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健康住宅的节能设计

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《中国住宅设施杂志》2014年第七期

1现有新风系统的形式

本文所讨论的新风系统指通过设置具有送(排)风功能的机械设备及管道、附件,或结合自然通风措施,为室内有组织提供清洁新鲜、富含氧气的空气的系统形式。现在工程中常用的住宅新风系统形式按照送、排风方式可以分为简易新风系统、户式单向流新风系统、户式双向流新风系统、集中单向流新风系统、集中双向流新风系统。

1.1简易新风系统利用小型专用的管道型新风机或窗式新风机为室内提供新风,并保证室内送、排风量平衡。这种小型新风机分为送风机和排风机,可装设在外墙、外窗或吊顶中。通常,送风机安装在卧室及起居室、书房的外墙或外窗上,直接引入室外新鲜空气,送风机入口处设有防雨罩、可启闭的风阀及过滤网,可对室外的蚊虫、柳絮、沙尘、花粉等进行简单过滤,并防止风、雨的侵入;排风机则安装在卫生间等污染区域或走道等非人员长时间停留的区域。这种简易新风系统的优点是:系统由送风机和排风机配合共同使用,手动操控,使用配置灵活,主要组合方式可分为:机械送风+机械排风、机械送风+自然排风、自然送风+机械排风;系统可全天24小时连续运行,设备简单,易于操控和日常维护,一次性投资及日常运行费用均较低;由于这种管道型新风机结构简单、电机功率很小,在制作安装工艺保证的前提下其设备噪音较低;在室外环境温度、湿度等参数适宜时,使用效果好。缺点是:不适宜在严寒地区使用,冬季寒冷空气直接送入室内会导致送风口及墙面结露、发霉;送风气流不均匀,风口局部区域过冷或过热;无法进行排风热回收,加大了冬夏季供暖供冷设备负荷,为保证合适的新风量,持续热损失过大;设备直接安装在卧室起居室,噪音会对人员休息产生影响;设备布置分散、控制点多,需人工手动启闭,送排风机启闭数量不匹配会造成室内压力的混乱;设备功率低,风机压头小,只能安装简单的过滤器,无法对室外空气进行有效过滤;点式送风,无法保证室内送风气流均匀,难免会有死角;

1.2户式单向流新风系统配合自然排风口或自然送风口,由风机通过风管将室外新风送入室内或将室内排风排至室外。这种系统由于将产生噪声的设备主机吊装在阳台、储物间或厨房等对噪声要求较低的房间,并且通常选用低噪声型产品,设置消声装置,对居室内噪声影响小;系统中的主机及活动部件集中布置,操作简单方便,维护难度不大,系统可连续运行。但同时,由于风管尺寸较大,需协调建筑室内装修进行合理布置。(1)当采用机械送风+自然排风的形式时,室内相对室外为正压环境,新风可以从外墙直接引入也可以通过集中的新风竖井引入,在风机入口设置防雨百叶、电动风阀(寒冷及严寒地区设置防冻保护电动风阀)、过滤装置、空气净化装置、预热装置、冷热盘管、加湿装置等,可以实现对新风简单的过滤净化、控温调湿。优点:新风经过滤吸收及杀菌消毒,送入室内空气质量较好;新风经过冷热盘管制冷或加热,避免送风口附近区域室温过热或过冷;冬季新风经预热及盘管加热后,避免风口结露;新风系统通过风管将新风均匀送至卧室、起居室、书房等房间,送风方向及风口形式可根据房间布局合理进行气流组织,送风均匀,死角少;室内为正压环境,可减少室外空气渗透对室内温湿度及洁净度的影响。缺点:无排风热回收,新风负荷较大;新风冷热源的增加对建筑空间、建筑用电量均有影响,设计时需提前考虑;严寒地区新风应进行预热处理,需要增加高温热源系统,并且要严格控制电预热系统的使用。(2)当采用自然送风+机械排风的形式时,室内相对室外为负压环境。其优点是在各个房间内设置排风口,通过排风管集中排至室外,气流组织较好。缺点:无排风热回收,加大了冬夏季供暖供冷设备负荷;自然进风口无法对新风进行有效的过滤吸收及杀菌消毒,无法对新风制冷或加热,并且送风气流不均匀,送风口附近区域室温易过热或过冷;室外冷空气直接送入室内导致送风口及墙面结露、发霉,因此不适宜在严寒地区使用;室内为负压环境,室外空气渗透对室内温湿度及洁净度有影响。

