新風系統

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專用新風系統（dedicated outdoor air system，DOAS）又稱新風系統，是一種送風和排風的設備，它由兩個平行的系統組成：一個是用於向室內輸送室外空氣的專用系統，另一個是向室外排出室內空氣的系統。William Coad在1999年提出要在建築暖通空調系統中分開處理室外空氣和室內空氣。

傳統的暖通空調系統，例如為多個區域服務的變風量系統，在熱舒適性方面可能存在不足，並且可能出現微生物污染的問題。在專用新風系統中，根據具體環境及所搭配的並聯系統不同，專用新風系統除了處理潛熱負荷外，還會承擔部分顯熱負荷，而並行的其他空調系統則負責其餘的顯熱負荷。

專用新風系統的核心理念是：專門提供通風功能，而不是像傳統系統那樣，將通風作為空氣調節過程中的附帶結果。專用新風系統的這一概念已在歐洲被廣泛應用，並且在美國也以各種形式得到使用。

## 系統簡介

近年來的研究致力於探討專用新風系統的基本原理，並重點分析其較傳統暖通空調系統的潛在優勢。S.A. 穆瑪指出，傳統全空氣頂送混合式變風量暖通空調系統存在四個主要問題。這些變風量系統的問題，正好凸顯了專用新風系統相應方面的優勢。然而，專用新風系統也存在一些缺點，包括：初始投資成本可能較高、在美國的應用尚不普及，以及系統可能更加複雜。

- 全空氣變風量暖通空調系統中的通風空氣：設計人員和建築工程師通常無法準確掌握，在典型變風量系統中與回風混合的通風空氣，是如何在整個建築內分配的。空氣洩漏、控制設定點、最小風量設定以及短路現象（例如排風與新風進氣混合）等問題，都會影響實際送達各空間的通風量。專用新風系統通過提供100%室外新風的專用送風，從而解決了這一問題。
- 在變風量系統中對額外室外新風量及其處理的需求：當採用ASHRAE 62.1-2004標準中的多區域公式時，為了確保全空氣系統中各房間都能獲得足夠的通風，通常需要比專用新風系統多出約20%到70%的室外新風量。在夏季，對這些大量室外空氣進行冷卻和除濕，以及在冬季對其進行加濕和加熱，都是能耗很高的過程。而專用新風系統系統則是根據實際通風需求進行設計，不需要為了保證氣流分配而進行過度放大。
- 變風量箱的最小風量設定必須提高，以滿足新風需求：或許與當前常見做法相反，變風量箱的最小風量設定必須同時反映該空間的送風需求以及送風中通風空氣所佔的比例。例如，一個空間需要5663L/m的新風量，而供應的空氣中只有40%是新風，那麼變風量箱的最小設定應為14158L/m，而不是傳統上設置的5663 L/m。當為滿足通風需求而正確設定最小風量時，就會產生大量末端再熱的問題。因此，在相同送風溫度下，運行良好的全空氣變風量系統必然會比採用專用新風系統的系統使用更多的末端再熱。
- 未能將潛熱負荷與顯熱負荷解耦：無法將房間的顯熱負荷與潛熱負荷分開控制，會在顯熱負荷較低時，導致室內空間出現較高的相對濕度。設計合理的專用新風系統可以承擔100%的房間潛熱負荷以及一部分顯熱負荷，從而實現顯熱與潛熱的解耦。其餘未被新風系統滿足的顯熱負荷，則由一個並聯的、僅處理顯熱的空調系統來承擔。因此，有很強的必要性對房間的潛熱負荷進行獨立控制，以避免與濕度相關的室內空氣品質問題。

## 室內空調系統

對於典型的專用新風系統，新風系統通常只能承擔約0–30%的室內顯熱負荷。為了營造舒適的室內環境，其餘的顯熱負荷則需要由其他多種室內空調系統來承擔，如下所示：

- 吊頂輻射系統
- 全空氣變風量系統
- 整體式水源熱泵機組
- 可變冷媒流量空調系統
- 風機盤管機組

### 輻射系統

與其他顯熱冷卻系統相比，吊頂輻射系統是與專用新風系統配合使用的最佳選擇。由於專用新風系統只負責處理空間的通風和潛熱負荷，因此使用吊頂輻射可以減小風管尺寸從而降低所需風機功率，並降低樓層之間的高度需求。

將吊頂輻射與專用新風系統結合使用具有多項優勢。2008年《ASHRAE手冊》中的綜合評估部分對此作了如下簡要說明：

主要優點包括：

- 由於輻射負荷被直接處理，且室內氣流僅維持在正常通風水平，其舒適性優於其他空調系統。
- 能夠滿足通風與除濕所需的送風量要求。
- 由於風量減少，專用新風系統可以採用更小尺寸的風管。
- 使用吊頂輻射板從而可以避免使用會帶來結露的冷卻盤管，從而降低細菌污染的風險。
- 自動噴淋系統的管道可整合於吊頂輻射冷卻系統中。

