摘要：超低能耗建筑的快速崛起，帶來空調(diào)設(shè)計的新變化。冷熱負荷大大降低特別是顯熱負荷大大降低，空調(diào)冷熱源及末端設(shè)備選型出現(xiàn)新情況。以新風(fēng)優(yōu)先運行的超低能耗建筑，區(qū)別于傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)計與運行方式，空調(diào)設(shè)計方式必然發(fā)生改變。
本文從超低能耗的負荷與運行特點出發(fā)，通過耳熟能詳?shù)娘L(fēng)機盤管+新風(fēng)系統(tǒng)，結(jié)合若干工程實際提出“新風(fēng)+風(fēng)機盤管”系統(tǒng)設(shè)計理念:在超低能耗建筑中可采用直膨新風(fēng)機與 VRV 空調(diào)組合、一級或二級除濕新風(fēng)+干風(fēng)機盤管的干、濕工況，一級或二級新風(fēng)除濕+風(fēng)機盤管干工況能較好地匹配室內(nèi)末端負荷。期待本文能為超低能耗建筑空調(diào)設(shè)計提供先期建議。
超低能耗建筑作為建筑節(jié)能的高級表現(xiàn)形式，從最初單純地追求降低建筑能耗，逐步轉(zhuǎn)向更加注重人的體驗和感受，即健康舒適和身心愉悅。兼顧能耗指標和經(jīng)濟性指標為指導(dǎo)原則下的非透明圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能提升、透明圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能提升、氣密性提升、遮陽性能的提升、減少冷熱橋措施的提升，極大地提升了圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能。圖一為建筑總冷負荷的分類圖[2]，對于超低能耗建筑，其中的圍護結(jié)構(gòu)冷負荷 Qj大大降低。超低能耗建筑被動優(yōu)先及舒適健康的理念給暖通空調(diào)設(shè)計帶來以下新變化：
1）冷熱負荷大大降低，特別是是顯熱負荷大大降低，是表現(xiàn)形式；
2）超低能耗建筑也必須是健康建筑，改善圍護結(jié)構(gòu)熱舒適性，改善衛(wèi)生條件，降低室內(nèi) PM2.5，新風(fēng)必須常開[2]，是重要特點，徹底改變了過去傳統(tǒng)空調(diào)的運行模式：其他末端常開，新風(fēng)一般不開或間歇啟停；
3）以新風(fēng)系統(tǒng)為主要負荷載體，對于圍護結(jié)構(gòu)熱工性能極好的建筑，空調(diào)系統(tǒng)即是新風(fēng)系統(tǒng)，不再設(shè)置其他空調(diào)末端形式，對于圍護結(jié)構(gòu)熱工性能稍差的建筑，負荷不足部分由其他末端承擔(dān)，新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)空調(diào)負荷功能凸顯，且新風(fēng)系統(tǒng)初次降溫除濕需要采用熱交換設(shè)備，是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的重大改變；
4）由于建筑能耗很低，對氣密性要求很高，和傳統(tǒng)建筑相比，衛(wèi)生間，廚房排風(fēng)滲透負荷無法忽視，須采用顯熱交換設(shè)備實現(xiàn)節(jié)能與補風(fēng)，衛(wèi)生間采用單獨顯熱交換，其他區(qū)域采用全熱交換，設(shè)計時須引起高度重視；
5）圍護結(jié)構(gòu)熱工性能改進體現(xiàn)被動優(yōu)先原則，暖通空調(diào)系統(tǒng)主動優(yōu)化，因地制宜地采用可再生能源：地源熱泵、光伏、太陽能熱水、空氣源熱泵是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的精髓。
