【摘要】本文對夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑暖通空調系統(tǒng)設計中存在的技術和管理問題進行了剖析。分析了超低能耗建筑空調系統(tǒng)的負荷特性及用能特點，指出常規(guī)空調系統(tǒng)的設計手法與超低能耗建筑不能匹配。超低能耗建筑“小負荷”、新風不間斷運行等特點決定了超低能耗建筑空調設計可以讓新風承擔更多的負荷。新風承擔負荷不足部分由中溫水和高溫水末端來承擔。而采用中高溫水供冷，帶來常規(guī)末端的冷量衰減恰好能很好地匹配空間的“小負荷”冷量，同時又提升了主機側的能效。本文為超低能耗建筑提供了若干冷熱源和末端解決方案。
我國超低能耗建筑的發(fā)展已有十余年的歷程。超低能耗建筑在中國北方嚴寒和寒冷地區(qū)發(fā)展勢頭良好，但在夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)發(fā)展相對緩慢，其原因是由于氣候和用能習慣存在差異，存在技術路線不清晰、規(guī)范標準缺乏、管理機制不完善、工程實踐不足的情況。
由于公共建筑類型和用能的復雜性等因素，國家標準GB/T51350-2019《近零能耗建筑技術標準》[1]對于超低能耗公建項目也未像居住建筑那樣對供冷、供暖年耗量提出明確的指標要求，且超低能耗公建也不像近零能耗公共建筑那樣明確提出了對可再生能源利用率≥10%的要求，更強調建筑本體節(jié)能和綜合節(jié)能率。
因此針對超低能耗小型公建項目（無錫地區(qū)當前超低能耗公共建筑實施面積通?！?0000m2）而言，本著超低能耗建筑構建的“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化”的原則，作為暖通專業(yè)設計而言，仍然是遵循圍護結構熱工特性改善后的成果，應對超低能耗建筑的高舒適性特征、合理匹配建筑物負荷、選擇合適的系統(tǒng)類型成了設計的關鍵。
#1超低能耗建筑負荷特性分析和實施超低能耗建筑存在的問題
超低能耗建筑的負荷特性有如下變化：
（1）由于圍護結構熱工性能的極大提升，導致夏季冷負荷大大降低，特別是顯熱負荷大大降低。冬季在不開啟任何供暖設備時，夏熱冬冷地區(qū)室內溫度要求保持在不低于16℃，冬季的供暖負荷也大大降低，因此全年空調負荷大幅降低是表現(xiàn)形式；
（2）超低能耗建筑也必須是健康建筑，改善圍護結構熱舒適性，改善衛(wèi)生條件，降低室內PM2.5，新風必須常開是重要特點，徹底改變了過去傳統(tǒng)空調的運行模式：其他末端常開，新風系統(tǒng)不開或間歇啟停。因此超低能耗建筑中新風負荷在總的供暖空調負荷中將占據(jù)較大份額。
結合無錫市在實施超低能耗建筑技術措施的若干案例可以看出，主要存在兩個專業(yè)的問題：
一是建筑專業(yè)存在的問題：
（1）在方案階段業(yè)主一方面要求必須建成超低能耗建筑乃至近零能耗建筑，一方面過度追求建筑的美學觀念而忽視了超低能耗建筑被動優(yōu)先的設計理念，追求建筑的通透性，在小型公建中多采用玻璃幕墻建筑，窗戶的溫差傳熱是墻體的4.4倍，單位面積的輻射傳熱是墻體的34倍，全玻璃幕墻類建筑也很難實施外遮陽技術，導致被動優(yōu)先的超低能耗策略無法落到實處；
