热泵型新风环控一体机在超低能耗建筑中的技术探讨------以无锡地区为例
撒世忠吴志成刘钊华涛（无锡汉科节能科技有限公司，无锡）
Discussion on technology of integrated heat pump environment control unit with outdoor
摘要：以被动优先技术路径指引下的超低能耗建筑带来建筑物冷、热负荷大大降低，在室内人员密度较低、围护结构热工特性较为优异的前提下，采用小型空气处理单元将处理过新风送入室内即可满足室内供冷、供热、除湿等空气调节需求，因此能满足以上需求的热泵型新风环控一体机在超低能耗建筑中得到广泛运用，热泵型新风环控一体机本质是一个通过无锡地区几个超低能耗建筑（居住、办公建筑）的实践，将室内外环境参数、建筑物实体蓄能、智能達阳系统等监 直膨式的空气-空气热回收小型全空气空调箱，本文对现有热泵型新风环控一体机产品控制理念等方面的不是展开了分析.测控制单元与热泵型新风环控一体机的运行控制策略加以耦合，以智能运维平台为载体，实现超低能耗建筑的真正意义上的“低烟”运行，为“碳达峰和碳中和”助力.
Abstraet: The ultra-low encrgy consumption building guided by the passive priority technology path greatly reduces the cold and heat loadof the building. Under the premise of low indoor personnel density and excellentthermal characteristics of the enclosure structure the smallair handing unit can be used to send the treatedfresh air into the room to meet the air conditioning requirements such as indoor cooling heating anddchumidification. Therefore the heat pump type new air environment control machine that can meet the aboveneeds is widelyused in ultra-low energy consumption buildings and the essence of the heat pump type new air cnvironment control machine is a directexpansion type air-air heat recovery small al-air air conditioning unit.Based on the practice of several ultra-low energy buildings(residential and officebuildings) in Wuxi this paperanalyzes the shortings of the productcontrol concept of the existing heat pump-typefresh airenvironmental control integrated machine. The monitoring and control units such as indoor and outdoorenvironmental parameters building physical energy storage intelligent shading system and other monitoring and control units are coupled with the operation controlstrategy of the heat pump-type fresh air environmentalcontrol integrated machine. The intelligent operation and maintenance platform isused as the carrier to realizethe real "lower exergy” operation of ultra-low encrgy consumption buildings and help “carbon peak andcarbonneutrality".
0引言
上提出，“二氧化碳排放量力争在2030年前达到峰值，在2060年前实现碳中和”的发展目标.建筑 为应对全球气候变化，世界各国积极推动节能减排工作.2020年9月，我国在第75届联合国大会领域节能减排是实现”碳达峰和碳中和”国家战略的关键一环，面对大量新建建筑带来的能耗刚性增长，发展超低能耗建筑被视为建筑领域碳达峰的重要路径之一，也是实现建筑领域碳中和的基础和必要条件.
1热泵型新风环控一体机产品功能
热泵型新风环控一体机理论上可以实现以下运行模式：a）全新风模式，在过渡季节实现全新风免费供 直膨式空调机组），其运行模式需要满足一个完善的全空气空调箱的使用功能与控制策略，现有产品的冷模式，此时制冷模块不开启、新风排风不经过热交换：b）全新风制冷制热模式，无回风，新风与排风进行热交换，经过表冷器降温或加热送入室内：c）内循环新风制冷模式，部分排风与新风发生热交换，经过热交换处理后的新风与室内回风混合，经过表冷器降温后送入室内：d）内循环新风制热模 式，部分排风与新风发生热交换，经过热交换处理后的新风与室内回风混合，经过表冷器加热后送入室内：e）内循环制冷制热模式，此时室外新风口关闭，采用室内循环风对室内进行制冷与供热.f）智能运行模式，主机能根据室内外温、湿度参数，室内CO浓度及室内外PM2.5浓度含量来选择新风量、回风量、全热交换器是否旁通等运行状态，实现全自动智能运行.图一体现了超低能耗建筑实施带来空
民间论文
调负荷的降低，给空调形式带来新变化2，理论计算和实践表明：在无锡地区，当空调冷负荷降低到30W/m2左右时，可以采用热泵型新风环控一体机来满足室内舒适性要求.