圖1 建筑空調(diào)負荷分類
1超低能耗建筑空調(diào)系統(tǒng)及末端設(shè)備選型的新問題
結(jié)合上海市及無錫市等夏熱冬冷地區(qū)在實施超低能耗建筑技術(shù)措施的若干案例可以看出，建筑的供暖空調(diào)負荷需求會有明顯的降低，相應(yīng)的空調(diào)設(shè)備的選型容量應(yīng)該降低。但目前上海市和無錫市超低能耗建筑工程實踐中，空調(diào)設(shè)備的選型容量普遍較常規(guī)項目并未有明顯降低，其背后的原因值得反思[3]。
分析一下可能有以下原因：
1）未結(jié)合超低能耗建筑新型圍護結(jié)構(gòu)熱工特性進行仔細的負荷計算，還受到過去的常規(guī)負荷指標計算思想的禁錮；
2）尚不習(xí)慣采用新風(fēng)系統(tǒng)負荷為主導(dǎo)的空調(diào)設(shè)計手法，仍普遍采用傳統(tǒng)的空調(diào)冷熱源和末端形式，導(dǎo)致系統(tǒng)和末端選型過大，無法很好匹配超低能耗的低負荷特性；
3）由于圍護結(jié)構(gòu)熱工特性優(yōu)異，或因為房間面積較小，導(dǎo)致該空間空調(diào)負荷較小，在常規(guī)系統(tǒng)、常規(guī)末端選配下，即使選擇最小一款末端設(shè)備，也無法匹配室內(nèi)實際負荷。如無錫某超低能耗公寓，空調(diào)計算面積為 10m2，單位空調(diào)負荷為 25W/m2 ,如采用常規(guī)的風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，則僅僅需要 250W 的風(fēng)機盤管末端來匹配，如仍然采用傳統(tǒng)風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)選型，新風(fēng)處理到室內(nèi)等焓線，7℃/12℃循環(huán)冷水為風(fēng)機盤管提供冷源的條件下，最小的風(fēng)機盤管 340m3 /h 為 1920W（按照中檔選型），則選型比實際負荷大了接近 6-7 倍，導(dǎo)致無法精確匹配到實際負荷。
2 超低能耗建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計新方法
由以上分析可見，超低能耗建筑采用被動優(yōu)先的圍護結(jié)構(gòu)技術(shù)措施后，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)負荷大大降低，尤其是顯熱負荷降低較大。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手法無法滿足超低能耗負荷匹配度的要求，也就在空調(diào)系統(tǒng)環(huán)節(jié)無法實現(xiàn)真正意義上的超低能耗及相應(yīng)的舒適性。基于常見住宅、辦公、酒店等可采用風(fēng)機盤管+新風(fēng)系統(tǒng)的建筑類型為基礎(chǔ)，闡述超低能耗建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的新變化即用“新風(fēng)+風(fēng)機盤管”系統(tǒng)。
2.1 全新風(fēng)系統(tǒng)對低負荷的適應(yīng)性分析——溫度調(diào)節(jié)和新風(fēng)量調(diào)節(jié)
當被動措施總體優(yōu)異，諸如住宅類超低能耗建筑，且人員數(shù)量不多，每個功能房間面積也不大，導(dǎo)致每個房間負荷總體較小，如圖一所示，比如單位冷負荷在 10-30W/m2之間，此時新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)了自身負荷及室內(nèi)冷負荷，且新風(fēng)系統(tǒng)提供的除濕能力能滿足人體舒適性需求，此時可以僅僅采用熱泵型新風(fēng)環(huán)控一體機的空調(diào)方式，即可滿足冬夏空調(diào)負荷需求，此時須滿足以下約束性條件：
