第2章　能源利用技术

2.1　供暖、通风与空调

2.1.1　自然通风

2.1.1.1　自然通风的定义

自然通风除可以满足房间一定的舒适度，除保持室内空气的清洁度，降低能耗外，更有利于人的生理健康和心理健康。

自然通风通常意义上指通过有目的地开口，产生空气流动。这种流动直接受建筑外表面的压力分布和不同开口的影响。建筑表面的压力由风压和室内外温差引起的热压所组成，风压依赖于建筑的几何形状、建筑相对于风向的方位、风速及建筑周围的地形。

许多建筑以自然通风的三种基本方式为基础建立自然通风模式。一般可在单个建筑中采用两种或三种模式混合来满足不同的需要。图2-1为典型的混合式自然通风示意。

另外还有一些建筑采用在使用的房间建立详细的进、出通风口和分布策略以及合理分布地板空气来对穿过建筑物的空气进行控制。图2-2为有一个夹层分布系统的烟囱通风示意。

自然通风和机械通风都可达到通风冷却的目的，但相关研究结果表明，采用自然通风的办公楼和采用空调的办公楼相比，每年节省的冷却能量为14～41kW·h/m2。

在室内温度及湿度均很高的情况下，良好的空气流动能加速热量的散逸和水蒸气的蒸发，从而达到降温的目的。自然通风是实现良好的空气流动的被动式策略。它是在自然风的基础上利用和加大风压，促进室内气流流动，从而将热空气排出建筑。自然通风主要可分为风压通风和热压通风。

风压通风指的是当自然风吹向建筑物正面时，因受到建筑物表面的遮挡而在迎风面上产生正压区，气流偏转后绕过建筑的各个侧面和屋面，在侧风面和背风面产生负压区。当建筑物的迎风面和背风面设有开口时，风就依靠正负压区的压差从开口流经室内并由压力高的一侧向压力低的一侧流动，从而在建筑内部实现的空气流动。

由于自然风的不稳定性，或者由于周围高大建筑和植被的影响，许多情况下，建筑的周围不能形成足够的风压，这时就需要利用热压来实现自然通风。

热压作用下的自然通风原理：由于建筑物内外空气的气温差产生了空气密度的差别，于是形成压力差，驱使室内外的空气流动。室内温度高的空气因密度小而上升，并从建筑物上部风口排出，这时会在低密度空气原来的地方形成负压区，于是，室外温度比较低而密度大的新鲜空气从建筑物底部的开口被吸入，从而室内外的空气源源不断地进行流动。

（1）窗户

窗户在自然通风中扮演着关键角色，它主要是利用风压原理。室内自然通风的效果与窗户开口大小、开口位置、室外风速的大小以及风向和开口的夹角有关系。要取得良好的通风效果，必须组织穿堂风，使风能顺畅流经全室，这就要求房间既要有进风口又要有出风口。一般来说，一个房间进风口的位置（高低、正中偏旁等）及进风口的形式（敞开式、中旋式、百叶式等），决定着气流进入室内后流动的方向（图2-3）。而排风口与进风口面积的比值决定气流速度的大小，当进风口面积不变时，排风口面积增大，则室内气流速度也随之增大；当处于正压区的开口与主导风向垂直，则开口面积越大，通风量越大。创造风压通风的建筑开口与风向的有效夹角在 40°范围内；当建筑开口和风向夹角不能在 40°范围内时，可以设置导风板创造正负压区引导通风。砖砌矮墙、木板、纤维板甚至布兜均可用来导风、组织气流。

（2）风塔

风塔的工作原理如图2-4所示。白天室外热空气进入风塔（风塔进风口必须朝向主导风向，利用风压进气），通过与风塔内壁接触换热冷却，变沉下落，冷空气从进气口进入房间，对房间进行对流换热降温，最后由出气口排出。经过白天的热交换，风塔已经变暖。在夜晚，室外冷空气通过房间进入风塔底部，与风塔进行热交换，升温变轻，最后流出风塔。

