严寒寒冷地区民用建筑用智能热回收型新风换气机实验

【摘 要】严寒寒冷地区民用建筑供暖期建筑节能和通风是一对矛盾的存在,笔者利用空气热回收型新风换气机回收排风显热,实验回收率达到60%以上.利用单片机电路实时采集室内CO2浓度实现风机自动启停,风机智能运行比粗放运行节电率达42.5%以上,此方式可大幅降低供暖建筑空气耗热量,将对严寒寒冷地区民用建筑节能75%甚至更高节能标准产生巨大的推动作用.

【关 键 词】热回收；新风换气机；节能；空气耗热量

1.研制背景

世界范围内石油、煤炭、天然气三种传统能源日趋枯竭,人类将高效利用能源和可再生资源的利用作为能源可持续发展的必经之路.我国的建筑能耗逐年大幅度上升,已达全社会能源消耗量的33%,加上每年房屋建筑材料生产能耗约13%,建筑总能耗已达全国能源总消耗量的45%.我国现有建筑面积为430亿m2,绝大部分为高能耗建筑,且每年新建建筑近16～20亿m2,其中95%以上仍是高能耗建筑.如果我国继续执行节能水平较低的设计标准,将留下很重的能耗负担和治理困难.庞大的建筑能耗,已经成为国民经济的巨大负担.因此建筑行业全面节能势在必行.

尤其是严寒寒冷地区的建筑供暖能耗居高不下,随着国家和行业标准文献[6]、[7]、[2]、[8]等标准、规范的实施.严寒寒冷地区民用建筑供暖期建筑围护结构呼吸性能日益降低和窗户气密性的日益提升,室内实际通风换气次数越来越小,室内的室内空气品质越来越差,尤其是住宅类建筑和人员较为密集的教学类建筑、会议室、体育馆、影剧院等建筑尤为突出.

图1、2、3中显示,供暖期上述建筑在正常使用过程中CO2浓度自人员进入至满员在很短时间内大于1000PPM,文献[1]中CO2浓度日平均值的标准值不大于0.1%,上述三图显示在其正常使用期间CO2浓度均大于1000PPM,影响了人们的工作效率、身体健康,故严寒寒冷地区民用建筑必须对其进行机械通风换气,才能保证正常的人均新风量和室内空气品质.而采用传统的机械送风自然排风或机械送风机械排风方式引入的室外冷空气耗热量会影响室内热舒适性及增加供暖能耗,笔者创新小组设计智能热回收型新风换气机来解决上述民用建筑中的通风能耗和空气品质问题.

2.设计方案

2.1自动控制部分

智能热回收型新风换气机,由室外进风口、室外进风风机（220V,30W,1450rad/min）、室内送风口、显热交换器、室内排风口、室内排风风机（220V,30W,1450rad/min）、室外出风口,智能控制模块.在住宅、教室、会议室等人员密集场所采用CO2浓度作为控制参数,当CO2浓度在1000ppm以下时风机停止运行,在1000ppm以上时风机自动启动运行.

2.2机械部分

智能热回收型新风换气机,由室外进风口、室外进风风机（220V,30W,1450rad/min）、室内送风口、全热交换器、室内排风口、室内排风风机（220V,30W,1450rad/min）、室外出风口,智能控制模块.具体设计及实物如图5.智能热回收型新风换气机采用双向流式新风系统,通过对室内室外双向换气,排出室内污染空气的同时,向室内输送新鲜空气,引入健康新风、排出室内污染空气,形成有效的通风换气系统.在进风和排风之间加入间壁式换热器形成热回收式新风系统,在同时排出、引入空气时,室内外空气进行热交换,留下排出空气的冷热量.室内要排出去的空气和室外的新鲜空气之间有热交换相隔,新旧空气不会混淆,各行其道,而只进行热量的交换.新风进入室内时利用高效过滤材料自动除尘和过滤PM10,PM2.5,既保证了室内的通风换气次数,维持室内空气品质较佳状态又节约室内供暖能源,不会造成室内负压,避免了室外粉尘等通过窗户进入室内.