图一超低能耗建筑不同冷负荷范围推荐空调系统形式
从以上可能的运行模式分析，对照当前合资与国产产品手册可以得出以下结论：1）在全新风a）的模式下，全新风不是整个设备标定的总送风量，无法获得更多的室外新风实现总送风量全新风运行，只能获得设备标定的新风量，在过渡季节无法得到更多的新风冷量：2）控制系统不完善，模式转换智能通过控制面板手动操作，尚无法实现f）中阐述的智能运行模式，只能通过二次开发实现智能控制：部分厂家的压缩机不能实现变频运行：3）部分产品在热交换转轮旁通模式下漏风率较高，导致效率无 法达到产品标定的效率：4）部分型号产品全热交换效率达不到GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》规定的效率，热交换效率虚标较多：5）在制冷、制热模式下，或在内循环制冷、制热模式下，实测数值部分不满足GB/T40438-2021《热泵型新风环境控制一体机》中规定的关于空气源热泵能效系数限制要求等问题.表一罗列了两个厂家的热泵型新风环控一体机的相关数据参数3].
表一两个品牌热泵型新风环控一体机主要性能参数
总退风//风//册风（l/） 风排/热量//0动事) 逊/系/其口段430/150/180 8.4/4.0//(0.80/1. 10) 2.6/2.6//(0.18/0.9) 1642/14/141 81/87民产品 4.4/4.8// (L.20/1.31)60/28//200 2.6/8.5//(L13/1. 88) 164*2/164/141 8/88800//20//200 6 7/6 5// (1. T8/L.60) E.0/4.5//(L80/L.T0) 1640/141/141 66/771000//360//090 8.9/7. 4// (2 70/2-81) 7.2/6.4//(E.05/2.00) 1306/44/144 6/T25E0/s/0/5/05/T6 6.7/4.3/ (1.08/L 10) 6.1/4.8 (1.0/L.10) 15*0/180/1B9 ti/fs合资品 880/680/420/250/175/125 6. 8/6.0//(1.62/1.T5) 6.8/6.0//(L 62/1.78) 186/9/80 /80118B/s////245/18 9.5/8.0/ (2. 44/2 20) 6.5/9.0// (2.64/E 30) 1BWE/18)/1B) B/TE
2热泵型新风环控一体机的运行节能路径
图二为新风环控一体机的室内机外观形式，一般有2个送风接口、1个室内循环风接口、1个排风进口和出口、一个新风接口.既然热泵型新风环控一体机其本质是空气-空气热回收小型全空气空调箱，其节能措施可实施全空气系统的三项节能技术.其一是部分负荷变风量技术，由于新风环控一体机的风 量较小，在部分负荷时，可以通过采用高中低三档来调节送风量达到节能的目的：又比如某办公楼办公
区域和会议区域合用一套机组，当会议室不在运营状态时，可以通过CO浓度控制降低会议室新风量 到最小数值，同时通过三档风速控制降低设备总送风量至最低风量实现节能：其二是全（变）新风自然供冷技术，在过渡季节，室外温度较低时，可能采用免费的自然冷源，为室内降温，在夜间还可以通过自然冷源，对室内建筑实体进行自然蓄冷，此时热回收装置处于旁通状态：其三是排风热回收技术，GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》要求新风热回收装置显热交换效率≥75%，全热交换效率≥ 70%，从降低风机能耗的角度，要求居住建筑风机单位风量耗功率不应大于0.45W/m/h.夏季检测新风温度（设定相对湿度80%），当新风温度比室内回风温度低，且差值大于4C时，打开旁通风阀，由热回收工况转入旁通工况：冬季检测新风温度，当新风温度（设定相对湿度60%）低于室内回风温度，且差值小于4C时，打开旁通风阀由热回收状态转入旁通状态.无锡地区可以类比上海地区，全热交换的电能.
