被动房之家
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跟着菲斯特教授学被动房【七】

来源:沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心作者:沃尔夫冈·菲斯特

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《德国被动房基础理论》课程,共8节,由德国被动房研究所沃尔夫冈·菲斯特教授讲授,沈阳建筑大学夏晓东讲述,柴泽宾翻译,沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心录制。本课程已获授权,转载必究。




第七节   机械通风


课程PPT及讲义




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上一节课我们介绍了通风的必要性,这节课我们介绍机械通风里面的一些技术基础。





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要想解决机械通风问题,首先就需要一个风扇让空气产生直接的流动,同时风还需要有进口和出口,然后在风口上安装风百叶。


如果要达到一个舒适的通风效果,我们需要在送风和排风之间达成一个平衡,涉及以下几方面的内容。第一就是需要一个很好的设计;第二是送风管道的组织;第三是排气管道的组织;第四是进风口、过渡区的溢流口、排风口;第五是室内空气质量和空气过滤器;第六是排风的热回收系统;第七就是设备的降噪。我们这里所说的通风就是单纯的机械通风,不包括对新风的加热或制冷。





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我们之前看过这张图,由左向右,分别是主要使用空间、过渡空间和次要使用空间,相对应的就是送风区、过渡区和排风区,为了使空气能够在三个区域之间流动,在隔墙或房门上需要设置溢流口,这样才能使空气按照设计的方式流动。





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要想组织好通风,首先就要在建筑图中明确哪些空间是送风区,哪些空间是排风区,哪些空间作为过渡区。我们来看一个建筑的案例,这是一栋两层建筑的剖面图,这是一个四口之家。






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我们再来看一下这栋建筑的平面图,下面是一层平面,上面是二层平面,那么总体的原则就是主要使用空间都应该是送风区,例如卧室、起居室、客厅等空间,这样的空间我们用浅绿色标记出来;排风区一般就是会产生污浊空气的辅助空间,例如卫生间、厨房、储藏室等,我们用浅红色标记出来;过渡区一般就是室内的交通空间,也就是过道、楼梯间、过厅等,我们用浅蓝色标记出来。





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明确了送风区、排风区和过渡区之后,我们来看一看送风的量,在德国呢使用的是DIN 1946这个标准中的规定值,也就是每人每小时20-30m³的新风量。当然在中国也有我们自己的标准。


对排风的规定是,厨房60立方米每小时,浴室40立方米每小时,小卫生间或其他的小空间20立方米每小时,当然允许有20%的浮动量。在前面提到的四口之家的案例中,那么所需要的新风量就是120立方米每小时,排风的量之和也在120立方米每小时,这里需要注意的是,新风量和排风量大致是要平衡的,如果案例中变成6口之家,送风量变成了180立方米每小时,相应的排风量也是需要进行调整与进风量要平衡。





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确定了风量之后,我们需要对机械通风系统进行组织设计,这里是一个被动房建筑的新风系统组织案例,图中蓝色的是排风管路组织,红色的是送风的管路组织。我们来看一下建筑的平面图,平面图中这是一个卫生间,卫生间的上方是管道井,管道井上方是一个厨房,图面的右上方房间和下方两个房间都是主要使用空间,中间是一个过道,那么我们来看一下管道是如何布置的,首先主要使用房间都需要送风,红色的送风管从管道井内的主管道分支出来,从卫生间的顶棚水平布置,然后穿过隔墙并向三个主要房间分出送风管,右上角的图片就是风管布置的照片。


房间内风口的位置就在墙壁上,我们可以看一看下面的图片,不需要向室内再延伸,同样可以满足要求,这样可以节省风管,同时不影响主要房间的天花。排风的组织是在卫生间内和厨房的墙壁上各设置一个排风口,汇集在一起后进入管道井的主排风管,管道转弯有降噪的功能,因此我们可以看到管道布置都是有弯的。





