被動(dòng)房需新風(fēng)換氣機(jī)實(shí)現(xiàn)熱回收及調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣循環(huán)。在夏季運(yùn)行的時(shí)候，室外引入的新風(fēng)可以通過室內(nèi)排風(fēng)獲得冷量，使引入室內(nèi)的新風(fēng)溫度降低，根據(jù)《河北省被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，這一過程的熱交換效率須在60%以上。同理，在冬季運(yùn)行的時(shí)候，室外引入的新風(fēng)可以被室內(nèi)的排風(fēng)加熱，從而提高引入室內(nèi)的新風(fēng)溫度，根據(jù)《河北省被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，這一過程的熱交換效率須在75%以上。顯熱新風(fēng)換氣機(jī)工作的原理是通過排風(fēng)管的室內(nèi)排風(fēng)和通過進(jìn)風(fēng)管的外界新風(fēng)呈現(xiàn)交叉方式流經(jīng)熱交換芯，如圖1所示。
圖1 顯熱新風(fēng)換氣機(jī)工作原理圖
目前被動(dòng)房新風(fēng)設(shè)計(jì)較少，本文將針對(duì)管道保溫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
新風(fēng)系統(tǒng)管道保溫方案
1.新風(fēng)系統(tǒng)管道溫度計(jì)算
被動(dòng)房新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共涉及4種風(fēng)管，分別是送風(fēng)管道熱交換芯到室內(nèi)的風(fēng)管、回風(fēng)管道室內(nèi)到熱交換芯的風(fēng)管、新風(fēng)管道室外到熱交換芯的風(fēng)管、排風(fēng)管道熱交換芯到室外的風(fēng)管，如圖2所示。
圖2 被動(dòng)房新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)管道
假設(shè)某地區(qū)供暖室外計(jì)算溫度為-7.2℃，冬季被動(dòng)房室內(nèi)送風(fēng)管道的風(fēng)溫不低于16℃，可根據(jù)顯熱交換率式（1-1）分別計(jì)算出各個(gè)管道的進(jìn)出口溫度。
根據(jù)《河北省被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，冬季室內(nèi)溫度要求在20℃以上，而夏季室內(nèi)溫度要求在26℃以下。以顯熱新風(fēng)換氣機(jī)顯熱交換率75%進(jìn)行計(jì)算，可求得新風(fēng)出風(fēng)溫度為13.2℃，小于被動(dòng)房冬季室內(nèi)新風(fēng)出風(fēng)溫度16℃的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在流量相同且不漏風(fēng)的情況下，根據(jù)能量守恒定律，進(jìn)風(fēng)升溫等于排風(fēng)的降溫，經(jīng)過計(jì)算得出熱交換后排風(fēng)出口溫度為0.4℃。
在送風(fēng)過程中，新風(fēng)流經(jīng)室外到熱交換芯和熱交換芯到室內(nèi)的風(fēng)管的管道、排風(fēng)流經(jīng)熱交換芯到室外的管道。在冬季時(shí)由于管道溫度過低，這三類管道將成為很大的冷源，不利于新風(fēng)與排風(fēng)之間熱交換。因此，應(yīng)當(dāng)在上述三種管道外側(cè)鋪設(shè)保溫層以阻斷冷源。
2.新風(fēng)系統(tǒng)管道保溫厚度計(jì)算
可以根據(jù)送風(fēng)管道管徑、排風(fēng)管道管徑、新風(fēng)管道管徑，并按照被動(dòng)式建筑室內(nèi)風(fēng)管風(fēng)速控制的要求，即室內(nèi)主風(fēng)管風(fēng)速在2~3m/s；支風(fēng)管風(fēng)速不大于2m/s，由式（1-2）到式（1-4）可計(jì)算出管道保溫的厚度。
（2）保溫結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)公式
風(fēng)管保溫結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為保溫層材料的輻射傳熱系數(shù)與對(duì)流換熱系數(shù)之和。可按照式（2-3）計(jì)算：
利用上述公式，可推算出排風(fēng)管道、新風(fēng)管道及送風(fēng)管道采用不同厚度時(shí)巖棉管殼管道表面的溫度,結(jié)果見表1。
表1 排風(fēng)管道、新風(fēng)管道及送風(fēng)管道保溫厚度與表面溫度計(jì)算
