基于疫情防控的超低能耗建筑暖通空调系统设计思考

2021-03-16山东省建筑设计研究院有限公司李向东

暖通空调 2021年1期

山东省建筑设计研究院有限公司李向东

0 引言

2020年初，新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情突袭全球，给整个人类社会带来了巨大灾难。疫情发生后，我国采取了迅速而果断的行动，全国人民众志成城，齐心协力，迅速控制了疫情，为全世界做出了榜样。这其中，建筑行业、尤其是暖通专业功不可没。火神山、雷神山医院的设计人员在最短时间内完成了高标准的负压病房实施方案，对武汉的疫情控制起到了巨大作用。随后，类似的医院建设在全国各地展开，众多的设计院、设计师都进行了大量类似工作。同时，行业协会、学会牵头，编制疫情防治指南及相关设计标准，进行有关科学研究，组织网上讲坛普及相关知识，为疫情控制做出了我们应有的贡献。

近几年，超低能耗建筑受到国家及各地政府的大力支持，发展迅速，各地建设了一批超低能耗居住建筑(主要为住宅)及公共建筑示范项目。疫情期间，公众对集中空调系统、集中新风系统在疫情传播中的安全性产生了一些疑虑，鉴于超低能耗建筑的高气密性及对集中新风系统的依赖性，类似的疑虑也就更为突出，本文尝试对这些疑虑给出个人的理解，并从疫情防控的角度对超低能耗建筑的暖通设计给出一些建议。

本文所述的疫情防控，针对的是包含COVID-19及诸如SARS、MERS、H1N9等所有具有空气传播特性的病毒、细菌引起的传染性疫情，所述的“防控”，主要是基于预防、底线思维的考虑。

1 病毒传播与暖通空调系统的关系

1.1 传染病基本认识

传染病(infectious diseases)是由各种病原体引起的能在人与人、动物与动物或人与动物之间相互传播的一类疾病。根据《中国人民共和国传染病防治法》，中国目前的法定报告传染病分为甲、乙、丙3类，共40种，属于甲类传染病的只有鼠疫、霍乱2种[1]。根据国家相关部门要求，COVID-19作为急性传染病，虽然属于乙类传染病，但是按甲类传染病管理。

传染病根据传播途径分为接触传播、空气传播、水和食物传播、虫媒传播、其他等5类。属于空气传播的传染病有：甲型H1N1等各类流感、传染性非典型肺炎(SARS-CoV)、中东呼吸综合征(MERS-CoV)、人感染高致病性禽流感(H7N9等)、结核病、炭疽、诺如病毒急性胃肠炎、百日咳、流行性出血热、风疹、流行性脑脊髓膜炎、鼻疽和类鼻疽、埃博拉出血热、流行性腮腺炎、猩红热等。

各种空气传播传染病的致病机理、患病危害、防治手段有极大差异，但传播机理基本一致，即主要通过近距离飞沫经呼吸道传播，也可通过口腔、鼻腔、眼睛等处黏膜直接或间接接触传播。

截至目前，在中国疾病预防控制中心官网下的“传染病”一栏，新型冠状病毒肺炎尚未被列入任何一种传播途径分类中。

国家卫生健康委发布的《新型冠状病毒肺炎防控方案(第六版)》对COVID-19的描述如下：主要传播途径为经呼吸道飞沫和接触传播，在相对封闭的环境中长时间暴露于高浓度气溶胶情况下存在经气溶胶传播的可能，其他传播途径尚待明确[2]。

1.2 暖通空调系统在疫情防治中的作用

截至目前，尚无权威证据表明病毒可以通过通风空调系统进行传播。事实上，空气传播传染病虽冠以“空气”两字，但仍以接触传播为主要传播手段，通过空气传播时需要考虑3个主要条件：距离、浓度和暴露时间。