风塔策略在昼夜温差大的干热地区非常有效。

（3）太阳能烟囱

太阳能烟囱利用了热压原理，空气被有意识地加热，从而产生向上的抽拔效应，如图2-5所示。

太阳能烟囱对自身温度的增加没有限制，因为它通常是与建筑的使用空间相隔绝的。它正是要吸收最大量的太阳辐射，从而产生最强烈的通风效应。 它适用于风速较低的地区。

表2-1展现了风塔与太阳能烟囱的区别。

（4）中庭或天井

利用风压及热压的共同作用，中庭或天井可以成为大型的拔风筒，将围绕在其周围的房间的热空气抽出。 中庭示意图见图2-6。

利用中庭的拔风效应强化自然通风，见图2-7。在利用中庭的烟囱效应对相邻房间自然通风的同时，也应充分考虑一个物理现象——中和面效应的不利影响。

图2-7（a）为理想状态中庭热压通风示意，而图2-7（b）为中和面对中庭拔风的影响。在图中a点，空气由室内向室外运动，其原理在于该处中庭内空气压力高于室外。同样，在底部b点，中庭空气压力低于室外，空气由室外流入。而在中庭垂直方向上存在一点，此处室内外压力相同，通过该点的水平面，物理学上称之为中和面。显然，只有处于中和面以下的窗洞，空气才由室外流入中庭并由顶部排出，中和面以上的窗洞如若开启，必将成为出风口。也就是说，在某些情况下，利用中庭的烟囱效应，只可对建筑的一部分房间实现自然通风，上层房间为避免污浊空气的回灌，相邻中庭的窗应关闭，或者将通风窗像烟囱一样高高顶出屋面。通过提高出风口的高度来提升中和面高度，可强化中庭的通风效果。

2.1.1.2　风压通风

人们常说的“穿堂风”就是利用建筑两侧的风压差产生穿过建筑内部的室内外空气交换。当风吹向建筑物正面时，因受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上产生正压区。气流在绕过建筑物各侧面及背面时，在这些面上产生负压区。风压就是建筑迎风面和背风面的压力差，它与建筑的形式、建筑与风的夹角和周围建筑布局等因素相关。当风垂直地吹向矩形建筑时，前墙正压，两侧墙和后墙负压；斜吹时，两迎风墙为正压，背风墙为负压。任何情况下，顶屋面均在负压区内。

当风垂直吹向建筑立面时，迎风面中心处正压最大，屋角及屋脊处负压最大。在迎风面上的正压通常为自由风速动压力（风压）的0.5～1.0倍；而在背风面上，负压为自由风速动压力的0.3～0.4倍。建筑的同一表面上压力分布并不均匀，压力由压力中心向外逐渐减弱，负压区的压力变化小于正压区。

风向垂直于建筑表面时，迎风墙的正压平均为风压的76%，墙中心为95%，屋面为85%，侧墙为60%。侧墙负压平均为-62%，靠近上风部分为-70%，处下风墙角为-30%；后墙负压较均匀，平均为-28.5%，屋面负压平均为-65%，靠近上风处为-70%，下风处为-50%。

风与墙面斜交时，沿迎风墙产生显著的压力梯度，背风墙负压较均匀。风与墙面夹角为60%的迎风墙上，上风角点为风压的95%，并沿下风方向减弱至零；相对背风墙面平均负压为-34.5%，另一类夹角为30°的墙面上压力范围由上风处的30%减至下风处的-10%，相对的背风墙面平均负压为-50.3%。

前后墙风压差Δpw可近似表示为

　　（2-1）

式中　k——前后墙空气动力系数之差（风与墙的夹角为60°～90°，可取k=1.2，当α<60°时，k=0.1+0.018α）；

　ρ——空气密度，kg/m3；

　v——室外风速，m/s。

由风压引起的通风量N用下面的方法计算：

当风口在同一面墙上（并联风口）时

　　（2-2）

当风口在不同墙上（串联风口）时

　　（2-3）

式中　　 N——通风口总面积，m2；

A1，A2——两墙上风口面积，m2；

　　Δp——风口两侧的风压差，Pa。

风压通风量为

N=kEAv　　（2-4）

式中　k——出风口与进风口面积比的修正系数；

　E——进风口流量系数，挡风垂直于窗口时，E=0.5～0.6，当风与墙面成45°角时，风量N应减少50%；

　A——进风口面积，m2；

　v——进风风速，m/s。

为了充分利用风压来实现建筑自然通风，首先要求建筑外部有较理想的风环境（平均风速一般不小于3～4m/s）。其次，建筑应朝向夏季夜间风向，房间进深较浅（一般以14m为宜），以便形成穿堂风。此外，自然风变化幅度较大，在不同季节和时段，有不同的风速和风向，应采取相应措施（如适宜的构造形式，可开合的气窗、百页窗等）来调节引导自然通风的风速和风向，改善室内气流状况。