結(jié)合被動(dòng)房保溫效果要求,管道增加保溫后的表面溫度不應(yīng)該低于18℃。結(jié)合管道保溫效果和材料經(jīng)濟(jì)性，可得出送風(fēng)管道外保溫的厚度為40mm，排風(fēng)管道外保溫的厚度為80mm，新風(fēng)管道保溫厚度為100mm。同時(shí)，需要暖通設(shè)計(jì)人員充分考慮由于保溫厚度的增加而導(dǎo)致沒有足夠的施工空間等問題。
送風(fēng)口與回風(fēng)口設(shè)計(jì)及計(jì)算
（1）送風(fēng)口及回風(fēng)口設(shè)計(jì)
通回風(fēng)方式分為上進(jìn)下回式、上進(jìn)上回式、中送上下回式及下送上回式。
1）上進(jìn)下回式，即送風(fēng)口位于空調(diào)區(qū)的上部，回風(fēng)口位于空調(diào)區(qū)的下部。該方案的優(yōu)點(diǎn)是能夠形成比較均勻的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，送風(fēng)和回風(fēng)不易發(fā)生“短路”，是混合式送風(fēng)的基本方式；缺點(diǎn)是回風(fēng)口和回風(fēng)管道的設(shè)置不便。
2）上進(jìn)上回式，即送風(fēng)口位于空調(diào)區(qū)的上部，回風(fēng)口也位于空調(diào)區(qū)的上部。室外新風(fēng)與室內(nèi)空氣充分混合后進(jìn)入工作區(qū)，排風(fēng)由空調(diào)區(qū)上部的回風(fēng)口排出空調(diào)區(qū)。該方式適用于不適在房間下部布置排風(fēng)口的場(chǎng)所，且這種回風(fēng)方式易發(fā)生氣流短路現(xiàn)象。
3）中送上下回式，即中送上、下回方式，送風(fēng)口位于空調(diào)區(qū)的中部，回風(fēng)口空調(diào)區(qū)的上部或者下部。室外新風(fēng)由空調(diào)中部直接進(jìn)入工作區(qū)，排風(fēng)由空調(diào)區(qū)上部或者下部的回風(fēng)口排出空調(diào)區(qū)。在某些高大建筑內(nèi)，實(shí)際工作區(qū)仍在2m以下，不需要將整個(gè)空間作為調(diào)節(jié)的對(duì)象，可以采用中部送風(fēng)的方式，且具有一定的節(jié)能效果。
4）下送上回式，即下送上回方式。送風(fēng)口位于空調(diào)區(qū)的下部，回風(fēng)口位于空調(diào)區(qū)的上部。室外新風(fēng)由空調(diào)下部進(jìn)入室內(nèi)與房間內(nèi)空氣混合，排風(fēng)由空調(diào)區(qū)上部的回風(fēng)口排出空調(diào)區(qū)。該方式適用于室內(nèi)余熱量很大，特別是熱源靠近頂棚的場(chǎng)所。
無(wú)論利用哪種方式，被動(dòng)房新風(fēng)設(shè)計(jì)的主要目的是通過形成有效的新風(fēng)區(qū)、溢流區(qū)及排風(fēng)區(qū)，使新風(fēng)在室內(nèi)得以充分循環(huán)，進(jìn)而覆蓋到房間的每一個(gè)角落。
圖3展示了理想狀態(tài)下的被動(dòng)房室內(nèi)新風(fēng)組織設(shè)計(jì)，描述了經(jīng)過新風(fēng)熱交換機(jī)的室外新風(fēng)通過客廳上部進(jìn)入室內(nèi)，在衛(wèi)生間設(shè)置回風(fēng)口將室內(nèi)污濁空氣通過回風(fēng)管道引入新風(fēng)換氣機(jī)，進(jìn)行室內(nèi)空氣的余熱回收利用。
該方案的優(yōu)點(diǎn)是利用衛(wèi)生間排風(fēng)產(chǎn)生的負(fù)壓使起居室形成了溢流區(qū)，即使不用在起居室額外增加新風(fēng)管道也能保證起居室內(nèi)充滿新風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)新風(fēng)循環(huán)的目的；回風(fēng)口設(shè)置在衛(wèi)生間，使衛(wèi)生間內(nèi)產(chǎn)生了負(fù)壓，保證衛(wèi)生間內(nèi)的異味不會(huì)擴(kuò)散到起居室；節(jié)省送風(fēng)管道的材料費(fèi)與安裝費(fèi)。
（2）風(fēng)管阻力的計(jì)算
上面例子得出，一方面良好合理的送風(fēng)口與回風(fēng)口的設(shè)置可以大大減少額外風(fēng)管的布置。另一方面，為了保證新風(fēng)換氣機(jī)能正常通風(fēng)，需要克服管網(wǎng)阻力的靜壓和把氣體輸送除去的動(dòng)壓。