图二新风环控一体机室内机外观形式
3热泵型新风环控一体机对不同人员密度办公建筑的负荷适应性分析
住宅类建筑（住宅、公寓、酒店客房、养老用房客房）由于围护结构多为实体墙，且室内人员密度较小、使用设备较少，采用热泵型新风环控一体机负荷适应性很好.办公建筑围护结构如果采用实体 墙的围护结构，且窗墙比合理，热工特性偏好，主要考虑人员密度相关负荷的数值.这里为便于计算，把办公楼的内热负荷全部归结到与人有关的负荷，人相关的负荷有：新风冷负荷、人员的显热与潜热冷人，在全热交换效率系数为70%以上的前提下，新风环控一体机所承担的新风负荷计算如下门：无锡地 区夏季空调室外计算参数为：（干球温度34.6C、增值90.78kJ/kg）：室内计算参数：（干球温度25C、相对湿度60%、燃值55.89kJ/kg），较为保守的算法：新风环控一体机将室外新风经过全热交换器后的状态焙值为68.8kJkg处理到8g与95%的交点（也可以处理到一级直膨空调箱所能处理到的状态13℃、95%）恰值为31.77kJ/kg，1.2×（68.8-31.77）×30/3600=0.37KW=370W，即经过全热交换器处理后，制冷系统处理新风冷负荷所需冷量为370W/人：人的显热和潜热：一个人在静坐情况下，显热 和潜热为：（6741）W/人，冷负荷系数和群集系数均取0.9，则0.9（6741）×0.9=97W/人：设备散热量（电脑主机）：（6570）W/台式机：笔记本电脑：80W/台，假定台式机和笔记本持有者各占一半，冷负荷系数取0.9，则设备冷负荷为：0.9(0.5×1350.5×80)×0.9=97W/人：假定灯光同时使用系数取0.6，冷负荷系数取0.9，每m²的功率密度取15W/m（取了最高数值，一般为25-15W/m2），则灯光的冷/S//89 负荷为：15×0.6×0.9=8W/m²，把以上和人有关的内热冷负荷综合累加，室内内热冷负荷按照每人约为：
则办公室内内热负荷为：Q=560P8.GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》表A.1.3-3给出了办 公室不同场合的人员人均占地面积、人员在室内率、设备功率密度、照明功率密度等数值.50m²的总经理办公室，室内内热冷负荷约为：19.2W/m²：150m²的普通办公，人员密度为10m7人，人员在室率和设备使用率均为0.327，则室内内热冷负荷约为26.3W/m².因此可以看出：人员密度不大时，仅仅采用热泵型新风环控一体机能满足负荷需求：另外，以负荷较大的办公室内的会议室为例，人均占地面 积为3.33m²人，人员在室率为16.7%，100m²的会议室，室内内热冷负荷约为36.1W/m²，因此对于人员密度较大的办公空间，除了采用新风环控一体机外，还需要辅以其他形式的空调末端，才能满足室内负荷要求，或是采用其他形式的空调系统，如图一所列不同空调方式等等均可采用.
4热泵型新风环控一体机与建筑实体的耦合运行策略
超低能耗建筑具有较厚的围护结构和优良的遮阳性能，是天然的蓄能介质..2003年IEA国际能源机构 ANNEX37（LowEx heating and cooling research for buildings），为建筑中躯体蓄冷提供了重要 的理论支持.
