通风通常被认为有助于改善室内空气品质。然而,当室外空气受到污染,例如在雾霾天气时,空气动力学粒径小于2.5 μm的细颗粒物(PM2.5)可通过通风路径渗入建筑物 ^[1],在这种情况下通风反而会降低室内空气品质,因此,需要在通风的同时对室内颗粒物进行过滤去除。高效空气过滤器(HEPA)可以去除空气中绝大部分的微粒,然而HEPA的缺点是较大的通风阻力 ^[2]和较高的维护成本 ^[3]。需要指出的是,室外PM2.5浓度随时间和地点变化很大 ^[4],高效过滤的方式可能只需要在一些严重污染的时段采用。

　　 需要指出的是,气体污染物不能像颗粒物一样被HEPA过滤,因此仍然需要适当的通风来稀释。最近的一项研究表明:自然通风配合空气过滤的方式能够使室内空气颗粒物控制到可接受的水平,且运行费用低,但通风量有时可能不足;采用机械通风与颗粒过滤相结合的方式可满足要求,但运行费用高 ^[5]。目前缺乏一种能够适应室外环境变化和大气污染状况的通风净化器,根据室内外空气的不同污染程度、室外气象参数选择合适的通风方式。

　　 为分析通风性能,需要使用模拟室内空气品质和能耗的计算软件。采用扩展后的EnergyPlus软件可模拟建筑室内的空气品质 ^[6],使用经实验验证后的EnergyPlus可模拟通风量 ^[7]、能耗 ^[8]、PM2.5浓度 ^[9],以及通风和空气净化策略 ^[5]。

　　 本研究提出了一种具有多种通风及净化方式的通风净化器。利用EnergyPlus软件对通风净化器的性能进行了模拟,并采用实验测试数据验证模型的准确性。然后模拟我国5个不同气候区使用该通风净化器的家庭案例,分析该通风净化器对室内空气品质的改善效果和运行能耗。

　　 图1为通风净化器内部构造示意图。通风净化器具有机械通风箱(室内视角左侧)和自然通风箱(室内视角右侧),两侧箱体尺寸相同。机械通风箱内设有中、高效过滤器和离心风机。自然通风箱内设有粗效过滤器和风量调节板。风量调节板采用机械负反馈的方式调节风量。

　　 风量调节板转轴外围套有固定硬质环,硬质环上的挡片可限制风量调节板在0～90°范围内转动,如图2所示。风量调节板的重心位于轴的下部,当室外无风或微风时,风量调节板逆时针转动,使得通风流道增大。由于风量调节板转轴以下的部分位于进风口处,而转轴以上部分受外风道壁面阻挡,当室外风速增大时,风量调节板顺时针转动,进而减小通风流道面积,起到稳定通风量的作用。

　　 通风净化器有5种使用模式,采用丝杆滑台配合挡板对各模式进行切换。各模式通风方式如图3所示。高效机械新风模式适用于室外空气中、重度污染时,室外空气在离心风机的作用下,在机械通风箱内通过中、高效过滤器后送入室内。中效机械新风模式适用于室外空气轻度污染,但不具备自然通风条件时,室外新风在离心风机的作用下首先通过中效过滤器,此时滑台将位于风机与高效过滤器之间的旁通门开启,由于机械通风箱上部的高效过滤器阻力较大,所以当旁通门开启时,大部分空气从机械通风箱进入自然通风箱,之后送入室内。室内自净模式适用于室内空气品质较差需快速净化时,此时滑台移动使室内自净密封门开启,由于密封门下部设有中效过滤器,所以风机大部分从室内吸风,经高效过滤器过滤后再送入室内。自然通风模式适用于室外空气品质为优时,室外新风从自然通风箱上部直接送入室内。自然新风过滤模式适用于室外空气轻度污染,且风速较大时,该模式的通风量分为两部分:一部分为新风在室外风压作用下从自然通风箱底部入口进入,依次通过风量调节板和粗效过滤器后送入室内;另一部分新风从机械通风箱底部入口进入,通过中效过滤器和开启的室内自净密封门送入室内。