3.热回收效率实验理论计算

由利用单片机电路实现新风换气机自动启停,既能回收了排风带走的空气显热,还能达到通风换气设备节约电能的目的,最重要的是使室内的空气品质达到文献[1]规定要求.在不同的室外温度下,固定室内换气次数为05h-1时,在送风量等于排风量的前提下,实验测试得出的换热效能（热回收率）数据详图6：

从图6可以看出其热回收效率在60%以上,在不断的产品定型设计后,将对于严寒寒冷地区民用建筑节能75%甚至更高节能标准产生巨大的推动作用.产品在建筑节能和室内空气品质不断提升的大背景下,市场的应用前景是非常广泛的.

4.节能理论计算

以乌鲁木齐市某高校教室冬季通风的耗热量估算室内通风换气空气耗热量,普通教室面积74.52m2（10.8m×6.9m×3.6m）,建筑体积为268.27m.换气次数为0.5h-1,通风量为134.14m/h,室内计算温度18℃,采暖期室外计算温度-19.7℃,Q新风等于0.278cρL（tn-tw）则冬季新风耗热量为1973.84W,以每天通风平均每天8小时计,则每天新风耗热量为：56846.54KJ.按冬季教室上课23周计115天（自10月15日―4月15日工作日,除检测期30天）,则一个教室新风耗热量为：6537.35MJ.标准煤低位发热量为29.271兆焦（MJ）/千克,此教室新风耗热量折算为标准煤为：6537.35MJ/29.271MJ等于223.35千克标准煤；

如果加以人为开关风机控制,采用CO2浓度作为控制参数,当CO2浓度在1000ppm以下时风机停止运行,在1000ppm以上时风机运行.教室冬季使用的115天内,每天按该校教室的每天4.6小时的平均使用率计算,冬季一个教室新风耗热量将会变为约128.43千克标准煤,智能运行较一天8小时运行节能率达42.5%.

依据上述实测数据和能耗计算可以看出,严寒寒冷地区民用建筑在采暖期使用时两大能耗：一是室外新风带入的空气耗热量；二是风机运行的电耗.智能热回收型新风换气机的智能运行降低了新风耗热量,排风的热回收率大于60%；智能运行风机节约电能节能率也为42.5%.两项节能技术对严寒寒冷地区民用建筑节能意义巨大.（2）通风换气设备节约电能的计算及分析：

以上述教室为例,保证室内通风换气次数0.5h-1的水平,必须要开启通风换气设备,新风换气机在一天按8节课（10：00―19：30,1.5小时午休）,风机的运行时间为：8小时,送风机、排风机功率各为30W的轴流风机,其耗能为：60W×8h等于0.48Kwh,使用天数按115天计,则此教室冬季通风机电能消耗为55.2Kwh,该校区共约200个教室,整个冬季通风换气设备消耗电能11040Kwh.实际在工作日教室排课并非全满状态,创新小组抽样统计了该校20间教室,统计数据表明教室平均每天使用时数4.6小时（每节课时常为50min,课间10min）,如果按照自控运行启停通风机,风机一天运行时数约为4.6小时,该校区整个冬季通风换气设备耗能6348Kwh.自控运行较工作日运行电能节约率为42.5%.

5.结论

综合上所理论计算和分析,以教室运用智能热回收型新风换气机改善室内通风换气后,室内的CO2浓度维持在1000ppm以下,空气的热回收率达到60%,如果室内采暖系统按照文献[2]中装设温控阀自动调整采暖系统向房间提供热量,自动调节室内温度,达到室温可控的前提下,依据参考文献[5]文中,空气耗热量占建筑总耗热量58%的比例计算,教室运用智能热回收型新风换气机可回收节约24.65%建筑能耗,风机智能运行节电率为42.5%,三项节能效益非常显著.

[5]《严寒寒冷地区节能65%窗节能措施探讨》作者：齐典伟,[J],2010年3月,建筑节能.

[6]《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26-2010）中华人民共和国住房和城乡建设部于2010年3月18日联合发布,2010年8月1日起实施；

[7]《公共建筑节能设计标准》（GB50189―2005）中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局于2005年4月4日联合发布,2005年7月1日起实施；

[8]《辐射供暖供冷技术规程》（JGJ142-2012）中华人民共和国住房和城乡建设部于2012年10月1日起实施；

作者简介：崔成辽,男,1993年2月河南漯河人,新疆大学建筑工程学院在读本科生