对于专业的传染病医疗建筑来说，暖通空调系统除了要保证室内基本的温湿度要求，还要承担降低病毒浓度、防止病毒扩散、保护医护人员安全的重任，各医疗区域压力梯度的维持至关重要。

对于具有平疫转换功能的医疗建筑来说，暖通空调系统要保证平时的医疗工艺需要，疫情时，经过简单的改造，可迅速转换为具备传染病专业防治的各项功能。

对于普通民用建筑来说，暖通空调系统的任务是保证平时舒适度要求。其平疫结合的考量，是要根据不同的系统形式与设备特点，结合建筑功能与节能运行需要，设计时采取适当措施，疫情时进行适当调整即可具有一定的预防病毒扩散、降低病毒传播风险的能力。

2 被动式超低能耗建筑应对疫情的利弊分析

2.1 被动式超低能耗建筑基本特点

被动式超低能耗建筑即通常所述的“被动房”，1988年瑞典隆德大学(Lund University)的阿达姆森(Bo Adamson)教授和德国的沃尔夫冈·菲斯特(Wolfgang Feist)博士首先提出这一概念。自2010年起，德国能源署(DENA)与我国住房和城乡建设部合作，在各地陆续建设了一批示范项目，山东、河北等地推出了地方被动式超低能耗建筑的标准。2019年，中国建筑科学研究院有限公司主编了国家标准GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》。

被动式超低能耗建筑的基本特点是最大幅度地降低建筑能耗，采取的主要措施有：提高围护结构的保温隔热性能、增强围护结构的气密性、对排风进行高效热回收等。

我国的节能标准体系中没有建筑气密性的要求，而在被动房的标准体系中，建筑气密性是一个重要的指标。德国PHI标准中，建筑气密性要求为换气次数N50≤0.6 h-1，即在室内外50 Pa压差下无组织空气渗透换气次数不大于0.6 h-1。GB/T 51350—2019中，要求严寒、寒冷地区居住建筑N50≤0.6 h-1，公共建筑及非严寒、寒冷地区的居住建筑N50≤1.0 h-1。

2.2 被动式超低能耗建筑在疫情时的不利因素

普通节能建筑由于围护结构的气密性不强，即使关闭门窗，大部分时间人们也并无明显的不适感。但对于气密性大大增强的被动式建筑来说，完全关闭门窗，新风量将无法满足人员卫生要求，因此，被动式建筑要求全年进行有组织机械新风供应。对有组织新风的依赖，成为被动式建筑应对疫情的不利因素。

另一方面，北方地区基本以集中供暖为主，一般建筑大多处于过度供暖状态，尤其是按节能标准建设的居住建筑，“开窗供暖”几乎成了常态。但对于超低能耗建筑来说，不再接驳城市集中供暖，居住建筑通常以住户套型为单位采用分散式供暖空调系统，供暖空调的主要设备以新风环境一体机(一种具有新风高效热回收、自带小型空气源热泵进行供热、制冷的设备)为主，其供热、供冷能力有限，开窗通风可能造成房间温度波动较大，影响室内舒适度。

超低能耗建筑均设有排风高效热回收装置，热回收装置的形式以板式和转轮式为主。存在的问题有：

1) 漏风量较大，根据GB/T 21087—2007《空气-空气能量回收装置》，板式静止式能量回收装置的内部漏风率(排风侧渗入新风侧的风量占名义风量的比值)最大允许限值为10%，旋转式的没有限值要求；

2) 由于本身构造特点，转轮式能量回收装置内新风、排风间的污染不可避免；

3) 板式全热回收的换热材料如采用纸质，本身即容易滋生霉菌，在水蒸气的渗透过程中，病毒有可能随之从一侧渗透到另一侧。

2.3 被动式超低能耗建筑在疫情时的有利因素

2.3.1被动式超低能耗建筑的新风供应更有保证

根据GB/T 51350—2019，居住建筑主要房间的室内新风量不应小于30 m3/(人·h)，公共建筑的新风量应符合现行国家标准GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》的规定。德国PHI标准及我国各地被动式超低能耗建筑设计标准均有类似规定。