風(fēng)機(jī)中的靜壓只存在于風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管網(wǎng)中，并且一定等于管網(wǎng)阻力。風(fēng)機(jī)動(dòng)壓在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管網(wǎng)中沒有任何消耗。當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管網(wǎng)的截面積相同時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)壓相等。如果管網(wǎng)的截面積不同，管網(wǎng)中的動(dòng)壓也不同。所以，新管道管道長(zhǎng)度的減少以及管道的彎頭閥門的減少等同于整個(gè)管系的沿程阻力和局部阻力減少，風(fēng)機(jī)將會(huì)更加省電。以下為風(fēng)管阻力計(jì)算公式：
通過式（2-1）至式（2-3）可以計(jì)算出整個(gè)風(fēng)管系統(tǒng)的全壓，即管道局部阻力與管道沿程阻力之和。當(dāng)新風(fēng)風(fēng)機(jī)所能提供的風(fēng)壓大于管道系統(tǒng)的全壓時(shí)，說明風(fēng)機(jī)選型正確。新風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)能提供的風(fēng)壓按照式（2-4）計(jì)算。
工程實(shí)際案例分析
（1）項(xiàng)目分析
圖4為某項(xiàng)目工程項(xiàng)目的被動(dòng)房教室新風(fēng)系統(tǒng)管道布置，房間凈深8米。設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路是從右側(cè)門上口吊頂層引入新風(fēng)，進(jìn)入房間后將新風(fēng)管道均勻分為4路。其目的是為了使新風(fēng)可以均勻地分布到房間當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)循環(huán)的作用。同時(shí)在左側(cè)門上口處設(shè)置排風(fēng)裝置，目的是將室內(nèi)的空氣引導(dǎo)至走廊中，再通過走廊的集中排風(fēng)管道將室內(nèi)污濁空氣引向新風(fēng)換氣機(jī)進(jìn)行余熱回收利用。
值得注意的是，設(shè)計(jì)者考慮到衛(wèi)生間產(chǎn)生的氣體若進(jìn)行集中排風(fēng)引到新風(fēng)換氣機(jī)中實(shí)現(xiàn)熱交換，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)新風(fēng)被污染。故而設(shè)計(jì)者在衛(wèi)生間設(shè)置了獨(dú)立的排風(fēng)系統(tǒng)，即將衛(wèi)生間的污濁空氣直接引入獨(dú)立的排風(fēng)井，不參與新風(fēng)熱交換。
但此項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案存在兩個(gè)問題。
1）本設(shè)計(jì)中衛(wèi)生間采用局部排風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)量較大。被動(dòng)式建筑氣密性非常好，當(dāng)衛(wèi)生間排風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，使用者是否按照設(shè)想及時(shí)開關(guān)換氣扇不可預(yù)估，應(yīng)審慎考慮回風(fēng)系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，否則會(huì)導(dǎo)致建筑處于負(fù)壓狀態(tài)。
同時(shí)，大量富有剩余焓值的空氣未經(jīng)熱回收就被排出室外，浪費(fèi)部分室內(nèi)余熱，應(yīng)把衛(wèi)生間通風(fēng)納入建筑整體通風(fēng)考慮。
可采取以下措施：顯熱換氣機(jī)不會(huì)污染新風(fēng)，可通過風(fēng)井統(tǒng)一回收衛(wèi)生間的排風(fēng)廢熱，并根據(jù)風(fēng)量進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)；還可加大每一層新風(fēng)量，把每層的衛(wèi)生間排風(fēng)直接并入新風(fēng)換氣機(jī)的排風(fēng)管，排風(fēng)口從走廊挪到衛(wèi)生間，并在衛(wèi)生間的墻壁和門上做出足夠的溢流口。
但該措施在實(shí)際工程案例中，業(yè)主可能擔(dān)心新風(fēng)換氣機(jī)出現(xiàn)質(zhì)量問題，導(dǎo)致衛(wèi)生間的廢氣污染新風(fēng)，最終使整個(gè)房間充滿異味，所以使用該措施需要考慮業(yè)主是否能接受。
2）新風(fēng)管線太長(zhǎng)會(huì)造成不必要的送風(fēng)壓力損失，增加風(fēng)機(jī)功耗。在面積較小的空間內(nèi)且被動(dòng)房氣密性較好的工況下，送風(fēng)管道不必延伸至房間深處。送風(fēng)口設(shè)置在房間邊緣，用送風(fēng)百葉調(diào)整角度就可以滿足將新風(fēng)送入室內(nèi)的需求。
