耗冷量的参考范围。王立峰等人提出了近零能耗居住建筑中采用新风热回收装置全年节能量的计算方法，分析了近零能耗居住建筑中采用热回收装置的全年节能量。

上述研究为近零能耗建筑冷热需求分析提供了坚实的基础，但这些研究主要集中在严寒、寒冷地区的建筑案例分析，关于其他气候区的分析较为有限。此外，现有研究在提出近零能耗建筑的节能方法时依赖于理论计算，未考虑建筑热惰性等带来的影响，缺乏依据建筑逐时负荷计算有无利用新风热回收系统及新风作为自然冷源对建筑冷量需求影响的研究。因此本文通过建立典型近零能耗居住建筑的动态仿真模型，模拟分析其在不同气候区、不同新风利用场景下的年耗冷/热量特征，探讨新风热回收及利用新风作为自然冷源对建筑冷热需求的影响，从而为新风热回收系统和免费供冷在不同气候区的使用提供参考，为近零能耗建筑专用能源环境产品的研发提供指导。

1.1 典型建筑户型介绍

本文选择如图1所示的近零能耗居住建筑作为典型户型。该户型南北通透，面积约122 m ² ，包括客厅、卧室、卫生间、餐厅、厨房、储藏间及生活阳台，是典型的居住建筑标准层户型。在该户型中，送风口布置在客厅、餐厅及卧室，回风口布置在餐厅，排风口布置在卫生间，厨房有单独的补风和排风系统，其补风位于房间的东北角，补风通过次卫与室外相连的窗户实现，排风通过抽油烟机实现，储藏间及生活阳台无机械通风口。

与供暖季不同，供冷季新风热回收利用并不总是有利的，严寒和寒冷地区典型城市的新风热回收起到负向作用，年耗冷量分别增加1.67、0.55 kW·h/m ² 。夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区，供冷季室外温度较高，新风热回收起到正向作用，典型城市的年耗冷量分别降低3.09、6.03、0.18 kW·h/m ² ，降低比例在11.94%~42.86%之间。昆明在采用新风热回收前后，虽然降低比例较大，但年耗冷量分别为0.42 kW·h/m ² 和0.24 kW·h/m ² ，热回收绝对贡献量有限，热回收技术需在经济性合理的基础上应用。

在场景2的基础上，当室外气象条件满足GB/T 51350—2019中的要求，即室外空气温度≤28 ℃且相对湿度≤70%时，利用自然冷源以无组织开窗通风的方式消除建筑负荷，不计算此条件下建筑的供冷需求。相比于场景2，在利用自然冷源后5个气候区的年耗冷量都有一定程度的降低，除昆明外，其他4个城市年耗冷量均降低2.00 kW·h/m ² 以上，降低比例在6.82%~37.71%之间，且从严寒地区到夏热冬暖地区年耗冷量降低比例和降低数值均逐渐减小。这是因为夏热冬冷和夏热冬暖地区供冷季室外温湿度较高，可利用自然冷源的时间占供冷季全时段的比例低于严寒、寒冷地区。
3.2 有热回收下建筑冷热需求特性

相比于场景1，场景2回收排风中的冷量/热量对新风预冷/预热，以降低建筑年耗冷/热量。利用新风热回收后5个城市供冷季及供暖季的分项耗冷/热量变化如图4所示。

采用热回收前后，除温和地区外的4个气候区，典型城市新风年耗显冷量增加比例依次为73.58%、85.92%、138.57%、66.67%，年耗显冷量（室内年耗显冷量与新风年耗显冷量之和）增加比例依次为29.94%、10.85%、5.09%、-0.19%。由此可知，新风热回收对除广州以外地区的年耗显冷量均为负面影响，其增加比例从严寒地区到夏热冬暖地区逐渐降低，这是因为随着纬度降低，室外平均温度升高，热回收利用的负面作用减小。