图三国际原子能机构提供的夏季和冬季低拥辐射率
上表是冬夏两季墙体内部温度和辐射冷热烟的计算.在冬季，保温层越薄，墙体内表面温度越低.保温层越厚，墙体内表面温度越高，对人体的热辐射拥也就越大，舒适感越更高.夏季的辐射量比较低，这是因为夏季室内相对于室外温差很小.如墙体温度28、29度的时候冷辐射大约为20-60W/m2.但是在合理的着装和风速和湿度的条件下，低于100W/m2的冷辐射也能让人体感到很舒适（人体拥消 费和舒适度-宿谷2013）国.通过新风环控一体机或自然通风等方式为建筑物蓄能，可节省空调运行能耗，夏季蓄冷温度拟定为26℃，与室内温差相差6℃：冬季蓄热温度拟定位26℃，与室内温度相差6℃9.季节性蓄能采取的是“春冻秋捂”的策略，“春冻”就是把室外的天然冷量输送到室内，阻止建筑实体温度的回升，这个季节人体着装较厚，不影响人体舒适性：“秋捂”把秋天的热量输送到室内，保法，通过长期低拥能量的控制的使混凝土蓄冷，在夏季来临之前，保持一个比较低的混凝土躯体温度， 持其温度在20℃以上，这个季节人体着装较少，不影响人体舒适性.如在新风策略上用数理模型的算此时被动房保温层起到了阻止室外热向室内传导的作用.用有策略的换气带走一部分室内设备和人体的发热、混凝土蓄的冷消费掉一部分室内设备和人体的发热，来保持室内环境的舒适度，降低对对流环境的要求.因此环控一体机的运行工况须结合建筑实体蓄能耦合运行策略.无锡汉科以AI核心算法为并结合建筑实体内混凝土核心温度传感器采集系统、智能型遮阳系统研发出低物联网AI控制系统， 基础，并以热泵型新风环控一体机基础设备为依托，结合室内外温湿度、室内CO2浓度、TVOC含量、可为超低能耗住宅及办公建筑提供全套技术咨询、重点材料选型、实施过程监控等系统集成技术服务.下图为汉科低烟物联网AI控制系统拓扑图.
图四汉科低物联网AI控制系统拓扑图
4超低能耗居住和办公建筑中应用实例
无锡太湖威尼斯花园某别墅改造项目，总建筑面积为338m2（其中一层130m2，二层110m²，三层98m²），每层采用一台热泵型新风环控一体机：其中一层900m3/h（新风250m/h，制冷量5KW）， 二层采用700m2/h（新风250m/h，制冷量3.5KW），三层采用500m3/h（新风150m3/h，制冷量2.6KW），建筑单位冷负荷为32.8W/m².无锡锡山区千卡居办公楼为旧厂房改造项目，总建筑面积2800m²，使用功能为家居展示和自用办公，总共采用9台1080m（新风300m/h，制冷量7KW）热泵型新风环控一体机，单位负荷为22.5W/m2.无锡锡山区汉科节能科技有限公司自用办公共4200m²（含仓库等非空调区域），部分区域采用新风环控一体机，部分区域利用原来的办公室遗留的VRV空调全热交 换吊顶新风机形式满足整个3层办公的冷热负荷需求.其中一层门厅接待、展厅、卫生间等空间共多功能学术报告厅面积159m²，采用2台2HP的VRV室内机，单位负荷为63W/m²：小型会议室面积54m²，采用1HP室内机，单位冷负荷为46.3W/m²，2个会议功能用房共采用6HP室外机.采用 1080m3/h（新风300m3/h，制冷量7KW）热泵型新风环控一体机，单位负荷为37.4W/m²：二楼三楼散开办公、管理人员办公、小型会议等功能均采用VRV空调，面积为：2287m²，共采用28HP室外机，单位负荷为30.1W/m².
4结语
1）在超低能耗建筑中，被动优先的围护结构具有优良的热工特性，在室内人员密度不大的住宅、公寓、养老宿舍、办公建筑中，空调冷热负荷大大降低，热泵型新风环控一体机作为一个新兴的空调设环控一体机基础设备为依托，结合室内外温湿度、室内CO浓度、TVOC含量、并结合建筑实体内混 备，可以广泛使用在这些空间和场合，特别是以上介绍的无锡的几个超低能耗建筑案例，以热泵型新风凝土核心温度传感器采集系统、智能型遮阳系统研发出低物联网AI控制系统，将建筑实体低烟蓄能、室内外环境参数、建筑设备运行、AI控制达到被动和主动节能的完美结合，相关技术值得推广和在实践中进一步验证和探讨.
参考文献：
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