清华大学教授李元哲
她已经年逾八旬，却依旧默默投身在科研领域，被誉为“空气源热泵地板辐射采暖先驱者”，她就是清华大学教授李元哲。上世纪八十年代，在中西德可再生能源合作项目中，她做出了令德国人称赞的辉煌成果；我国“七五”计划期间，她担任国家攻关课题“可再生能源”子项“太阳能利用”国家二级课题组长，在国内外发表论文及专著不胜其数；退休后，以微薄的资金创办了北京清华索兰环能技术研究所，她要将大学里的科研成果推向市场，在太阳能行业内率先应用了热管技术，并在大面积太阳能热水系统工程上取得了“100%成功”的荣誉。
12月22日，李元哲教授受邀出席了在北京九华山庄举办的“科罗迪托杯”第四届中国新风净化产业高峰论坛，并发表了主题为《空气源热泵热回收新风净化机》的精彩演讲。会上，她针对不同建筑论述了通风的必要性、新风量及新风负荷，提出对人员密集的建筑安装独立新风机组的合理性，分析了新风节能的技术产品，指出以北京为代表的北方寒冷地区空气源热泵热回收新风净化机组的创新发展的合理性，并以实测数据加以说明。
以下是演讲实录，以飨读者！
一、 建筑通风的作用及重要性
建筑通风一般是指以室外新风置换室内被污染的空气，在建筑物内尤其是人员密集的公共建筑，污染物主要是人体生理活动引起的二氧化碳、不良气味、粉尘等，人体二氧化碳的排放约10L/h人～15L/h人，由此形成了对室外新风的需求量，以所需新风量置换室内排风就可以同时去除不良气味及粉尘，使二氧化碳平均值达到国标《室内空气环境质量标准》GB/T 18883-2002 要求的1000ppm～1500ppm限值。
但是，北方冬季在雾霾天气发生时，新风直接进入室内不可行，必须加以净化，当前实践证明用物理的过滤方法并在一定时间加以清洗或更换，或其他的物理化学方法使PM2.5等降低至35μg/m³，最高至75μg/m³，再送入室内是可以实现的；此外，党的十九大提出要满足人民生活日益增长的美好需要，还必须重视建筑内的热舒适度，把温度过低的新风或夏季过高温湿度的新风直接引入室内，也不可取。供给建筑适量经过净化有适当温湿度的新风，即承担新风形成的负荷对保证人体健康有重要意义，在当今社会应该引起足够的重视，也是目前一般空气调节不能实现的。
二、新风量、新风负荷及解决方案
1、对于一般居住建筑内人体需要的新风量约为30m³/h·人，一般折合为换气次数每小时最低为0.5次左右，所谓换气次数指与建筑内体积相等的新风量。例如，三人居住90m²，层高三米的住宅，每小时0.5次的换气量相当于135m³/h，大大满足了人体对新风的需要。这些新风量时常是由厨房和厕所的排风扇和门窗缝的渗透风就可以满足，而相应的新风负荷要由建筑的采暖空调设备承担，对于非节能建筑，新风设计负荷占采暖总负荷的20%，对节能建筑占40%左右，而室内的污染物可以用空气净化器定时开启去除。所以，此前对于一般居住建筑要加装机械通风系统（包括热回收系统），有人认为是没有必要的，并引起了强烈的争议，但根据上述分析本文认为该意见是正确的。
2、对于在我国北方寒冷地区，正在兴起的被动房和超低能耗建筑，则由于其高度气密性就必须安装新风系统，而又由于其采暖负荷也很小，在满足新风量及新风负荷的同时能满足采暖负荷，应该是新风换气机努力的方向。