1.3户式双向流新风系统新风系统由送、排风机提供动力,分别通过送、排风管道,将室外新鲜空气送入室内并将室内污浊空气排至室外,送、排风均经由全热交换器进行能量回收。这种系统同户式单向流新风系统一样,将设备主机吊装在阳台、储物间或厨房等房间,选用低噪声型产品,设置消声装置,对居室内噪声影响小;系统操作简单方便,维护难度不大,系统可连续运行;风管需协调建筑室内装修进行合理布置。由于双向流系统也可以设置空气过滤净化装置、预热装置、冷热盘管、加湿装置等,所以其具有采用机械送风的正压单向流系统的一切优缺点,同时,由于双向流系统在送排风间设置了全热交换器进行排风能量回收,所以,新风负荷增加较小。

1.4集中单向流新风系统是一种配合各户内的自然排风口或自然送风口,由将大型新风机组或排风机组设置在新风机房内,通过送、排风管道集中为住宅楼内各住户提供新风或排风的单向流新风系统。这种系统与户式单向流新风系统的原理基本一致,只是将分散在各户的小型新风送风机或排风机替换成集中设置在新风机房内的大型新风机组或排风机组,通过风管与户内送风或排风系统连接,组成的一种供多户集中使用的新风系统。根据系统布置情况可分为竖向新风系统和水平新风系统,竖向系统的新风机房通常集中设置在地下层、设备层或屋顶机房层,而水平系统的新风机房则需逐层设置,机房的位置选择要充分考虑机组的振动及噪声对住户的影响。由于新风机组或排风机组在机房内集中设置,各用户室内基本无检修工作,设备的日常检修维护工作均可由专业人员完成,系统的正常运行效率高,用户不必了解新风机组的运行情况,降低了日常系统维护入户带给用户的干扰,减少了设备运行噪声及安全带给用户的影响和隐患,从而提高了用户的居住品质。

1.5集中双向流新风系统与集中单向流新风系统一样,将分散在各户的小型新风全热交换器替换成集中设置在新风机房内的大型新风热交换机组,通过风管与户内送排风系统连接,组成的一种供多户集中使用的双向流新风系统。

2住宅建筑新风系统节能设计

2.1室内、外污染分析根据室内、外污染发展的阶段和主要污染源的不同来分类,大致可以分为煤烟型污染、光化学烟雾污染、室内空气污染和噪声污染。我国现阶段基本是这几种污染共同作用。随着建筑物内应用越来越多的合成材料、化工制品、电子设备,室内空气的污染源迅速增加,持续大量的散发着甲醛、甲苯、苯并笓(油烟)、臭氧(电气设备)、氨气(卫生间)、二氧化碳(人体)等有毒有害气体及各种有机挥发物和细菌、病毒。与此同时,在我国经济发展进程中,环境保护并没有完全跟上工业发展的脚步,直接导致室外(尤其是大中型城市)空气污染的不断加剧,城市热岛效应明显,极端气候天气增多,沙尘、雾霾在越来越多的日子里遮蔽着我们的天空。如今,随着生活水平的提高,人们对于居室内空气环境的要求也在不断的提升着。尤其是经历了SARS危机、禽流感疫情带给人们的担忧,伴随着沙尘天气、雾霾天气对日常生活的困扰,人们已经越来越关注于自己每天所处生活环境所能提供的空气品质,健康建筑除了要具备避免上诉外界环境中的病菌及有毒有害物质侵入室内的能力,还要能够避免建筑内部污染所导致的病态建筑综合症、建筑相关疾病以及化学物质过敏症。现代建筑的节能要求及节能性能不断提高,建筑物的密闭性有了极大的改善,室内外通过门窗进行的自然渗透空气量非常少,在缺乏合理有效的通风措施的房屋里,室内大量装饰材料、电子设备及人员活动等产生的污染物无法及时有效排除,空气含氧量不断降低,室内空气质量(IAQ)变差,人员长时间在这种封闭的环境中生活,对人体健康危害极大。为此,保证新风供给量及新风送风品质对于室内空气环境的改善和人员的健康舒适有着至关重要的作用。为了保证室内有效通风,并避免不可控通风造成的室内冷、热量损失,解决室内空气品质与建筑节能之间的矛盾,需要对新风系统进行优化设计。