建筑间距减小，后排建筑的风压下降很快。当建筑间距为3倍建筑高度时，后排建筑的风压开始下降；间距为2倍建筑高度时，后排建筑的迎风面风压显著下降；间距为1倍建筑高度时，后排建筑的迎风面风压接近零。

2.1.1.3　热压通风

“烟囱效应”即热空气上升，从建筑上部风口排出，室外新鲜的冷空气被吸入建筑底部。当建筑内温度分布均匀时，室内外空气温度差越大、进排风口高度差越大，则热压作用越强。热压与进排风口高度差H的关系为

Δpstack=ρgHβΔt　　（2-5）

式中　 β——空气膨胀系数，℃-1；

　Δt——室内外温差，℃。

热压作用下的自然通风量N可用下式计算

　　（2-6）

式中　A1，A2——进风口面积，m2；

　　tn，tw——室内外温度，℃；

　　　　H——进、排风口中心高差，m。

由于室外风的不稳定性，并且通常存在周围高大建筑、植物等的遮挡影响，许多情况下在建筑周围形不成足够的较稳定的风压，设计者倾向于以热压作为基本动力来组织或设计自然通风。

2.1.1.4　一般规定

自然通风方式适合于全国大部分地区的气候条件，是一种利用自然能量改善室内热环境的简单通风方式，常用于夏季和过渡（春、秋）季建筑物室内通风、换气以及降温。通常也作为机械供冷或机械通风时季节性、时段性的补充通风方式。

对于夏季室外气温低于30℃、高于15℃的累计时间大于1500h的地区，在建筑物设计时，应考虑采用自然通风的可能性。

当室外热环境参数优于室内时，居住建筑和公共建筑的办公室等宜采用自然通风，使室内满足热舒适及空气质量要求；当自然通风不能满足要求时，可辅以机械通风；当机械通风不能满足要求时，宜采用空气调节。

消除建筑物余热、余湿的通风设计，应优先利用自然通风。

厨房、厕所、浴室等，宜采用自然通风。当利用自然通风不能满足室内卫生要求时，应采用机械通风。

居住建筑的自然通风应结合建筑设计，首先确定全年各季节的自然通风措施，并应做好室内气流组织，提高自然通风效率，减少机械通风和空调的使用时间。当在大部分时间内自然通风不能满足降温要求时，宜设置机械通风或空气调节系统，设置的机械通风或空调系统不应妨碍建筑物的自然通风。

夏季自然通风和联合通风的室内设计参数，宜采用表2-2中参数值。

2.1.1.5　自然通风的适用条件

①由于自然通风量的不确定性和室外进风温度一般较高，室内的得热量宜取小于等于40W/m2。

②由于室内换气要求标准低，因此无确定的换气次数要求。

③自然通风适用于室内对温、湿度等要求范围较宽的热舒适场所；不适用于对室内温度、湿度或含尘量有一定要求的场所。

④当室外特别是夏季常年有不小于2～3m/s的平均风速时，建筑物可获得一定的风压作用。

2.1.1.6　自然通风的设计要点

①建筑物室内自然通风的设计，应首先详细了解室内、外的环境条件，可主要从外部环境、外部构造、内部构造、得热负荷、舒适健康性等几方面考虑。

②自然通风的设计一般有两种方法，即室内热压作用下的简化设计计算法（简称简化计算法）和室内热环境下的计算机模拟法（简称计算机模拟法）。两种方法的特点及适用范围见表2-3。

③自然通风的设计计算应依据产生的主要作用力进行合理的选择计算。

④对于居住类建筑，自然通风仅在单个外窗的同一个窗孔（即中和面穿过开口）范围内进行，当热压和风压共同作用时，自然通风的通风量并不等于两者的线性叠加。

⑤自然通风的设计宜在设计计算的基础上，对室内热环境进行计算机模拟，分析建筑物及其室内的自然通风模型，并以此技术来辅助自然通风的设计，从而对建筑物室内、外通风设计进行合理的完善和优化，其中包括：建筑物内、外窗的形式、尺寸及位置；室内通风竖井的形式、尺寸及位置；建筑物室内的隔断高度及位置等。