（2）初步方案階段過度重視建筑的美學，強調所謂“第五立面”（即屋頂層布局），忽視建筑功能性，忽視合理擺放暖通空調設備的重要性，對于小型公建項目，其冷熱源設備及空氣處理設備往往必須設置在屋頂，紛繁蕪雜的屋頂造型和所謂綠植分布不是導致屋頂設備無法布置就是降低設備功效。
二是暖通專業(yè)設計存在的問題：建筑圍護結構特性優(yōu)異，供暖空調負荷需求會有明顯降低，相應的空調設備的選型容量應該降低。但目前無錫市超低能耗建筑工程實踐中，空調設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。
分析可能有以下原因：
（1）未結合超低能耗建筑新型圍護結構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）仍普遍采用傳統(tǒng)的空調冷熱源和末端形式，導致系統(tǒng)和末端選型過大，無法很好匹配超低能耗的低負荷特性，如無錫某公寓型超低能耗建筑，由于圍護結構熱工特性優(yōu)異，房間面積較小，導致該空間空調負荷較小，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備，也無法匹配室內實際負荷。
公寓諸多房間空調計算面積為10m2，負荷計算得出單位空調負荷為25W/m2,設計采用常規(guī)的風機盤管加新風系統(tǒng)，則僅僅需要250W的風機盤管末端來匹配，如仍然采用傳統(tǒng)風機盤管加新風系統(tǒng)選型，新風處理到室內等焓線，7℃/12℃循環(huán)冷水為風機盤管提供冷源的條件下，最小的風機盤管340m3/h為1920W（按照中檔選型），即使不算上新風負荷，則風機盤管的選型比實際負荷大了接近6~7倍[2]，導致實際使用時，無法精確匹配到實際負荷，夏季室內溫度偏低，進而導致系統(tǒng)能耗并不低。
#2常規(guī)風機盤管+新風系統(tǒng)用于超低能耗建筑的思考
如前文所述，不妨思考普通小型公建建筑中廣泛采用的多聯(lián)機系統(tǒng)，如采用全熱交換新風（新風機組不帶壓縮機）+VRV末端，或采用直膨式新風機組（帶壓縮機）+VRV末端是否能應用于超低能耗建筑內？
答案是肯定的！但該類型系統(tǒng)應用于超低能耗建筑內確實存在如下問題：
（1）對于房間較小，人員密度不大的空間，現(xiàn)有設備無法進行負荷匹配，往往選擇不到容量較小與該空間負荷相匹配VRV末端設備；
（2）負荷不匹配導致了系統(tǒng)能耗較大，無法體現(xiàn)超低能耗建筑內暖通空調系統(tǒng)的節(jié)能性，設備頻繁啟停，有可能導致設備的勞損，進而影響設備的壽命；
（3）從行為節(jié)能的角度，系統(tǒng)能耗較大，運行管理人員往往犧牲新風系統(tǒng)的開啟來節(jié)能，違背了超低能耗建筑即使開新風能耗也遠遠低于常規(guī)建筑的初衷，也違背了超低能耗建筑成為健康建筑的設計理念。
#3新風優(yōu)先運行的超低能耗空調設計理念
應對超低能耗建筑，暖通空調系統(tǒng)的設計方法將呈現(xiàn)較大的變化：
（1）冷熱源設備的容量將大幅降低；
（2）當末端房間較小且人員密度較低時，須匹配更小容量的末端設備類型，來應對室內的熱濕負荷。