2.2新风系统形式的选择我国现阶段大部分的普通住宅,室内全面通风完全依靠开窗自然通风,通常仅在卫生间及厨房设有局部间歇型机械排风设备,如排气扇和排油烟机,无法连续运行,仅能为局部通风排除局部区域短时间内的污染气体。普通住宅对房屋的自然通风效果考虑太少,大部分房屋结构、室内格局不利于自然通风,导致普通住宅普遍存在着自然通风效果不佳的问题,加剧了人们日常对空调系统、机械新风系统的依赖。我们应该对改善住宅的自然通风性能并选择适合的新风系统给予足够的重视。住宅新风的提供应首先考虑并采用自然通风的方式,当仅采用自然通风无法满足室内新风要求时,应采用同时设置自然通风及机械新风系统的复合方式。在室外温、湿度适宜且室外空气清洁,在自然通风可以满足室内新风要求的时间及区域优先采用自然通风,以排除室内余热及室内污染物,为室内人员提供新鲜空气,调节室内温湿度,其余情况采用机械新风系统,以此降低室内空调负荷并减少机械新风系统运行费用。常听到一种说法:不用设置新风系统,每户自己采购一台家用空气净化器就可以了。是这样吗?采用家用空气净化器的确可以通过循环过滤净化处理室内空气,在一定程度上去除室内污染物,降低空气中污染物浓度,但由于其工作过程中并不引入室外空气,无法提供室内人员所必须的氧气,即无法降低室内CO2浓度,所以ASHRAE规定:不允许用空气净化器完全替代室外新鲜空气。(1)既有住宅改造:我国现阶段占绝大部分的既有住宅,其自然通风功能的实现基本上是利用风压或热压作用,通过开启门窗进行的最简单的自然通风形式。这种自然通风方式对于一些有正、负风压可利用的双向外窗的户型效果相对较好,但对于只有单向外窗的户型,则通风效果就十分有限了。有些住户为了改善其通风条件不得不长时间开启户门通风,不仅自家的隐私性无法保证,对邻居的生活产生干扰,更会产生安全隐患;对于这种既有住宅,我们可以首先通过对建筑内部格局的改变、建筑门窗形式的改变、家具摆放位置的改变等等方面的调整来改善居室内的自然通风性能。有条件的建筑可以利用或增加竖向通风通道,或利用太阳能辐射热(太阳暖房、蓄热墙等)进一步改善热压通风状况,但要特别注意热压对中和面上下,尤其是底部和顶部几层的通风影响。要同时考虑风压和热压对各层自然通风的影响,合理梳理风量、风向。根据建筑条件选择适合的系统,并考虑投资的经济性,可选择的系统包括:简易新风系统、户式单向流新风系统、户式双向流新风系统。既有住宅的新风系统通常都是设计时未考虑,后期用户自行安装,这就涉及到对建筑外立面的影响,并且吊装新风设备要考虑设备振动噪声对邻居的影响,所以要注意施工前应与周围其他住户及物业协调,取得认可,并经物业公司批准或备案方可安装。(2)新建普通住宅:对于新建普通住宅,我们可以在建筑物建设之初就有针对性的对整体区域的规划、布局进行合理的室外自然通风环境设计。例如我们可以在建筑物南向设置开敞空间以获得更多的冬季日照和夏季通风,设置水面或植被等,夏季利用水体蒸发冷却降温以改善区域环境,冬季强化太阳辐射的反射作用;进行合理的植被及构筑物规划设计,植物结合挡风墙和导风墙,灵活组合,利用风压作用,在建筑物南侧引导夏季风进入建筑室内,在北侧起到屏障的作用,阻挡冬季寒风。在建筑体型设计中使朝向夏季主导风向的外表面积增大,改善迎风面的风环境。减少甚至避免建筑主立面与冬季主导风向垂直,削弱冬季冷风的影响。在建筑物中适当位置设置通透空间,利于疏导以及释放过大的室外气流。对于建筑室内自然通风设计,注意门窗的相对位置、开启方式及可开启面积,注意室内家具摆设的尺寸及位置,注意建筑迎风面的构造对正压区气流的引导和压缩作用。并可利用热压原理通过天井等竖向通道实现并加强自然通风效果。适用于新建普通住宅的新风系统包括:简易新风系统,户式单向流新风系统,户式双向流新风系统,集中单向流新风系统。(3)新建高档住宅:高档住宅的“高档”对于新风系统的要求一方面是指设备选择及配件材料内在的高品质和外在的美观时尚,另一方面主要是指对室内环境的参数控制要求更为全面、精确、稳定、便捷以及更为友好的人机交互界面。首先考虑配合楼宇自动控制系统进行可靠的可控自然通风设计,然后合理选择带有热回收装置的新风系统,并设置室内空气品质控制器,自动监测室内空气状况,自动调节系统运行状态。如户式双向流新风系统,集中双向流新风系统。