对于一般场合来说，人均30 m3/h的新风量可以实现对污染物的有效稀释、满足人员卫生需求。同时，被动式建筑要求精细化施工，风管严密性要求较高，新风系统需要经过严格的调试与测试，较普通建筑更容易满足设计风量需求；被动式建筑均设有排风系统，对空气的置换效果更有保证。

2.3.2被动式超低能耗建筑的新风供应更洁净

GB/T 51350—2019规定，新风热回收系统空气净化装置对大于等于0.5 μm颗粒物的一次通过计数效率宜高于80%，且不应低于60%。要满足该标准，新风送风侧过滤效率至少要设置GB/T 14295—2008《空气过滤器》中的Z1(对≥0.5 μm颗粒物的过滤效率为60%～70%)中效过滤器，并尽量达到GZ(对≥0.5 μm颗粒物的过滤效率为70%～95%)高中效过滤器，对应欧洲标准过滤效率为F7(对≥1 μm颗粒物的过滤效率为70%～99%)或F8(对≥0.5 μm颗粒物的过滤效率为75%～90%)。实际上，市场上新风企业一般会将末级过滤器配置到亚高效过滤器(国标YG级，对≥0.5 μm颗粒物的过滤效率为95%～99.9%，或者欧洲标准H11级)。

以室内允许颗粒物浓度看，山东省标准DB 37/T 5074—2016《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》要求超低能耗建筑的室内空气细颗粒物(PM2.5)日平均质量浓度≤50 μg/m3。而普通建筑可视为执行GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》，室内空气可吸入颗粒物(PM10)质量浓度不大于0.15 mg/m3(日平均值)。

病毒作为纳米级的物质，需要附着在飞沫、细颗粒物等载体上。被动式建筑对室内细颗粒物浓度有较高要求，空调设备配置有较高效率的过滤器，在对细颗粒物有效过滤的同时，也降低了病毒的传播风险。

3 当前超低能耗建筑主要技术路线

3.1 居住建筑

在超低能耗居住建筑中，室内环境的维持具有如下特点：

1) 供暖、空调采用以住户的套型为单位的分散式供应方式，不再接驳市政集中供热。

2) 室内环境的维持采用新风空调一体机为主要形式。每户设置1套(大户型也可能设置2套或多套)新风空调一体机，该设备新风部分配备高效热回收(全热或显热)装置，可以在全新风、回风自循环、新回风混合等多个工况间转换，具有供冷、供暖、通风等多个运行模式。

3) 冷热源以分散式空气源热泵为主，也有采用集中水源、分散供水的水环式地源热泵方式。

目前存在的主要问题有：

1) 由于住宅每户的使用人数较少(一般3～4人/户)，按人均30 m3/h配置新风，对于有多个房间的住宅套型，容易造成单个房间的新风量不足。因此，对于多房间户型，应结合换气次数进行新风设计，如对于四室两厅、套内面积120 m2左右的套型，应按换气次数0.5 h-1计算新风量，约为150～180 m3/h，而不能仅按使用人数计算(约为90～120 m3/h)。

2) 一般来说，被动式住宅的冬季供暖需求量较低，与之相比，夏季供冷需求量仍然较高。另外，对夏季供冷来说，住户是间歇性使用空调，有迅速降低室温的需求。因此，为提高设备的供冷能力，加大室内空气换气次数，一般采用一次回风形式，存在设备复杂、容量较大、风量风压较大、噪声较高、设备安装位置受限等问题。

3.2 公共建筑

与被动式超低能耗居住建筑相比，被动式超低能耗公共建筑类型多、人员流动性大、内热源负荷密度较高、外围护结构窗墙面积比通常较大，使得被动式超低能耗公共建筑的暖通空调设计具有如下特点：