　　 将通风净化器安装于某实验房南向窗户下部,如图4所示。

　　 通风净化器整体尺寸为0.61 m×0.35 m×0.81 m(长×宽×高),实验房内部尺寸为4.8 m×3.3 m×2.7 m(长×宽×高),面积为15.84 m²,体积为42.77 m³。对通风净化器各机械通风模式的性能参数进行测试,在通风净化器送风口测试不同通风模式的通风量及对应功率。通风量测试采用帽式风量罩(设备型号:8380,TSI,美国),精度为±3%读数;功率测试采用数字功率计(设备型号:PM9805,NAPUI,中国),精度为±0.4%读数。各模式净化效率测试时采用室外大气悬浮颗粒,对通风净化器进出风口PM2.5质量浓度进行测试以求得一次通过效率,PM2.5质量浓度测试仪器为粉尘测定仪(设备型号:8533,TSI,美国),精度为±0.1%读数。对通风净化器无动力通风模式的通风效果测试时,为获得风压-风量性能曲线,分别在2种使用模式的进风口连接风机,通过改变风机转速对2种模式通风净化器不同进出口压差下的通风量进行测试。通风净化器进出口压差采用微压计(设备型号:DP-Calc8715,TSI,美国)进行测试,精度为±2%读数。如上所述,通风净化器自然新风过滤模式的通风量包含自然通风箱风量和机械通风箱风量两部分,需对两侧的风量-风压关系分别进行测试。该模式下PM2.5净化效率需分别测试相同压差下两侧箱体的风量(V₁,V₂)及PM2.5净化效率(η₁,η₂),通过式(1)求得该模式的PM2.5净化效率η。

　　 $\eta =\frac{V{}_1\eta {}_1+V{}_2\eta {}_2}{V{}_1+V{}_2}(1)$

　　 通风净化器各机械通风模式和无动力通风模式的性能参数测试结果如表1所示。通风净化器进出口压差分别为0.715 Pa和7.90 Pa。PM2.5背景浓度为测试15 min的平均值。

　　 图5为通风净化器自然通风和自然新风过滤模式的风量-风压关系测试结果。通风净化器自然通风模式时,室外风不采用任何过滤方式直接送入室内,风压-风量大致呈二次幂关系。自然新风过滤模式的自然通风箱侧具有风量调节板,风压较小时风量调节板几乎不转动,此时通风阻力主要来自于粗效过滤器,所以风压-风量大致呈线性关系;而随着风压增大,风量调节板转动,风量调节板处的局部阻力逐渐增大,通风量增长速率降低;而当室外风压过大时,风量调节板关闭,此时通风量几乎达到稳定。而自然新风过滤模式机械通风箱侧的通风阻力基本来自于中效过滤器,所以风压-风量大致呈线性关系。

　　 实验房的通风量包含渗风和通风器通风两部分。EnergyPlus中计算房间渗风时选用的是较为准确的等效面积模型 ^[5]:

　　 $Q=AC{}_{\text{d}}\sqrt{\frac{2}{\rho }}(\text{Δ}p{}_{\text{r}}){}^{0.5-n}(\text{Δ}p){}^n(2)$

　　 式中 Q为空气流量,m³/s;A为参考压差下的等效渗透面积,m²;C_d为参考压差下的孔口流量系数,当参考压差为4 Pa时,C_d=1;ρ为空气密度,kg/m³;Δp_r和Δp分别为参考压差和实际压差,Pa;n为空气流动指数。

　　 计算通风器无动力通风模式的通风量时,由于该模式风压-风量大致呈指数关系,所以采用孔口模型计算更为准确:

　　 $Q=C{}_Q\text{Δ}p{}^n(3)$

　　 式中 C_Q为孔口流量系数。

　　 通风净化器对污染物的去除效果体现在新风量和净化效率的乘积,为预测采用空气净化措施下室内颗粒物的浓度,在EnergyPlus软件中添加新风净化模块,该模型的原理基于质量守恒定律:

　　 $V\frac{\text{d}C{}_i}{\text{d}t}=E+{\displaystyle \sum _{j}k}{}_{j}F{}_{j\to i}C{}_j-{\displaystyle \sum _{j}k}{}_{j}F{}_{i\to j}C{}_i-(k{}_{\text{g}}V+CADR)C{}_i-F\eta C{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}(4)$