新风年耗潜冷量在此4个气候区降低0.13~6.12 kW·h/m ² ，降低数值从严寒地区到夏热冬暖地区逐渐增大。年耗潜冷量均降低，降低比例在39.71%~50.13%之间。热回收后年耗潜冷量占年耗冷量的比例降低4.85%~13.38%，可见随着纬度降低，新风热回收在年耗潜冷量降低方面作用更大。夏热冬冷、夏热冬暖、温和地区典型城市年耗潜冷量的降低程度高于年耗显冷量的增加程度，因此建筑年耗冷量降低。严寒、寒冷地区利用新风热回收后年耗显冷量的增加程度大于年耗潜冷量的降低程度，因此建筑年耗冷量增加。但在部分室外气象条件下，利用新风热回收仍可以获得积极作用，降低部分时刻的耗冷量。哈尔滨在利用热回收后，总冷负荷降低的小时数为281 h，占建筑有冷量需求小时数的17.94%。图5显示了哈尔滨典型日气象参数及建筑的逐时耗冷量变化，在10:00前和17:00后，利用热回收后的逐时耗冷量高于无热回收时的逐时耗冷量；在10:00—17:00，室外空气温度高于26 ℃，此时利用热回收可降低逐时耗冷量。其余4个气候区典型城市供冷季可有效利用热回收的小时数比例为：北京35.38%，武汉51.39%，广州75.93%，昆明78.59%。因此设置差异化新风热回收可以对降低年耗冷量需求作出积极贡献。昆明由于年耗冷量绝对数值较小，改善空间十分有限，新风热回收的经济性是技术实施的关键因素。

在供暖季，场景2较场景1各气候区典型城市新风年耗热量降低67.02%~68.24%，建筑年耗热量降低46.99%~54.92%，即对于我国所有气候区，利用新风全热回收可降低建筑年耗热量需求，在供暖季可有效利用热回收的气象条件比例为100%。

从新风热回收全年节能贡献率角度分析，严寒、寒冷和温和地区，冬季热回收贡献率大于夏季，夏热冬冷地区冬夏热回收贡献率相当，夏热冬暖地区则夏季热回收贡献率大于冬季。进一步对比显热和潜热回收量可知：5个气候区冬季新风热回收显热回收贡献率都在90%以上，可知对于冬季采用显热回收方式即可较好满足需求；对于夏季供冷热回收，5个气候区潜冷回收量为显冷回收量的2.6~5.7倍，因此采用全热回收方式十分必要。热回收方式的选择还要考虑节能净贡献量和经济性：严寒地区夏季新风热回收节能量远低于冬季，考虑经济性可选用显热回收方式；温和地区全年新风热回收贡献量有限，可不采用新风热回收；其他3个气候区考虑冬夏共用，采用全热回收方式更佳。

另外，在严寒、寒冷地区，供暖季新风热回收在0 ℃以下时会出现结霜或结冰的情况，影响热回收效率，降低室内的热舒适性，严重的甚至造成机组无法使用。目前解决这一问题的方法包括新风预热法、新风降效增量法及排气除霜法等，这些方法对换热器入口新风状态改变和能耗需求增加量各不相同，因此本文暂不考虑此部分差异对新风热回收的影响。
3.3 无组织自然冷源利用冷热需求特性

场景3为GB/T 51350—2019中规定的近零能耗建筑年耗冷/热量计算标准场景，各气候区典型城市近零能耗居住建筑在表1所示的围护结构条件下得到的建筑年耗冷/热量均满足规范中能效标准限值。由图4可知，场景3和场景2相比，通过开窗自然通风利用自然冷源免费供冷降低耗显冷量显著，降低耗潜冷量有限。哈尔滨利用自然通风可降低年耗显冷量3.31 kW·h/m ² ，降低年耗潜冷量仅为0.02 kW·h/m ² 。由南向北，从夏热冬暖地区到严寒地区，典型城市降低的年耗冷量范围为2.24~4.84 kW·h/m ² ，降低比例依次为6.82%、9.88%、28.14%、37.71%。温和地区的典型城市昆明年耗冷量降低比例为4.17%，但其降低值仅为0.01 kW·h/m ² ，自然通风对其能耗的影响几乎可以忽略不计。
3.4 有组织自然能源利用建筑冷热需求特性

在实际生活中，居住者很难精准地感知室外温湿度，从而精准控制自然通风时间、调节进入室内的新风量。一些高档场所采用有组织通风满足室内需求，因此分析有组织送入新风对建筑耗冷量的影响十分必要。场景4和场景3相比，差异为场景4是供冷季室外空气温度≤28 ℃、相对湿度≤70%时，有组织地向室内送入新风作为自然冷源，按照消除余热余湿计算所需的新风量，由于各气候区差异较大，统一设定送入的新风换气次数为3 h ^-1 。图6显示了各气候区典型城市在3种场景下年耗显冷量及年耗潜冷量的变化对比。

相较于场景2，无论是通过开窗自然通风还是有组织通风，均可降低建筑年耗显冷量，场景3从严寒地区到夏热冬暖地区降低比例依次为39.31%、30.24%、11.91%、8.22%，场景4降低比例依次为40.02%、23.84%、8.83%、3.14%，降低比例均为从北到南逐渐减小。与无组织自然通风通过大换气次数满足冷量需求不同，有组织通风通过引入定量的新风，使室内参数趋于设计值的过程中，会因为新风热湿参数不同，在部分时刻增加建筑的耗潜冷量，相较于场景2，场景4从严寒地区到夏热冬暖地区各典型城市的年耗潜冷量依次增加9.76%、5.56%、1.51%、2.64%，综合年耗显冷量降低和年耗潜冷量增加后的年耗冷量降低比例依次为37.71%、21.69%、7.02%、2.07%，降低比例从北到南逐渐减小。