因為新風必須常開，新風負荷占據(jù)了整個系統(tǒng)中負荷的較大份額，可以考慮以新風系統(tǒng)為主要負荷載體，讓新風承擔更多的負荷：對于圍護結構熱工性能極好的建筑，當新風承擔了所有熱濕負荷時，空調系統(tǒng)即是新風系統(tǒng)，不再需要設置其他空調末端形式；對于圍護結構熱工性能稍差的建筑，負荷不足部分由其他末端承擔，當新風承擔了濕負荷時，其他末端設備可以處于干工況運行，或半干半濕工況運行。
此時使用常規(guī)的空調末端，常規(guī)末端對中高溫水的衰減特性，恰好帶來很好匹配超低能耗建筑房間“小負荷”的特征：即當冷源水溫提高時，常規(guī)末端供冷能力大幅衰減，能很好匹配室內“小負荷”，中高溫水系統(tǒng)大大提高了冷源的效率，一舉兩得，圖1給出了某品牌850m3/h風量的風機盤管和標況322KW制冷能力的風冷熱泵主機在7℃~17℃水溫下制冷量和性能系數(shù)的變化情況[3]。
圖1 7℃~17℃供水溫度，溫差5℃下風機盤管和風冷熱泵機組的性能參數(shù)
（3）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，廚房排風滲透負荷無法忽視，須采用顯熱交換設備實現(xiàn)節(jié)能與補風，衛(wèi)生間采用單獨顯熱交換，其他區(qū)域采用全熱交換，設計時須引起高度重視；
（4）對于小型公建，圍護結構熱工性能改進體現(xiàn)被動優(yōu)先原則，暖通空調系統(tǒng)主動優(yōu)化，因地制宜地采用“熱泵+”模式（即徐偉先生提出的多能互補，熱泵空調凸顯行業(yè)貢獻的空調系統(tǒng)形式）下的空調冷熱源方式：
比如采用全氟系統(tǒng)，雙冷源新風機來解決室內新風負荷和室內濕負荷，采用顯熱型VRV空調來解決室內顯熱負荷，是很好的解決方案。
也可采用全水系統(tǒng)，即冷源采用一種或兩種出水溫度的“風冷+風冷”，或“地源+地源”，或“地源+風冷”等方式，采用雙冷源新風機等解決新風負荷和室內濕負荷，采用中高溫風機盤管來解決新風所不能承擔的“剩余”負荷都是很好的匹配超低能耗建筑負荷的冷熱源及末端負荷的解決方案。
#4幾種滿足中小型超低能耗公建的空調形式選擇的思考
基于以上討論，超低能耗小型公建項目，暖通空調系統(tǒng)的解決方案的主要指導思想是：讓新風承擔更多的冷熱負荷，不足部分由其他中高溫末端來承擔，使末端系統(tǒng)和房間“小負荷”相匹配，同時提升整個冷熱源系統(tǒng)的能效，以下介紹幾種滿足小型超低能耗公建系統(tǒng)的暖通空調系統(tǒng)。
4.1 新風環(huán)控一體機
通過無錫地區(qū)幾個辦公項目的負荷計算和運行實例驗證表明，當采用實體墻為主要圍護結構的建筑，且室內人員密度不大時，采用熱泵型新風環(huán)控一體機是較好的解決方案。
熱泵型新風環(huán)控一體機其本質是一個自帶冷熱源的空氣-空氣熱回收小型全空氣空調箱（也即小型直膨式空調機組），室內機外形如圖2所示。
圖2 新風環(huán)控一體機室內機
其運行模式需要滿足一個完善的全空氣空調箱的使用功能與控制策略，現(xiàn)有產品的熱泵型新風環(huán)控一體機理論上可以實現(xiàn)以下運行模式[4]：
（1）全新風模式，在過渡季節(jié)實現(xiàn)全新風免費供冷模式，此時制冷模塊不開啟、新風排風不經過熱交換；
（2）全新風制冷制熱模式，無回風，新風與排風進行熱交換，經過表冷器降溫或加熱送入室內；
（3）內循環(huán)+新風制冷模式，部分排風與新風發(fā)生熱交換，經過熱交換處理后的新風與室內回風混合，經過表冷器降溫后送入室內；