　　 式中 V为房间i的体积;C_i和C_j分别为房间i和相邻房间j的颗粒物浓度;t为时间;E为颗粒物的源项;k_j为颗粒物的穿透率;F_j→i为从相邻房间j流入房间i的空气流量;F_i→j为从房间i流向相邻房间j的空气流量;k_g为颗粒物的重力沉降率;CADR为室内洁净空气输出量;F为新风量;C_out为室外颗粒物浓度。

　　 可采用式(4)解出室内颗粒物浓度。

　　 采用鼓风门法测试实验房的气密性,测试结果为A=176 cm²,Δp_r=4 Pa,C_d=1,n=0.598。采用红外热像仪(设备型号:InfReC R300SR,Avio,日本)确定实验房渗风路径及位置。通风净化器自然通风和自然新风过滤模式的风压-风量性能曲线测试结果嵌入到孔口流量模型中,得出自然通风模式时C_Q=0.047 8,n=0.511,自然新风过滤模式时C_Q=0.007 1,n=0.803。采用该模型对通风净化器2种通风模式时实验房的换气次数进行模拟,并通过实验进行验证。采用示踪气体法(SF₆)分别对通风净化器自然通风(2018年11月13—17日)和自然新风过滤模式(2018年6月22—23日)时实验房的换气次数进行测试。SF₆浓度采用气体监测仪(设备型号:INNOVA 1412i,Lumasense,丹麦)进行测试,仪器的标称精度为1%。在实验房屋顶放置便携式气象仪(型号:Kestrel5500,NK,美国)可获得室外风速、风向及温湿度数据。测试时将门窗关闭,并开启搅拌风扇使室内SF₆气体混合均匀。将实验测试结果与相同背景条件下实验房换气次数的模拟结果进行对比。图6为自然通风模式下实验房内24 h的换气次数模拟与实验的对比结果,结果显示该模式的通风量受室外风速及风向影响较大,室外风速为1～4 m/s时,南向风实验房换气次数为0.4～2.0 h^-1,北向风换气次数约为0.2～1.0 h^-1。

　　 图7为24 h内通风净化器自然新风过滤模式下实验房换气次数模拟与实验的对比结果,自然新风过滤模式由于具有风量调节板和粗、中效过滤器,整体换气次数较小。室外风速为2～4 m/s时,南向风时实验房换气次数为0.25～0.90 h^-1,北向风时换气次数约为0.20～0.65 h^-1。总体可以看出:使用自然通风与自然新风过滤模式时实验房换气次数模拟结果与实测结果较为接近,模型较为准确,可采用该模型模拟不同气象条件下2种模式的通风量。

　　 采用上述污染物浓度模型对自然新风过滤、中效机械新风、高效机械新风模式时室内PM2.5质量浓度进行模拟,并通过实验验证模拟的准确性。根据各模式的净化效率,选择其使用时室外PM2.5的浓度进行测试,室内PM2.5浓度测试采用TSI 8533型粉尘测定仪,室外PM2.5浓度测试采用颗粒物检测仪(设备型号:5030i,Thermo,美国),精度分别为±2,±5 μg/m³。自然新风过滤(2018年6月22—23日)测试时室外PM2.5质量浓度小于60 μg/m³,中效机械新风(2018年5月17—18日)测试时室外PM2.5质量浓度为60～90 μg/m³,高效机械新风(2018年5月20—21日)测试时室外PM2.5质量浓度为90～180 μg/m³。机械通风模式下通风净化器的风量为30 m³/h时,实验测试结果与模拟结果比较如图8所示。结果显示,各模式下室内PM2.5质量浓度模拟值与实测值相近且变化趋势基本一致,模拟结果较为准确。

　　 为评估通风净化器在我国不同气候区的使用情况,选择如图9所示的一户典型住宅。该住宅居住着一家四口(父母,子女)。假定起居室有人时段为:工作日18:00—22:00,周末11:00—22:00。在22:00—07:00,卧室1有2人,卧室2和卧室3各有1人。模拟时假设该住宅内的起居室、卧室1、卧室2和卧室3均安装1台通风净化器或市场现有高效新风机。