2) 围护结构保温加强、气密性、外遮阳等被动式节能措施的应用，使得夏季冷负荷中的显热部分大大降低，但潜热部分主要与在室人员有关，不会随围护结构性能的改善而变化。故在被动式超低能耗公共建筑中，夏季除湿能耗比重显著上升，对温湿度独立控制空调系统的需求更为迫切。

3) 单位负荷容量减少、冬夏季不同的负荷特性变化等因素对空调系统提出了新的要求，如应选择更为合适的空气处理方式、采用更加灵活的控制手段与控制策略等。

4) 应选用更高能效的系统与设备，降低整个系统的能耗水平。

5) 一般应采用可再生能源，降低一次能源需求。

4 基于疫情防控的超低能耗建筑暖通空调系统设计建议

4.1 居住建筑

以家庭居住为特点的居住建筑，从疫情防控的角度，设计重在防止住户间的空气串通污染。

1) 设计新风空调一体机产品时，应加大室外新风通道的通过能力，使得疫情期间或过渡季节，住户有条件采用全新风模式运行。

For spatially inhomogeneous systems, electron transport can be investigated with the following hydrodynamic equations[20]:

2) 对于以冬季供暖为主的系统，能量回收装置建议采用显热回收方式。

3) 住户的室外新风取风口、污风排出口设计应注意：

① 应有防止倒风的措施；

② 新、排风口间距宜尽量加大，防止气流短路；

③ 避免同一楼层、相邻住户的新、排风口相对设置；

④ 避免出现室内排出的污风被相邻楼层或相邻住户的新风口吸入的情况；

⑤ 避免新、排风口全部或其中之一设于建筑的封闭、半封闭天井或建筑的平面凹槽内。

4) 应探讨多样化的室内供暖空调系统形式，如新风系统仅负担平时卫生需要，另外设置独立的供暖空调设施调节室内温湿度，为疫情时用户开窗通风创造条件。

4.2 公共建筑

公共建筑通风空调系统管道复杂，客观上为病毒扩散提供了可能性，小型密闭空间尤其如此。从防疫的角度，建筑本身要尽可能设置足够面积的可开启外窗，创造自然通风条件。通风空调系统要针对不同形式，设计时应注意采取不同措施。

1) 全空气变风量(VAV)系统。目前很多高层、超高层公共建筑应用了VAV系统，疫情期间对VAV系统的质疑较多，认为VAV系统会造成各房间空气串通，加剧病毒传播。对于VAV系统，可从如下几个方面予以关注：

① VAV系统中空调机组(AHU)的新风引入部分要尽可能满足全新风运行的需要，疫情期间可部分牺牲对室内温度的控制，加大新风量直至转换为全新风运行。

② 做好气流组织设计，尽可能避免出现室内送回风短路、空气滞流等情况。

③ 加强空气过滤杀菌消毒，提供更为洁净的空气。新风的作用是稀释室内CO2浓度，仅仅在新风系统上设置过滤装置，通过排风系统置换室内空气，虽然也可以降低室内污染物浓度，但由于新风量较小，起到的作用也较小。只有采用较大的换气次数，对室内空气进行循环高效过滤，才能真正实现室内污染物的控制。全空气系统采用功能齐全的组合式空调机组，可以设置更高效的空气过滤装置，也可以对回风设置杀菌消毒装置，更易于实现对污染物的控制。

2) 全空气定风量(CAV)系统。一般在商业、机场、车站、大堂、会议室等独立的高大空间应用较多，设计注意事项与VAV系统基本相同。疫情高风险时期，一般聚集性活动被禁止，空调系统停止运行，如遇冬季应注意做好防冻工作。

3) 风机盘管加新风系统、多联机加新风系统。室外新风取风口应畅通、注意避免被排风污染，新风系统可采用适当的过滤措施，但没必要设置杀菌消毒装置。有条件时，室内循环处理空调设备的回风口，可设置适宜的杀菌消毒装置。