2.3新风的处理(1)新风的净化:当遇到室外污染天气,例如沙尘、雾霾等,甚至是传染病流行的情况,如禽流感、非典等,如果新风系统缺乏能够对于各类污染物进行有效过滤并净化消除的措施,随着室外新风源头的室外空气品质降低,室外污染空气直接进入室内,新风系统送入室内的新风品质也会随之下降,使得室内污染加剧。当室内挥发性有机化合物VOC达到一定浓度,人体会产生头痛、恶心、四肢乏力的状况,并对肝、肾、脑及神经系统产生伤害,严重者会引起抽搐、昏迷、记忆力衰退。新风处理中常用的空气净化装置种类有板式过滤器、袋式过滤器、高压静电除尘器、紫外线消毒器、活性炭吸附器等。根据过滤效率可分为粗效过滤器、中效过滤器、高中效过滤器、亚高效过滤器。应根据当地室外常见污染物的种类以及建筑物室内空气净化品质的要求选择适当的空气净化装置。在选择净化过滤装置的时候一定要注意其压力损失对新风系统的影响,控制系统风速及系统的服务半径。过滤器应设置在表冷段、加热段、消声段之前。(2)新风的热回收:小型的户式新风设备常采用板式热回收装置或冷凝热回收装置。板式热回收又分为全热回收及显热回收两种,全热回收装置的换热核心采用特制的纸制材料,需要定期更换,而显热回收装置的换热核心多采用铝等金属材料制成,使用寿命较长。冷凝热回收装置由于内置压缩机等运动部件,选择时对产品噪声和产品质量应注意考察。对于集中新风机组,除了上述热回收装置外,通常还可考虑转轮热回收装置及热管热回收装置等。热回收新风机宜选择带有旁通路由的设备,新、排风在过渡季不必通过换热核心,以便延长其使用寿命。当室内采用辐射供冷系统或干式风机盘管,新风系统需要承担室内全部潜热负荷时,由于新风温度需被处理至露点温度之下以便除湿,为避免室内送风口结露,除湿后的新风需进行再热处理后送入室内,应限制采用外部热源,采用排风热回收再热装置等方式提高送风温度更为合理。(3)新风的热湿处理:a.冷却减湿处理:表面式冷却器,使用温度低于空气终状态温度的冷工质对新风进行冷却,新风的焓值、温度及含湿量均降低。b.等湿加热处理:利用蒸汽、热水或电热对新风直接进行加热处理,新风的焓值及温度增加而含湿量保持不变。在严寒地区,为防止冻坏热水盘管,我们需要对室外引入的寒冷空气进行预热处理,预热热源可以考虑蒸汽、高温热水或电热。c.等温加湿处理:利用干蒸汽对新风进行加湿处理,新风的焓值及含湿量增加而温度不变。在有蒸汽源的情况下,我们可以优先考虑使用干蒸汽加湿器;电加湿器(电热或电极)也可以实现等温加湿过程,但其耗电量过高及对水质要求高的特点限制了其应用范围。d.降温升焓加湿处理:利用水喷雾的方式对新风进行加湿处理,新风的焓值及含湿量增加而温度下降。常用的加湿器种类有高压喷雾加湿器、超声波加湿器、湿膜加湿器等。(4)新风系统的消声降噪:由于住宅是人们休息生活的重要场所,为保证舒适的室内居住环境,室内的噪声要求相对较高。集中新风机组应设置在专用新风机房内,户式新风设备应布置在远离卧室的设备间或储藏间内,四周墙壁均做消声、隔声处理。卧式新风机组配置减振垫或减振器,吊装新风设备采用减振吊杆;机组进出风管上均装软接头,进出水管上装避振喉软管;设备选型时注意选择低噪声产品,同时根据设备出口噪声值及服务空间噪声限值设置消声器或消声弯头。风管、水管应采用减振吊杆,其穿墙或楼板处均做隔振和软接处理。