1）熱泵型新風(fēng)機組的制冷和制熱量能力大于受控環(huán)境所需要的總冷熱量；
2）以既定規(guī)范規(guī)定的新風(fēng)量為計算依據(jù)，每個區(qū)域新風(fēng)所承載的冷熱量能滿足自身及室內(nèi)冷負荷的要求，且能滿足夏季除濕負荷的要求；
3）當每個區(qū)域新風(fēng)所承載的冷熱量不能滿足自身負荷及室內(nèi)冷負荷的要求時，可通過適當加大新風(fēng)量來滿足，選擇更大一款新風(fēng)機組；
4）如采用的新風(fēng)設(shè)備的夏季出力不能處理到既定夏季含濕量 ds（如住宅和辦
公一般送風(fēng)含濕量為 6-8g/kg（a）），可適當加大新風(fēng)量來滿足除濕要求，除濕負荷如公式（1）所示，滿足等式需求即可
WN=ρ×Lx×（dN-dS）
WN—室內(nèi)余濕量，g/h；
其中，LX—除濕要求的新風(fēng)量，m3 /h；
ρ—空氣密度，kg/m3；
dN—室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點的含濕量，g/kg；
dS—設(shè)計工況下新風(fēng)的送風(fēng)含濕量，g/kg。
表一給出了無錫地區(qū)新風(fēng)處理到各種工況的溫濕度狀態(tài)。新風(fēng)處理到等含濕量以下，才能起到祛除室內(nèi)余濕的要求，在新風(fēng)量按照規(guī)范要求限值，考慮一定余量，送風(fēng)狀態(tài)點含濕量為 8g/kg（a）才能滿足夏季住宅、辦公、酒店的除濕量要求。
對于超低能耗建筑，采用以下幾種措施才有可能滿足送風(fēng)含濕量：1）全熱交換降溫除濕+8 排管常溫冷水表冷器降溫除濕（送風(fēng)溫度較低僅為 11.5℃）；2）全熱交換降溫除濕+高溫冷水表冷器+常溫冷水表冷器；3）全熱交換降溫除濕+高溫冷水表冷器降溫除濕+直膨除濕；4）全熱交換降溫除濕+高溫冷水表冷器+溶液除濕表冷器，5）兩級直膨除濕等方式[4]。
表1 無錫地區(qū)新風(fēng)處理工況狀態(tài)表
新風(fēng)處理到低于室內(nèi)等焓線后，還可以承擔(dān)部分室內(nèi)顯熱負荷，只要出風(fēng)溫度低于室內(nèi)狀態(tài)點溫度，新風(fēng)承擔(dān)的顯熱負荷為：QHS=ρ×CP×Lx×（tN-tS）
其中，LX—除濕要求的新風(fēng)量，m3 /h；
ρ—空氣密度，kg/m3；
tN—室內(nèi)狀態(tài)溫度，℃；
tS—送風(fēng)溫度，℃；
CP—空氣的定壓比熱，可取 1.01kj/（kg℃）
2.2 新風(fēng)+風(fēng)機盤管對低負荷的適應(yīng)性——干風(fēng)機盤管干、濕工況或風(fēng)機盤管干工況
當被動措施總體使用恰當，諸如辦公、酒店類采用玻璃幕墻類超低能耗建筑，同樣人員數(shù)量不多，每個功能房間面積也不大，負荷適當，比如單位冷負荷在 30-60W/m2之間，此時新風(fēng)承擔(dān)了自身負荷及部分室內(nèi)冷負荷，同時考慮到以下幾個因素的共同作用：
1）超低能耗建筑不同于常規(guī)建筑新風(fēng)系統(tǒng)為必備開啟；
2）溫濕度獨立控制系統(tǒng)只要設(shè)計合理被認為是一種節(jié)能的空調(diào)設(shè)計方法；
3）即使不是嚴格意義上的溫濕分控系統(tǒng)，制冷時提高非新風(fēng)末端設(shè)備的供水溫度，對冷熱源設(shè)備選型小型化及提高冷熱源效率有利。
此時新風(fēng)承擔(dān)全部夏季濕負荷及部分室內(nèi)負荷，如公式（2）新風(fēng)還承擔(dān)了一部分的室內(nèi)顯熱負荷。冷水供水溫度的提高，可以讓風(fēng)機盤管所能提供顯熱負荷下降，精確匹配室內(nèi)負荷，達到能源總體利用效率最優(yōu)。