　　 设计3种不同的通风方案。方案1:自然通风(开窗通风及渗风);方案2:本文通风净化器;方案3:高效新风机+室内空气净化器。室外气象条件:温度16～28 ℃,PM2.5质量浓度<35 μg/m³。方案2的通风方式为在其自然通风模式不满足评价指标时,依次采用自然新风过滤、中效机械新风、高效机械新风或室内自净模式;方案3的通风方式为自然通风(开窗通风及渗风)不满足评价指标时,使用高效新风机或室内空气净化器。采用方案2,3时,机械通风的风量均为给定值,即30 m³/(人·h)。比较上述通风方案在我国5个不同气候区的城市沈阳、天津、成都、深圳、昆明的通风效果(室内CO₂和PM2.5的时均浓度)及能耗。

　　 模拟相关设置为:室内人员CO₂产生率为18 L/(人·h),室外CO₂体积分数为400×10^-6。室外大气中的PM2.5会随各种通风路径进入室内,关窗时PM2.5穿透率取0.8,沉降率为0.09 h^-1。室内PM2.5污染源主要由烹饪产生,设置每次烹饪过程中PM2.5产生量约为57 mg ^[10]。烹饪时间设置为:工作日18:30—18:50;周末11:30—11:50,18:30—18:50。厨房油烟机开启会除去部分烹饪产生的PM2.5,故设置油烟机开启时可去除70%的PM2.5。室外气象参数及PM2.5质量浓度采用各地区2016年气象站监测值。室内空气品质评价指标为,保证室内有人时CO₂时均体积分数小于1 000×10^-6,室内PM2.5时均浓度小于35 μg/m³。

　　 表2和表3为不同通风方案下、统计全年室内有人时CO₂和PM2.5浓度不满足评价指标的时长占比,即各房间在各地区的不满足率。结果显示,各地区采用自然通风时CO₂不满足率相对较高,雾霾较严重地区的PM2.5不满足率在30%左右。在上述通风方案下采用通风净化器或高效新风机+室内空气净化器的方式均可保证室内的CO₂和PM2.5时均浓度全年满足方案评价指标。

　　 图10为上述通风效果下,通风净化器与高效新风机+空气净化器2种通风形式各模式的使用时长占比。结果显示室外风速较大的地区(沈阳、深圳),通风净化器自然通风、自然新风过滤模式使用时长占比较大,而在室外风速较小或室外雾霾较严重地区效果稍差。整体来看,通风净化器较现有高效新风机可减少高效净化模式70%左右的使用时长占比。在室外空气品质较好的地区(深圳、昆明),采用中效净化的方式基本可使室内空气品质满足要求。

　　 统计各通风模式全年使用时长与该模式下的功率即可求出2种通风形式的单位面积年能耗,如图11所示。结果显示,室外雾霾较为严重的地区(天津、成都)全年通风能耗相对较大。采用通风净化器可大幅度降低高效净化模式的能耗,在满足全年室内空气品质达标的前提下,通风净化器单位面积年能耗为现有高效新风机的70%左右。

　　 设计了具有多种模式的通风净化器,可针对不同的室内外环境选择合适的通风方式,并通过EnergyPlus软件模拟了通风净化器不同通风方式下室内的CO₂和PM2.5浓度,并进行了实验验证。采用验证后的模型对通风净化器在我国不同气候区的使用效果进行了模拟。得出以下结论:

　　 1) 满足室内空气品质需求的前提下,通风净化器较现有高效新风机可降低高效净化模式70%左右的使用时长占比,延长了高效过滤器的使用寿命。

　　 2) 室外风速较大的地区(如沈阳、深圳),无动力通风模式(自然通风、自然新风过滤)使用时长占比较大,可达30%左右;室外空气品质较好的地区(如深圳、昆明),采用中效净化的方式基本可使室内空气品质达到优的标准。

　　 3) 满足方案指标的前提下,通风净化器与现有高效新风机相比,单位面积的年通风净化能耗可降低30%左右。