因此，可將送風(fēng)管道的送風(fēng)口布置在右側(cè)門上口部分，在門下口留有合理的通風(fēng)縫隙，就可以保證室內(nèi)空氣的流通。按照上文所述，也就是教室為新風(fēng)區(qū)，走廊為溢流區(qū)，集中排風(fēng)口處為排風(fēng)區(qū)。
按照門上口送新風(fēng)、門下口排風(fēng)這種方式結(jié)合該項(xiàng)目案例，根據(jù)式（2-1）至式（2-4），計(jì)算得到若減少管長(zhǎng)為10m、管徑為250mm×160mm的管道局部阻力為24.16pa，則沿程阻力為11.85pa。
（2）Airpak 模擬過Airp
ak（CFD）模擬仿真軟件對(duì)該方案進(jìn)行室內(nèi)氣流模擬分析，以確定門上口送風(fēng)、門下口回風(fēng)這種方式可保障在面積較小的空間內(nèi)，新風(fēng)可以均勻地分布于整個(gè)房間。
圖5為Airpak新風(fēng)模擬—速度矢量圖，圖中新風(fēng)送風(fēng)口位置離地高度2.5米，圖中的Opening1、opening2表示門上方新風(fēng)出口，出口風(fēng)速3m/s；vent1、vent2表示門下口回風(fēng)洞。
根據(jù)圖5所示，新風(fēng)在入口處速度最快，產(chǎn)生向前的運(yùn)動(dòng)軌跡。但通過無(wú)隔間壁面，由于壓力驟減，新風(fēng)方向發(fā)生改變，貼近壁面向前流動(dòng)。在房間遠(yuǎn)離新風(fēng)口位置，依然存在一定風(fēng)速。
根據(jù)圖6可觀察到新風(fēng)質(zhì)子運(yùn)動(dòng)軌跡，觀察到引進(jìn)的新風(fēng)可達(dá)到室內(nèi)最遠(yuǎn)端，即形成良好的新風(fēng)循環(huán)，表明門上口送風(fēng)，門下口回風(fēng)在面積較小的空間內(nèi)具有可行性。
總結(jié)及優(yōu)化
算了新風(fēng)管道保溫方案，得出送風(fēng)管道、排風(fēng)管道、新風(fēng)管道保溫厚度適宜的巖棉外保溫層厚度。同時(shí)對(duì)新風(fēng)送風(fēng)口及污風(fēng)排風(fēng)口位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分利用室內(nèi)空氣余熱，增加新風(fēng)送風(fēng)口溫度。減少新風(fēng)管網(wǎng)的管長(zhǎng)時(shí)也減少相應(yīng)沿程阻力及管道造價(jià)，且在面積較小的空間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)新風(fēng)循環(huán)。對(duì)此類工程，還可進(jìn)一步優(yōu)化，如以下幾點(diǎn)。
1）在嚴(yán)寒地帶，由于冬季室外溫度較低，可采取地道風(fēng)形式預(yù)熱新風(fēng)。由于地道風(fēng)系統(tǒng)利用天然地層蓄熱，可降低建筑能耗。
2）若室內(nèi)外溫差較大致使新風(fēng)送風(fēng)口溫度較低，還可增加一個(gè)低功率的空氣預(yù)熱器，或者將新風(fēng)管道與風(fēng)機(jī)盤管結(jié)合進(jìn)行混風(fēng)處理，以提升新風(fēng)送至室內(nèi)的出口溫度。
3）新風(fēng)送風(fēng)口及回風(fēng)口分別設(shè)置在門上及門下時(shí)，需保持較大距離，以免出現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象。同時(shí)風(fēng)口面積較小，以增加風(fēng)速，使新風(fēng)到達(dá)空間最遠(yuǎn)端。
4）若衛(wèi)生間回風(fēng)，可將回風(fēng)管道單獨(dú)與新風(fēng)換氣機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生間余熱回收。但新風(fēng)量需增大，增大新風(fēng)循環(huán)以保持室內(nèi)正壓。
5）可采用CFD流體模擬仿真軟件對(duì)房間氣流組織模擬預(yù)測(cè)。根據(jù)不同房間、適用類型，對(duì)排風(fēng)管道進(jìn)行設(shè)置模擬以減少風(fēng)機(jī)壓力。在保障使用功能的情況下，保證經(jīng)濟(jì)最大化。
6）可嘗試以地送風(fēng)形式（下送下回或下送上回式）增強(qiáng)室內(nèi)空氣流動(dòng)，減少空氣滯留區(qū)。由于實(shí)驗(yàn)空間有限，本文依然存在可改進(jìn)之處。望對(duì)被動(dòng)房新風(fēng)設(shè)計(jì)等工程提供借鑒。
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評(píng)論