圖2 不同負荷條件下末端系統(tǒng)應(yīng)對措施
以典型的溫濕度分控系統(tǒng)為例，夏季新風(fēng)承擔(dān)自身負荷、部分室內(nèi)顯熱負荷（取決其送風(fēng)溫度），及所有的濕負荷，風(fēng)機盤管供回水溫度為 16℃-21℃的標況下運行，當室內(nèi)顯熱負荷較小時，還可以在17℃-18℃供水溫度下運行，此時選型的顯熱交換設(shè)備的供冷量發(fā)生折減，可以匹配到相應(yīng)的室內(nèi)顯熱負荷，也即干風(fēng)機盤管處于較高溫度的干工況下運行；如果室內(nèi)負荷較大，供水溫度可以在 10℃-15℃之間調(diào)節(jié)，也即干風(fēng)機盤管處于濕工況運行，可以取得良好的制冷效果和室內(nèi)負荷匹配度。
如果新風(fēng)負荷可以承擔(dān)室內(nèi)所有的濕負荷，必然也承擔(dān)了一定室內(nèi)顯熱負荷，且室內(nèi)顯熱負荷很小，此時可以采用常規(guī)風(fēng)機盤管，當供水溫度在 8℃-18℃條件下運行時，常規(guī)風(fēng)機盤管的供冷能力大幅折減下降，此時和室內(nèi)較小的顯熱負荷恰好形成匹配，也即所謂風(fēng)機盤管干工況運行。刻意地提高供水溫度，提高主機效率，讓普通風(fēng)機盤管處于干工況下運行，以選擇到合理的風(fēng)機盤管，匹配較小顯熱負荷的室內(nèi)場所。當供水溫度在 14-16℃之間時，每上升 1℃，供冷量約下降 10%，17℃以上，每上升 1℃，供冷量約下降 17%，可以采用干盤管來匹配新風(fēng)所能提供負荷室內(nèi)絕大部分顯熱負荷和少量潛熱負荷。
對于干式風(fēng)機盤管，在標準供回水溫度 16℃-21℃條件下，通過有針對性的設(shè)備研發(fā)，其顯熱冷量比常規(guī)風(fēng)機盤管高出 24%-58%，顯然干風(fēng)機盤管相對于風(fēng)機盤管干工況運行，更適合室內(nèi)顯熱較大的場所。圖三為以上闡述干盤管干、濕工況運行，或者風(fēng)機盤管干工況運行的焓濕圖，新風(fēng)處理到滿足夏季祛除濕負荷狀態(tài)（圖中新風(fēng)降溫過程為熱回收+冷水降溫除濕的共同作用）。
圖3 干風(fēng)機盤管干、濕工況運行/風(fēng)機盤管干工況運行焓濕圖
2.3 直膨新風(fēng)機+VRV 組成系統(tǒng)組成的新風(fēng)+風(fēng)機盤管系統(tǒng)
兩級除濕的直膨新風(fēng)機，采用顯熱或全熱交換+一級直膨降溫除濕+二級直膨降溫除濕，可以將新風(fēng)處理到 95%與 6g/kg（a）的交點。無錫市下轄江陰市的江南大學(xué)行政樓 [5]和南京師范大學(xué)附屬幼兒園項目均采用了采用了直膨新風(fēng)處理機組+VRV 空調(diào)的新風(fēng)+風(fēng)機盤管空調(diào)方式，其新風(fēng)優(yōu)先運行的模式，新風(fēng)負荷不足時開啟 VRV 室內(nèi)機來共同承擔(dān)相應(yīng)負荷。二級除濕帶有冷凝熱回收的再熱功能，可免費提高送風(fēng)溫度，保證更好的送風(fēng)舒適性和可調(diào)節(jié)性。圖四為江南大學(xué)行政樓兩級直膨新風(fēng)機的空氣處理過程（屋頂集中新風(fēng)機組采用了全顯熱交換設(shè)備）。
圖4 顯熱回收+兩級直膨+再熱新風(fēng)機空氣處理過程焓濕圖