进一步调整场景4自然冷源利用送入室内的新风量，计算建筑换气次数从0.5 h ^-1 开始，以0.5 h ^-1 的步长递增至6.0 h ^-1 工况下的年耗冷量情况，得到5个城市建筑年耗冷量随新风量的变化，如图7所示。随着新风量的增加，建筑年耗冷量逐渐降低，但下降幅度逐渐减小，当增加换气次数步长对应年耗冷量降低值低于0.1 kW·h/m ² 时，认为进一步增加新风量已无必要，以此确定有组织自然冷源利用适宜的换气次数：哈尔滨为4.5 h ^-1 ，北京为4.0 h ^-1 ，武汉为2.5 h ^-1 ，广州为1.5 h ^-1 。从北到南适宜换气次数逐渐减小，这是由室外可用作自然冷源的条件差异导致的。昆明有组织自然冷源利用在不同换气次数条件下，对年耗冷量的影响均低于0.1 kW·h/m ² ，节能效果甚微，因此不建议在温和地区供冷季采用有组织免费供冷技术。

本文针对典型近零能耗居住建筑建立瞬态仿真模型，计算在5个气候区、4种新风应用场景下的年耗冷/热量，主要结论如下：

1） 优异的围护结构可显著降低建筑年耗冷/热量，但没有有效的新风热回收及自然冷源利用技术措施，仅靠建筑围护结构性能的提升很难实现近零能耗，新风热回收是近零能耗居住建筑中的关键技术措施。

2） 在5个气候区典型城市采用新风全热回收可降低年耗热量0.86~21.50 kW·h/m ² ，降低比例在46.99%~54.92%之间，且由严寒地区到夏热冬暖地区降低数值和比例逐渐减小。广州近零能耗居住建筑年耗热量较低，利用新风热回收降低年耗热量较小，因此可不考虑供暖季采用新风热回收。供冷季，哈尔滨和北京全时段利用新风热回收起负面作用，分别增加建筑年耗冷量1.67 kW·h/m ² 和0.55 kW·h/m ² ，增加比例分别为23.32%和3.30%。武汉、广州和昆明利用新风热回收可降低建筑年耗冷量0.18~6.03 kW·h/m ² ，降低比例分别为11.94%、15.51%、42.86%。昆明在热回收利用前后，虽然年耗冷量降低比例较大，但绝对贡献量有限，热回收技术需在经济性合理的基础上应用。

3） 在供冷季全时段利用新风热回收起负面作用的城市，对符合可利用气象条件的部分时段采用新风热回收仍可降低逐时冷量需求。这一时段占供冷季全时段的比例在哈尔滨为17.94%，北京为35.38%，武汉为51.39%，广州为75.93%，昆明为78.59%，差异化可调节的新风热回收具有积极的节能、降耗意义。

4） 在供冷季通过开窗引入室外新风的自然冷源利用方式，从夏热冬暖地区至严寒地区，典型城市年耗冷量降低2.24~4.84 kW·h/m ² ，降低比例依次为6.82%、9.88%、28.14%、37.71%。温和地区典型城市昆明年耗冷量的降低比例为4.17%，但绝对数值降低只有0.01 kW·h/m ² ，采用此项技术的节能效果十分有限。

5） 在供冷季有组织利用新风作为自然冷源免费供冷可降低年耗冷量，且各区域适宜的换气次数各不相同，哈尔滨为4.5 h ^-1 ，北京为4.0 h ^-1 ，武汉为2.5 h ^-1 ，广州为1.5 h ^-1 。昆明在不同换气次数条件下，对年耗冷量的影响均低于0.1 kW·h/m ² ，不建议在温和地区供冷季采用有组织免费供冷技术。

6） 由以上研究结果可知，新风利用方式不同，对不同气候区典型城市近零能耗居住建筑的耗冷/热量有着显著影响，新风热回收对供暖工况整体有利，对于供冷工况则需要根据地区进行甄别，进行差异化设置，作为自然冷源时新风量的变化也会对年耗冷量需求产生影响。下一步需要对新风热回收机组参数的敏感性进行计算分析，以及进一步研究利用新风热回收时的控制策略，消除低温高湿空气的引入对系统能耗的不利影响，实现逐时新风量与室内负荷匹配优化。