主要缺點是：初投資較高。

除了上述優點外，結合吊頂輻射還具有其他優勢，例如：設計緊湊、節省豎井空間，以及能快速響應動態控制需求。專用新風系統/吊頂輻射系統的節能效果主要來自以下幾個方面：冷卻盤管負荷降低、冷水機能耗降低、水泵能耗降低、風機能耗降低。總體而言，由於專用新風系統具有能量回收功能且送風量較小，與傳統變風量系統相比，冷水機的能耗可以顯著降低。在一項試點針對專用新風系統/吊頂輻射系統的研究中，逐時能耗模擬顯示：該系統的年電能消耗比帶有經濟器控制的傳統變風量系統降低了約42%。

### 空氣系統

當使用空氣系統作為室內空調系統時，設計專用新風系統時主要有兩種方法：

#### 採用不同風管的獨立系統

在這種配置中，設有一個新風系統，通過其獨立的風管/送風口，將經過預處理的新風（承擔潛熱負荷及部分顯熱負荷）直接送入室內。另有一個獨立系統（例如風機盤管機組），對室內回風進行處理，以滿足剩餘的空間顯熱負荷。

優點：

- 更容易測量進入房間的室外新風量。
- 更容易測量風量並進行系統平衡。
- 避免將新風負荷加在室內空調設備（如風機盤管機組）上。

缺點：

- 兩個系統需要獨立風管，可能增加初始成本。
- 新風與室內循環風使用不同送風口，可能導致混合不充分。
- 不同的送風路徑會增加進入房間的總風量，從而提高整體風機能耗。

#### 組合系統

經過處理的室外新風被通過風管輸送到房間內的末端設備。在這種配置中，預處理的新風會直接送入風機盤管機組，並與來自室內的回風混合。這種系統類似於冷梁系統的運作方式。

優點：

- 共用風管可降低初始成本。
- 新風與循環風合併可減少總風量，從而降低風機能耗。
- 室外新風與室內循環風能充分混合。

缺點：

- 只要需要通風，末端設備就必須運行，無論顯熱負荷是否已滿足。
- 系統的風量平衡可能較為困難。

## 設計

專用新風系統設計中的要求包括：

- 將新風系統與冷熱負荷控制系統分離，以確保所有有人使用的房間都能獲得適當的通風。
- 對新風進行處理，使其承擔全部的潛熱負荷，並盡可能承擔更多的顯熱負荷。
- 最大化經濟有效地利用能量回收設備。
- 整合消防系統。
- 使用吊頂輻射板等來實現室內熱舒適控制

穆瑪提出了以下專用新風系統的設計步驟：

- 根據設計工況，計算夏季典型計算日各房間的顯熱與潛熱冷負荷。
- 依據ASHRAE Standard 62.1通風規範，確定各空間所需的最小送風量。
- 確定各房間的送風含濕量。
- 通常，設計送風乾球溫度會等於所需的送風露點溫度。
- 在供暖季節，利用能量回收裝置將排風中的熱量回收至專用新風系統機組。

如果以全空氣空調系統作為專用新風系統的並行系統，提出了以下設計步驟：1）計算專用新風系統送風在各空間中所承擔的顯熱冷負荷，2）計算各空間中由全空氣空調系統需要承擔的剩餘顯熱冷負荷，3）確定全空氣空調系統的送風乾球溫度（應高於房間露點溫度，以避免結露），4）確定全空氣空調系統設備的送風量。

## 能源與成本

已有大量研究通過模擬來評估專用新風系統在節能方面的表現。卡塔和布蘭德莫爾對比了專用新風（並聯室內空調系統）與傳統單一系統，在達拉斯、聖路易斯、華盛頓特區和紐奧良的大型零售商店進行模擬研究。研究結果表明：並聯系統可實現14%–27%的年度節能，同時設備容量可減少15%–23%。

鄭等人將專用新風系統（並聯吊頂輻射板）與帶空氣側經濟器的傳統變風量系統進行比較，研究對象為費城的一棟教育建築中約280 平方米的辦公空間。結果顯示：專用新風系統系統的年能耗降低約42%，且風機與冷水機能耗均顯著下降。

埃默里奇和麥克道爾評估了專用新風系統在美國商業建築中的節能潛力。其建築模型符合ASHRAE Standard 90.1的新建建築要求。模擬結果顯示：完整專用新風系統系統可帶來21%–38%的年度暖通空調能源成本節省。