（注：W 為室外狀態(tài)點；W1 為室外空氣經(jīng)板翅熱回收后的出風(fēng)狀態(tài)點；N 為室內(nèi)狀態(tài)點；O 為送風(fēng)狀態(tài)點；L1 為一級表冷 除濕后的出風(fēng)狀態(tài)點；L2 為二級表冷除濕后的出風(fēng)狀態(tài)點；tN、tw、tw1、tO分別為室內(nèi)、室外、室外空氣經(jīng)板翅熱回收后的出風(fēng)狀態(tài)點、送風(fēng)狀態(tài)點的干球溫度；tws 為室外濕球溫度；dw、dw1、dL1、dL2 分別為室外狀態(tài)點、室外空氣經(jīng)板翅熱回收后的出風(fēng)狀態(tài)點、一級、二級表冷除濕后出風(fēng)點的含濕量hL1、hL2 分別為一、二級表冷除濕后出風(fēng)點的比焓。）
直膨新風(fēng)機+VRV 組成的新風(fēng)+風(fēng)機盤管系統(tǒng)，其中新風(fēng)機組冷凝熱可以免費提升送風(fēng)溫度，具有新風(fēng)送風(fēng)溫度可調(diào)節(jié)性的優(yōu)勢，但其 VRV 系統(tǒng)部分不能象水系統(tǒng)一樣靈活調(diào)節(jié)供水溫度進而調(diào)節(jié)風(fēng)機盤管的供冷量。
3 熱泵+模式下超低能耗建筑冷熱源系統(tǒng)的設(shè)計基于新風(fēng)優(yōu)先運行的新風(fēng)+風(fēng)機盤管系統(tǒng)在超低能耗建筑系統(tǒng)中應(yīng)用的諸多中小型項目案例，其末端形式均能很好匹配超低能耗低負荷需求的本質(zhì)。在徐偉大師提倡的[6]“熱泵+”模式下的空調(diào)冷熱源方式和超低能耗提倡可再生能源利用的雙重要求下，采用兩種出水溫度的“風(fēng)冷+風(fēng)冷”，或“地源+地源”，或“地源+風(fēng)冷”組合，均能很好的匹配到超低能耗建筑采用新風(fēng)+風(fēng)機盤管系統(tǒng)中去。風(fēng)冷熱泵和地源熱泵機組的出水溫度均可以輕松實現(xiàn)在 7℃-18℃范圍內(nèi)運行調(diào)節(jié)?；诖嗽瓌t，對于大型超低能耗項目，高效冷凍機房技術(shù)同樣能得到更好的實施與應(yīng)用：
1）在利用空間不均勻系統(tǒng)降低負荷和超低能耗建筑負荷大大降低，雙重作用下，機房規(guī)模、容量大大減?。?/p>
2）中溫水系統(tǒng)能得到很好應(yīng)用，提升主機效率；
3）恰當優(yōu)化冷卻塔選型及提升運行策略，降低冷卻水供水溫度，主機效率進一步提升。圖五給出了超低能耗建筑冷熱源及末端形式結(jié)合實際案例的圖表。
圖5 超低能耗建筑冷熱源應(yīng)用實例
4 結(jié)語超低能耗建筑對圍護結(jié)構(gòu)熱工特性的被動優(yōu)化帶來建筑負荷的大大降低特別是顯熱負荷的大大降低，同時超低能耗建筑也是健康建筑，新風(fēng)優(yōu)先運行，這必然導(dǎo)致空調(diào)設(shè)計理念與手法的改變：
1）新風(fēng)優(yōu)先運行，可以讓新風(fēng)承擔(dān)自身負荷、夏季除濕負荷、部分室內(nèi)顯熱負荷甚至全部建筑負荷；
2）當新風(fēng)負荷不足以承擔(dān)整個建筑物負荷時，可以采用新風(fēng)+風(fēng)機盤管系統(tǒng)來匹配室內(nèi)負荷，由于室內(nèi)顯熱負荷較小時，可以對除新風(fēng)機組以外的末端設(shè)備（如風(fēng)機盤管）提高供水溫度，一來可以提高主機運行效率，二來采用諸如干盤管干工況、干盤管濕工況、風(fēng)機盤管干工況運行等技術(shù)手段來精確匹配室內(nèi)較小顯熱負荷的需求；
3）風(fēng)冷熱泵、地源熱泵的高低溫冷水組合能很好的滿足中小型超低能耗建筑的冷熱源設(shè)置要求；
4）大型超低能耗建筑，為高效冷凍機房提供了更好的實施平臺，以負荷大大降低為前提，可以預(yù)見，采用變頻冷水系統(tǒng)和變頻水泵技術(shù)、提高冷機出水溫度或直接采用中溫水系統(tǒng)及采用降低冷卻水供水溫度等技術(shù)措施，使得高效冷凍機房技術(shù)在超低能耗建筑中得到更好應(yīng)用和展現(xiàn)。
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