2.1.2　排风热回收

在空调系统中，为了维持室内空气量的平衡，送入室内的新风量和排出室外的排风量要保持相等。由室外进入的新风通过一些空调手段（冷却、加湿、加热等）处理到合适的状态才能被送入室内，并使室内最终达到新风计量的状态点。这样，新风和排风之间就存在一种能耗，一般称之为新风负荷。新风量越大，需要被处理的空气越多，则新风负荷就越大。而对于常规的空调系统，排风都是不经过处理而直接排至室外，结果这一部分的能量就被白白地浪费掉。如果我们利用排风经过热交换器来处理新风（预冷或预热），从排风中回收一些新风能耗，就可以降低新风负荷，从而降低空调的总能耗。

如图2-8所示，从空调房间出来的空气一部分经过热回收装置与新风进行换热，从而对新风进行预处理，换热后的排风以废气的形式排出，经过预处理的新风与回风混合后再被处理到送风状态送入室内。多数时候仅仅靠回风中回收的能量还不足以将新风处理至送风状态点，这时需要对这一空气进行再处理，图中的辅助加热/冷却盘管就起这个作用。

如果室内外温差较小，就没有必要使用排风热回收。所以在新风的入口处设置了一个旁通管道，在过渡季节时将其打开。

2.1.2.1　排风热交换器的种类

排风热回收装置的核心是其中的热交换器，因为针对的是空气之间的换热，所以一般称为空气-空气热交换器。

根据热回收设备应用范围的不同可以将空气-空气热回收装置分为三类。

①工艺-工艺型　主要用于工艺生产过程中的热回收，起到减少能耗的作用，这也是一种典型的工业上的余热回收。主要进行的是显热的回收，而且由于工作环境的关系，在这样的设备中需要考虑冷凝和腐蚀的问题。

②工艺-舒适型　此类热回收装置是将工艺中的能量用于暖通空调系统中。它节省的能量较工艺-工艺型的要少，也是回收显热。

③舒适-舒适型　这一类的热回收装置进行的是排风与新风之间的热回收。它既可以回收显热，也可以回收全热。

我们这里所讨论的是第三类热回收装置。这一类热回收方式比较多，归纳起来大致可分为两大类： 显热回收装置、全热回收装置。

显热回收装置只能回收显热，常见的有板式显热热交换器，热管式热交换器和中间热媒式热交换器；全热回收装置既可回收显热，又能回收潜热，常见的有板翅式热交换器、转轮式热交换器和热泵式热交换器。表2-4对这几种热交换器分别予以介绍。

排风热回收中回收的热量同时可以当作建筑物热源。

空气源热泵是一种具有节能效益和环保效益的空调系统的冷热源。在实际应用中，空气源热泵的制冷（热）性能系数和制冷（热）容量受室外空气参数的影响较大，使热泵的应用受到地理位置的限制，影响了其与其他冷热源设备的竞争力。在实际应用中，若能将空调系统的排风有组织地引至空气源热泵的室外换热器入口，则可以减小由室外环境对热泵造成的影响，增大空气源热泵在实际运行中的制冷（热）性能系数和制冷（热）容量，并且可以达到回收空调排风的冷（热）量、节能的目的。

空气源热泵的低温热源为室外空气，室外空气的状态参数（如温度和湿度）随地区和季节的不同而变化，这对热泵的容量和制热（制冷）性能系数影响很大。在夏季制冷时，随室外温度的升高，制冷COP呈直线下降，制冷容量也呈直线下降；在冬季制热时，随室外温度的降低，制热COP呈直线下降，制热容量也呈直线下降。