3、对于人员密集的公共建筑如教室、会议室等，《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012规定每人所需最小新风量为22m³/h·人～24m³/h·人，由于学生有课间活动，新风量可以减少至15m³/h·人～20m³/ h·人，当雾霾天门窗紧闭时，该新风量是必须的。假设小学教室的建筑面积为60m²，内部有40人听课，则平均新风换气量为600m³/h～800m³/h，由于这种建筑多为白天使用，设定采暖室温为20℃，根据北京气象数据，假设早晨上课时室外温度为-2℃，如果新风出风温度定为20℃，则新风负荷为4400W～5860W，折合每平米建筑面积82W/m2～110W/m2；又假设该教室属于中等节能建筑，单位面积基本采暖设计热负荷为50W，则新风换气热负荷与基本采暖负荷之比最高可达2：1，即新风耗热量占总采暖设计负荷的70%，由此可见，这类建筑满员时为保证新风换气量，供暖能耗增量比较大，如果不采取措施，就大大增加了设备的初投资和运行费。值得注意的是，新风负荷不是时刻都存在，在公共建筑中，没有人无需送新风。所以，它应该与建筑的基本负荷区别对待、单独处理，特别是在间歇使用的建筑中，没有人员在时，时常以较低的值班负荷运行，这时就更不应该带有新风负荷。此外，根据作者的经验，在大型多功能公共建筑中，不宜设置集中的送新风系统，否则，不仅新风被沿途风道污染，而且不是按房间需要的供给，从而造成浪费。所以，研究独立的节能、高效的小型新风装置是经济合理的。
三、新风净化系统的技术发展
1、热交换器式的热回收空气净化装置
这类装置中有空气净化过滤网，由于室外空气较多低于或高于室温的季节，为了节约能量，引进室外新风时利用室内排出空气所具有的剩余热量或冷量与其进行交换，统称为热回收技术，其装置称为热回收装置。空气净化热交换器式的热回收装置起源于上世纪九十年代，当时国家规定排风量较大的工业厂房节能必须设有新风热回收装置，且效率要达到60%以上，后来据反映效果不理想，安装维护有困难，又逐渐淡出了市场。
近年来由于北方地区雾霾天气的出现，热交换式热回收特别是净化技术在市场上大量涌现。一是显热回收新风净化装置，这类装置的净化技术大同小异，基本都能满足PM2.5的去除效果，例如初效过滤、静电除尘、高效过滤等装置，热交换器多为板式或板翅式，如图1所示。
图1板式热交换器
其整机装置有柜式、壁挂式和顶板安装形式，如图2。
图2带热交换器的空气净化通风系统图（顶板式）
当排风中含有有害气体时，这类装置要注意有气流渗漏，当新风露点低于室温时要防止其结露。
根据国标《空气-空气能量回收装置》GB/T 21087-2007对无结露的装置规定了如下的冬季试验工况：
即制热工况下的新风干球温度5℃，湿球温度2℃，排风干球温度22℃，湿球17℃。对于北方寒冷地区气候干燥，室内外湿差不大，多数以显热回收为主，当新风和排风量相等时，热回收装置的效率定义为：
（3-1）
式中： tx1——新风进口干球温度，℃
tx2——新风出口干球温度，℃
tp1——排风进口干球温度，℃
该效率的含义是：新风经过热交换器后其温度的升高与新排风入口温差的比值。例如，此值为百分之百，则新风出口温度就等于排风入口温度，但这是不可能的，所以合格值合理的上限为60%，实际由于室内要求维持微正压，排风量应当约为送风量的90%，所以效率比上式值低些（当前市场上有些产品把热交换效率写成75%甚至还要高，应当引起注意）。
当室外新风温度为5℃时，由上式计算出制热工况的新风出口干球温度为tx2= tx1+(tp1-tx1)×60%=5℃+（22-5）℃×60%=15.2℃，但是就北京地区的气象条件而言，即使是白天使用的公共建筑，冬季从早8点到晚6点，79%的时间外气温都低于5℃，例如教室早8点外气温为-2℃，室温为18℃，由上述的（3-1）式得出新风出口的干球温度为10℃左右，该温度低于《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012规定的热舒适度要求。据社会有代表性的调查，某教室送入较低温的新风时，“送风10分钟室内温度下降3.5℃，送风40分钟后室温下降10℃”，因此，使用这种装置还需要在建筑的供暖设备中增加50%新风负荷的设备投资和运行成本。