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送风口的选择上,最好是贴墙壁的长风嘴儿风口,这种出风口的百叶是向上翘的,可以引导气流向上,以一个很小的角度吹到天花板上,这样可以使天花板当成是扩大的风管,下面的剖面图是风口出风后的气流轨迹,这样新风可以贴着天花板送到房间的深处,这个是流体力学里的康达效应。


这个方法非常好,它既可以节省通风管道的长度,又可以不影响室内天花的布置,不需要吊顶,没有减小房间的净高,所以是一个非常好的方式。





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下面我们再来看一个被动房的通风案例,这是早期费斯特教授和另外一位教授的实践案例,这是一张平面图,下面的空间是起居室,中间有一部通向二楼的楼梯,楼梯的上面是一个小卫生间,最上面是厨房和餐厅,这个建筑起居室和餐厅需要送风,卫生间和厨房需要排风。






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现在我们来看一下放大比例的图,图中黑色的是送风管线,绿色的是排风管线,这个设计中管线基本上布置了最短的距离。





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在这个案例中,我们通过烟来测试风口的康达效应,康达效应是流体(水流或气流)有偏离原本流动方向,改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时,只要曲率不大,流体就会顺着该物体表面流动。


大家可以看到风从风口出来后,向天花板靠近,进入到房间的深处与室内空气混合,这个风口布置得稍微低了一点,是由于风管是在楼梯的下面穿过来的,所以没有向上布置的空间了,实际上我们建议风口可以再向上一些,效果会更明显。这就是为什么不需要在室内布置的到处都是管线的原因。


所以在通风设计的时候应该具备一些理论知识,这样可以在工程中节省很多材料和人工成本。




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下面我们介绍一下新风送到室内之后,是如何溢流到过渡区的。这是一堵内隔墙的剖面图,棕红色的部分是门和门口,如果门是敞开的,气流可以通过门自由地流动到过渡区,但如果门是关上的,就需要一个通道使空气通过,如果室内门气密性也很好的话,就需要在门口处留一些2-3cm宽的缝隙,在里面填上一些隔声的材料。当然,我们的门缝也可以作为气流通过的通道。





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下面我们来看一看通风的热损失,一般情况下,通风的风量我们用V`eq表示,它的单位是立方米每小时,冬季,从室外进来的新风是带着室外温度的,也就是说他把低温空气带进了室内,从室内排出的空气是室内温度,它是带有热量的,这就是空气中的热密度,也就是这个ρcp,它的单位是”瓦时每立方米每度”。


热损失系数Hv,就等于风量乘以热密度,消掉单位后,他的单位是瓦每度。这里呢可以认为这个ρcp是个定值,他的值是0.34。那么,通风热损失的量就是用热损失系数乘以温差乘以时间,得出单位kWh。


我们来看刚才那个四口之家的例子,我们按照冬季的条件,那么通风热损失就等于空气中的热密度0.34乘以新风量120再乘以室内外温差17摄氏度再乘以运行时间5000小时,得出3400kWh,这是没有热回收的情况下,由通风带来的热损失。





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前面我们讲的风量是通过新风系统机械通风方式的风量,实际室内外的换气量还包括空气渗透量和开窗的通风量。也就是说虽然我们建筑的气密性很好,但是还会有空气渗透进来,而开窗通风更是难以计算风量,因为不确定的因素太多。


如果没有新风系统,冬季不得不把外窗打开,如果安装了新风系统,那么冬季也就不需要开窗了。如果新风机组具有热回收功能,热回收效率达到80%以上的话,这个通风热损失就变成了现在的20%,也就是680kWh。由此可见新风系统的热回收率越高,通风的热损失就越小,如果热回收率能够达到90%,那么通风热损失就变成了340kWh。





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下面我们来看一看在一栋多层建筑中新风系统是如何组织的,这是在奥地利因斯布鲁克的一栋建筑,他是一栋认证过的被动房,这种风管从机房出来,通过竖向管道井的方式到达各层房间。右下角的图片就是新风机组,有四个口,一个室内的送风口,一个室内的排风口,一个室外的进风口,一个室外的排风口,中间六边形的就是热回收装置,上面是它的示意图。