2.1.2.2　各种热交换器的比较

各种设备各具特点，在热回收效率、设备费用、维护保养、占用空间等方面有不同的性能。表2-5为它们的性能比较。

2.1.2.3　一般规定

①本节主要适用于空调排风空气中热回收系统的设计。

②当建筑物内设有集中排风系统且符合以下条件之一时，建议设计热回收装置。

a.当直流式空调系统的送风量大于或等于3000m3/h，且新、排风之间的设计温差大于8℃时。

b.当一般空调系统的新风量大于或等于4000m3/h，且新、排风之间的设计温差大于8℃时。

c.设有独立新风和排风的系统时。

d.过渡季节较长的地区，当新、排风之间实际温差的度数大于10000℃/a时。

③使用频率较低的建筑物（如体育馆）宜通过能耗与投资之间的经济分析比较来决定是否设计热回收系统。

④有条件时应选用效率高的热回收装置。所选热回收装置（显热和全热）的热回收效率要求见表2-6。或者应使热回收装置的性能系数（COP值）大于5［COP为回收的热量（kW）与附加的风机或水泵的耗电量（kW）的比值］。机组名义值测试工况见表2-7。

注：*表示名义值，—表示无规定值。

⑤新风中显热和潜热能耗的比例构成是选择显热和全热交换器的关键因素。在严寒地区宜选用显热回收装置；而在其他地区，尤其是夏热冬冷地区，宜选用全热回收装置。

⑥评价热回收装置好坏的一项重要的指标是热回收效率。热回收效率包括显热回收效率、潜热回收效率和全热回收效率，分别适用于不同的热回收装置。热回收装置的换热机理和冬、夏季的回收效率分别见图2-9和表2-8。

⑦当居住建筑设置全年性空调、采暖系统，并对室内空气品质要求较高时，宜在机械通风系统中采用全热或显热热回收装置。

2.1.2.4　选用热回收装置的设计要点

（1）转轮式热回收装置

①为了保证回收效率，要求新风、排风的风量基本保持相等，最大不超过1∶0.75。如果实际工程中新风量很大，多出的风量可通过旁通管旁通。

②转轮两侧气流入口处，宜装空气过滤器。特别是新风侧，应装设效率不低于30%的粗效过滤器。

③在冬季室外温度很低的严寒地区，设计时必须校核转轮上是否会出现结霜、结冰现象，必要时应当在新风进风管上设有空气预热器或在热回收装置后设温度自控装置；当温度到达霜冻点时，发出信号关闭新风阀门或开启预热器。

④适用于排风不带有有害物质和有毒物质的情况。一般情况下，宜布置在负压段。

（2）板式显热回收装置

①当室外温度较低时，应根据室内空气含湿量来确定排风侧是否会结霜或结露。

②一般来讲，新风温度不宜低于-10℃，否则排风侧会结霜。

③当排风侧可能结霜或结露时，应在热回收装置之前设置空气预热器。

④新风进入热回收装置之前，必须先经过过滤净化。排风进入热回收装置之前，也应装过滤器；但当排风较干净时，可不装。

（3）板翅式全热回收装置

①当排风中含有有毒成分时，不宜选用。

②实际使用时，在新风侧和排风侧宜分别设有风机和粗效过滤器，以克制全热回收装置的阻力并对空气进行过滤。

③当过渡季或冬季采用新风供热时，应在新风道和排风道上分别设旁通风道，并装设密闭性好的风阀，使空气绕过热回收装置。

（4）中间热媒式换热装置（液体循环式）

换热盘管的排数，宜选择n=6～8排。

①换热盘管的迎面风速，宜选择vg=2m/s。

②作为中间热媒的循环水量，一般可根据水汽比μ确定：

n=6排时，μ=0.30；

n=8排时，μ=0.25。

③当供热侧与得热侧的风量不相等时，循环水量应按数值大的风量确定。

④为了防止热回收装置表面结霜，在中间热媒的供回水管之间宜设置电动三通调节阀。

（5）热管式热回收装置

①冬季使用时，低温侧上倾5°～7°；夏季时可用手动方法使其下倾10°～14°。

②排风应含尘量小，且无腐蚀性。

③迎面风速宜控制在1.5～3.5m/s。

④可以垂直或水平安装，既可并联，也可串联。

⑤当热气流的含湿量较大时，应设计排凝水装置。

⑥设计时应注明：当启动换热装置时，应使冷、热气流同时流动或使冷气流先流动；停止时，应使冷、热气流同时停止，或先停止热气流。

⑦受热管和翅片上积灰等因素的影响，计算出的效率应打一定的折扣。

⑧当冷却端为湿工况时，加热端的效率值应适当增加，即增加回收热量。