（4）內循環(huán)+新風制熱模式，部分排風與新風發(fā)生熱交換，經過熱交換處理后的新風與室內回風混合，經過表冷器加熱后送入室內；
（5）內循環(huán)制冷制熱模式，此時室外新風口關閉，采用室內循環(huán)風對室內進行制冷與供熱。
（6）智能運行模式，主機能根據(jù)室內外溫、濕度參數(shù)，室內CO2濃度及室內外PM2.5濃度含量來選擇新風量、回風量、全熱交換器是否旁通等運行狀態(tài)，實現(xiàn)全自動智能運行。
圖1體現(xiàn)了超低能耗建筑實施帶來空調負荷的降低，給空調形式帶來新變化，理論計算和實踐表明：在無錫地區(qū)，當空調冷負荷降低到30W/m2左右時，可以采用熱泵型新風環(huán)控一體機來滿足室內舒適性要求。
該種空調方式應用在小型公建項目有如下不足之處：
（1）須提供合理的室外機擺放位置，如果室內外機距離較長，將使得能效比本不高的設備本身制冷制熱出力進一步降低；
（2）由于室內機一般吊裝，目前最大冷量設備容量一般不超過10KW，對應的服務區(qū)域不超過300m2，服務范圍偏小；
（3）末端為全空氣系統(tǒng)，具有獨立房間屬性的（如酒店客房）空間會有交叉感染的風險等不足之處。
4.2 新風優(yōu)先的全氟溫濕分控系統(tǒng)
采用“新風+風機盤管”新風優(yōu)先運行的全氟系統(tǒng)來匹配超低能耗建筑負荷。即采用“5COP”的新風機：雙極壓縮雙蒸發(fā)器的新風機[5]，具有排風冷凝熱回收功能+“10IPLV”高溫顯熱多聯(lián)機組成溫濕度分控系統(tǒng)，新風機組承擔所有新風負荷并承擔室內所有的夏季濕負荷和少部分顯熱負荷，由高溫顯熱多聯(lián)機承擔剩余的顯熱負荷。其中新風機組采用了三個技術：
（1）在冷凝側利用排風的熱泵熱回收技術，通過排風盤管有效回收排風冷量，降低系統(tǒng)冷凝溫度，減少壓縮機耗功，提升系統(tǒng)能效比；
（2）在夏季， 蒸發(fā)側采用雙蒸發(fā)溫度，實現(xiàn)新風的兩級降溫除濕， 減少機組不可逆損失，將新風處理到較低的含濕量，滿足室內濕度平衡。在冬季，通過雙蒸發(fā)溫度實現(xiàn)無霜運行；
（3）采用過冷再熱技術，回收再熱所消耗的冷量，且不產生額外能耗，能夠精準控制再熱量。
高溫顯熱多聯(lián)機的技術特點如下：
（1）蒸發(fā)溫度高，系統(tǒng)能效高，綜合能效系數(shù)IPLV(C)可達10左右；
（2）蒸發(fā)壓力高，連管損失小，輸送距離遠；
（3）主要處理顯熱，也可根據(jù)實際需要處理潛熱，應用靈活。
應用在超低能耗小型建筑中，新風機組可以設置在屋頂，通過管井和豎向風管和水平管將新風輸送到每個區(qū)域。
當然該系統(tǒng)也可以不采用高溫顯熱多聯(lián)機，可采用普通多聯(lián)機來應對，對于分割很小的空間，可以采用增大室內外連接率的方式（比如室內外機連接率超過1.3進行配比），認為降低室內機的供冷和供熱能力來匹配室內的“小負荷”，以滿足超低能耗建筑負荷特性。
4.3 新風優(yōu)先運行的變水溫熱泵空調
對于小型超低能耗公建項目，采用“新風+風機盤管”新風優(yōu)先運行的“熱泵+”冷熱源和末端形式，可以很好地匹配超低能耗建筑的負荷特性。