2、全热交换热回收式新风净化装置
这类装置特点是在热交换器中增加了蒸汽渗透薄膜，使热交换器不仅能够进行由于送、排风之间温差引起的热交换，而且能够产生由于送、排风之间水蒸气湿差引起的湿交换，在冬季由于建筑内、外湿差不是很大，效果可能不明显。在夏季，由于室内空调房间的湿度低于室外，所以能够给室外的新风降湿。据了解，该种薄膜材料尚属进口，价格昂贵，例如安装一间室内面积为85m²，有40位学生的教室的新风装置，初投资要4万多元，该装置安装在顶棚上，自身重量60kg。见图3。
图3位于顶棚上的全热交换新风净化装置俯视图
3、热泵式热回收新风净化装置
前述的无论是显热还是全热交换的热回收式新风净化装置，它们都存在不足：首先是送进室内的新风温度在冬季时都比室内明显低，夏季都比室内高，按国标《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012，其热舒适度不符合国标要求，而且吹风接近人体就会造成更加不舒适，这是用热交换的方法不能改变的。即使冬季将送风再加温，但在夏季不靠加大空调设备是做不到降温降湿的，所以，它们不能独立承担新风负荷。其次，它们都占用室内的地面和空间，尤其是顶棚安装的要求比较高，维修的难度比较大，在一般的建筑中，如教室等层高较低，更加困难。最后，噪声难免较大。为了克服这些缺陷，一种创新的思维就是把室内排风的能量送给热泵机组，热泵不是热交换而是热提升，而且它是一种很好的节能装置，它可以输入少量的电能，获取比它品位和数量高得多的能量，其外观见图4。
图4产品外观图（室外）
简单的说，这种处理过程是将回收的热、冷用在逆卡诺循环中完成的，因此它与显热交换和全热交换都不同，它可以用少量的电能在冬季送出比室内排风温度高的新风，在夏季送出比室内温湿度低的新风，从而担负了自身的负荷，不需要在建筑内另设采暖空调装置，形成独立承担新风负荷的装置。因此，在建筑内无人员活动时就不需要这部分补充新风负荷的设备运行，既减少了投资又减少了运行成本。目前，这种装置正在北京和天津进行中试，发明专利已经公示，公示号：201710168591.7。该产品通过了清华大学建筑环境检测中心关于热泵新风机去除细颗粒的性能评估。
下面是至今部分测试数据：
（1）天津宝坻某小学教室2018年1月13日测试数据（周六无人、值班采暖）
备注：数据记录间隔时间为5分钟，PM2.5值是开机1小时后测的；能效比2.56；24小时总耗电压缩机： 30.8kWh，压缩机平均功率1282W
（2）北京昌平某校区2017年12月18日测试数据：
教室内温度情况：
新风机送排风温度情况
教室内全天CO2和PM2.5浓度情况
机组耗电
能效比值
四、分析与结论
如前述，显热与全热热回收新风净化装置，达不到送风的热舒适度及独立承担新风热（冷）负荷的任务，且有占室内空间、安装维修困难等缺陷，更值得注意的是显热回收装置在技术多年延续不变的基础上，有些厂家不合理的增大热交换面积，使设备更加笨重，造价也很高。当今，在适应建筑节能减排，超低能耗建筑加快推广，以及大众对健康生活需求日益提高的形势，具有创新技术的空气源热泵热回收空气净化机应运而生，它在送新风的同时有一定的空调功能，它可以独立承担新风负荷，从而减少基础设备的投资和运行费，尤其是如同空调外机一样可以置于室外窗下，减少了噪音，便于维护管理。对于人员密集以白天使用为主的公共建筑、商用建筑尤其适用，既可以有舒适性的送风温度，又能有很好的节能效果。
我们提出这样一个新的技术和产品，是为了说明上述问题，不是为了在市场上竞争。而是希望我们新风这个行业能够健康地发展起来。我们可以聚集各自不同的优势，向一个健康和持续发展的，为建筑节能和环境清洁做贡献的新风领域进军。