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下面我们来放大看一下,它的热交换原理是把排风中的空气热量交换给室外进来新风,被加热的新风通过送风管线送至室内房间,排风把热量交换给新风之后排出户外。这两个方向的气流是交叉流动的,所以才能进行热交换,热交换的通道越长,热交换率也就越高,同样造价也就越高。





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我们来看一下,一个带有热回收的新风机组的温度分布图,室外低温的新鲜空气由下面进到机组内的热交换器中,室内的排风带着高温的空气进入到机组的热交换器中,两股气流在热交换器里面相向而行,进行热交换,这个温度分布图就反映出了空气的温度情况,经过热交换的新鲜空气行进到热交换器的末端的时候就接近了室内排风的温度,同样排出的气流在出口处也接近了室外温度。这就是这个机组的实景照片,机组左下角进风口处设置有过滤网。






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这里我们讲一下热回收装置的效率,被动房要求有高热回收率的新风系统,这是一张图表,他的横轴是用能设备的空气交换率,它近似相当于1-机组热交换率η,纵轴是建筑采暖的能量需求,没有热回收的新风系统在0.4-0.5左右,它对应的能耗是很高的在40kWh每年每平米,欧洲老式的热回收机组在0.2-0.35左右,它对应的能耗稍微低了一点,但是这种老式的机组的耗电量要高于热回收的能量,所以在当时也遭到了很多质疑;


新一代的热回收装置,他的热回收效率可以达到75%-95%,而且设备耗电量还非常低,大家知道被动房的能耗值是控制在15kWh每年每平米的,这就要求新风机组的热回收率是非常高效的。热回收率越高,建筑采暖能耗需求也就越低。在欧洲高热回收率的新风机组已经是主流产品了,效率比较低的设备是逐渐被淘汰掉的,也比较少。





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新的新风系统产品通常需要认证,这是被动房标准对新风机组的控制标准,比如对新风舒适度的要求,在-10摄氏度时进入室内的温度应该在16.5摄氏度,热回收效率要达到75%以上,第三设备自身不能太费电;第四,前面我们提过新风系统是外围护结构的延伸,那么机组需要保证气密性和保温性能,第五,风量的控制应该分档可控;第六是对机组噪声的控制,在25-35分贝;第七室内空气质量,需要有过滤装置;第八,当室外温度很低的时候应该防止结霜。实际上还有更多的性能款项需要检测,这里只是一部。




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这是对新风系统热回收效率的监测,这是前面讲到风管布置时,风管打弯进入房间的那栋被动房建筑,他的平均值能够达到83%。





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对这栋建筑我们还监测了相对湿度,湿度基本可以控制在30%-60%之间。室内相对湿度和风量的关系是是呢么?大家还记得前面讲过30立方米每人每小时的标准,如果我们将它增大到50m³,相对湿度将下降到30%以下,如果减小风量到15m³,相对湿度会50%以上。





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最后我们介绍一下,室内空气品质中的粉尘颗粒物等,我们常说的PM2.5就是空气中的颗粒物,颗粒物对人的健康损害是比较大的,大家知道雾霾天的上呼吸道感染病例急剧增加,就是这方面的影响。所以要求进风的时候需要过滤,过滤的标准是,过滤PM1.0要达到80%以上;排风也是需要过滤的,标准是过滤PM10要达到50%以上。


这里要说一下,气密性比较差的房子,过滤是没有太大用处的,因为颗粒物随着空气会渗透进室内。雾霾天气,过滤是很有必要的,但是很快过滤网会被过滤下来的颗粒堵死,因此需要不定期更换或清理过滤网。


以上就是我们介绍的一些通风相关的基础知识,目的是了解通风的重要性和被动房对通风的要求。


好,这节课我们就介绍到这里,谢谢!


点击回看:第一节   被动房概述


点击回看:第二节   围护结构的保温隔热


点击回看:第三节 围护结构的气密性


点击回看:第四节 建筑外门窗


点击回看:第五节 避免热桥


点击回看:第六节 建筑通风