4) 热回收装置的选择与使用。排风热回收装置是被动式超低能耗建筑的重要设备，从防疫的角度，应注意以下几点：

① 应尽量降低热回收装置的漏风率，内部漏风率不宜大于3%。

② 以冬季供暖为主的系统，可采用显热回收形式；医院等空气污染风险较大的场合，可采用分离式热回收系统(乙二醇液体热回收、热管式热回收等)。

③ 当采用转轮热回收时，应采用具有新、排风风机独立控制的功能，疫情期间可加大新风量或减小回风量，使新风侧保持正压，避免排风对新风的污染。同时转轮宜停止运行，放弃热回收。

④ 热回收装置应具有旁通控制功能，可全部关闭热回收通路。

⑤ 当采用板式全热回收时，疫情期间可将全热回收换热机芯更换为显热回收换热机芯。

5) 新风系统设计。可结合过渡季节或冬季新风供冷需求，设计时适当加大新风量标准，空调季节根据室内二氧化碳浓度自动控制新风量供应，过渡季节或疫情期间转换为最大新风量运行。

6) 温湿度独立控制空调系统应用。温湿度独立控制空调系统的干式末端减少了对湿表面依赖性较强的细菌、病毒的滋生，是一种天然的有利于疫情防控的系统形式。

5 某被动式超低能耗建筑中的疫情防控措施

5.1 工程概况

某超低能耗教学培训综合楼(见图1)，位于济南市，其被动式部分建筑面积33 600 m2，地上12层，地下1层，其中：地下1层至地上2层为培训教学用房，3～12层为学员宿舍。空调系统采用温湿度独立控制系统，学员宿舍部分干式末端采用干式风机盘管，培训教室部分干式末端采用主动式冷梁，新风采用内冷式双冷源系统。

图1 项目效果图

5.2 平疫结合技术措施概述

1) 双冷源新风机组中的全热回收芯体采用石墨烯膜材，具有高回收效率、高气密性、高透湿、低吸湿、抗菌抑菌等特点，可有效降低排风污染。

2) 热回收机芯具有旁通控制功能，可以通过控制面板控制旁通阀，过渡季节或疫情时新风直接送入室内，避免经过热回收装置。

3) 内冷式双冷源机组的送、排风机均采用数字化无刷直流风机，可以分别独立控制，实现系统的正压或负压运行。疫情期间可以通过对风机的选择运行，控制某些区域为负压，用于接收疫情疑似人员，另一些区域为正压，避免交叉污染。

4) 研究表明，适当加大新风量具有过渡季节“免费供冷”效果。该工程新风机组均按不小于额定风量的1.25倍进行风机配置，平时以额定新风量运行，采用CO2浓度控制，过渡季节以最大新风量运行实现新风供冷，疫情期间转换为最大新风量运行，加大室内换气量。

5) 报告厅采用双冷源全空气机组，除了具有上述各项功能外，尚具有全新风运行功能。

5.3 新风供冷及疫情期间加大新风量运行的可行性研究

以项目某教室为研究对象，使用面积为176 m2，额定新风量标准为30 m3/(人·h)，设计在室人员数量为35人。房间逐时室内冷负荷采用全年能耗模拟软件计算，新风可承担的冷负荷采用式(1)计算。

Qx=Gx(hx-hn)

(1)

式中Qx为新风可承担的冷负荷，kW；Gx为新风量，kg/s；hx为新风逐时比焓，kJ/kg；hn为室内空气设计状态(26 ℃、55%)下比焓，kJ/kg。

当采用不同新风量标准时，考察制冷主机不同开机、停机时间条件下，全年供冷能耗(含制冷系统及新风系统)、节能率(不同新风量标准、不同主机开停机时间的年供冷能耗与额定新风量标准、正常开停机时间的年供冷能耗之比)、新风供冷保证率(有冷负荷时段内的新风供冷量累计值与室内冷负荷累计值之比)，计算结果如表1所示。