2.4新风系统的气流组织新风系统的设计如果未充分考虑室内的风量平衡、未合理布置送排风口、未正确选择送排风口形式等等因素都会对室内整体的新风分布及室内污染物的排除效率产生较大影响,我们通过对新风系统送排风口的不同的组合与安装方式,可以实现户内正负压的合理分区。住宅建筑的新风应先送入室内人员主要活动区,并优先考虑人体处于相对被动的睡眠时段的新风需求。新风流经各房间的顺序,可以考虑在卧室和起居室内设置新风送风口送入室内,然后经由走道等过渡区域,最后进入卫生间,由设置在卫生间内的集中排风口排出。卧室、卫生间等新风需要流通的房间门上设置百叶或在门下留有间隙。由于我国的饮食文化,厨房内的油烟很重,即便是烹饪时保持排油烟机的开启,厨房内的油烟也会对排风机的工作寿命及效率产生较大影响,所以在设置排风口时应注意尽量避免设在油烟很重的厨房。当排风口设在卫生间内时,应采用能够完全隔断新、排风路由的热交换器,避免新风由于排风的渗透泄漏而受到二次污染。

2.5新风的运行管理新风系统运行一段时间后应注意定期清理过滤网及热交换器的换热核心,并对风管、风口等部位也要适当清理,以防止新风系统的二次污染。新风系统的风管、风口、过滤网及换热核心等不能及时清洗或更换,会造成风管、风口、过滤网上积灰过多而导致的二次扬尘,造成换热核心堵塞而降低换热效率。冷盘管或加湿设备等不能及时清洗并消毒,其潮湿的环境造成霉菌滋生,随新风送入房间会对室内人员的身体健康构成不可见的直接威胁。新风系统的日常运行管理也很重要,很多建筑中的新风系统为了节约电费常年关停,甚至个别项目根本无人会操作,全靠开窗通风。在天气寒冷或雾霾风沙天气室内密闭,室内空气状况十分恶劣。针对以上情况,我们一方面应普及新风与健康的关系,宣传正确使用新风系统对于提升室内健康生活环境品质的重要性,宣传正确的新风系统运行保养知识;另一方面应说明健康住宅与节能运行的实现方式,在保证健康舒适的室内生活环境的前提下有效节能,当室外环境不佳,自然通风无法满足室内空气环境的要求时,我们需要以手动或自动的方式适时开启新风系统。以上两方面要求不仅是面向管理集中新风系统的物业管理人员,也是面向使用户式新风系统的每位住宅业主。

3结语

人类的物质生活水平越高,对室内居住环境的要求也就越高,新风作为健康家居中不可缺少的重要一环,已经被越来越多、越来越广泛的被人们所认知并接受。合理的新风系统设置可以有效降低建筑运行能耗,而不合理的新风系统设置则会导致建筑物空调、采暖能耗的增加。无论是自然通风还是机械新风系统,或是二者结合的复合新风系统,只要能够合理的适用于其所服务的建筑,通过设计过程中有针对性的技术措施的采用,我们就可以协调建筑的健康要求与节能要求,让节能不再成为健康建筑的负担。

作者:戴旭单位:中国建筑标准设计研究院有限公司

中国住宅设施杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次