所謂“新風+風機盤管”新風優(yōu)先運行，即指的是新風承擔自身的新風負荷和室內濕負荷及少量顯熱負荷，夏季提高熱泵本身的供水溫度，比如在9℃~17℃（9℃~13℃定義為中溫冷水，14℃~17℃定義為高溫冷水）[6]范圍內調整水溫，通過提高供水溫度，人為地減少普通風機盤管的顯熱和潛熱供冷能力，以匹配室內的“小負荷”，并通過提高熱泵機組的供水溫度來提高熱泵的效率。
由于是小型公建，熱泵機組可以采用風冷熱泵，或土壤源熱泵，或風冷與土壤源熱泵的耦合系統(tǒng)。至于熱泵機組采用何種水溫，取決于新風機組的除濕方案。
圖3羅列了超低能耗中小型公建項目冷熱源為不同出水溫度的熱泵空調，新風優(yōu)先運行前提下的各種形式的新風除濕機組的類型。
圖3 超低能耗建筑冷熱源與新風除濕機的幾種組合形式
有以下集中新風除濕機組可以選擇：
（1）帶全熱交換的雙冷源新風機，一級除濕采用常溫冷水或高溫冷水，二級除濕采用直膨除濕，根據(jù)一級除濕和二級除濕的比例來決定直膨機的余熱用于再熱還是采用主機提供的冷水用于冷卻直膨機的冷凝器；
（2）采用二級蒸發(fā)器的直膨機+排風冷凝熱回收新風機組，如3.2節(jié)所闡述；
（3）采用高溫冷水一級除濕，采用溶液除濕進行二級除濕。以上三種二級除濕新風機組決定了熱泵機組提供常溫冷水還是高溫冷水；
（4）或采用全熱交換+中溫或高溫冷水一級除濕+常溫冷水機組二級除濕的新風機組。
圖4為典型的采用風冷熱泵或土壤源熱泵為冷熱源，分別提供中溫或高溫冷水及常溫冷水，新風機組為全熱交換+中溫或高溫冷水盤管一級除濕+常溫冷水二級除濕的新風機組，其他溫度調節(jié)末端可以采用普通風機盤管，通過熱泵機組變水溫的方式來調節(jié)室內末端的供冷能力的典型系統(tǒng)圖，其中新風的空氣處理過程見文獻[7]。
當然也可以將整個系統(tǒng)直接設計成溫濕度獨立控制系統(tǒng)，采用干盤管、冷梁、毛細管、裝配式輻射板等方式，實現(xiàn)和超低能耗建筑的末端負荷匹配。
圖4 常溫+中/高溫熱泵+全熱交換+中/高溫水一級除濕+常溫水二級除濕系統(tǒng)組成
#5結語
夏熱冬冷地區(qū)中小型超低能耗建筑對圍護結構熱工特性的被動優(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，新風優(yōu)先運行，這必然導致空調設計理念與手法的改變：
（1）新風優(yōu)先運行，可以讓新風承擔自身負荷、夏季除濕負荷、部分室內顯熱負荷甚至全部建筑負荷；
（2）圍護結構熱工性能大幅改善后，空調負荷的計算方法沒有改變，根據(jù)中小型公建建筑自身的特性和空調負荷特征，有針對性的選擇新風環(huán)控一體機、兩級除濕氟系統(tǒng)+高溫顯熱多聯(lián)機、一種或兩種水溫可以承擔室內濕負荷的雙冷源新風機組+高溫供水的干工況末端或半干半濕末端均是能很好匹配超低能耗建筑“小負荷”和新風不間斷開啟的要求，并能提高熱泵主機的能效。
（3）在熱泵熱水機組的系統(tǒng)中，研究和明確常規(guī)風機盤管等末端形式在9℃~13℃中溫系統(tǒng)和14℃~17℃高溫冷水系統(tǒng)中供冷能力“衰減”的確切數(shù)據(jù)，是中小型超低能耗建筑熱泵水系統(tǒng)末端設備選型迫切需要解決的數(shù)據(jù)，文中列舉的諸多適應超低能耗建筑中小型公建的的若干空調系統(tǒng)，期待在今后的項目中得到實踐的進一步驗證。
（文章來源：機電人脈）
