徐昭煒 伍品 楊英霞 鄧高峰 金繼宗 王智超

1 中國建筑科學(xué)研究院

2 北京建筑節(jié)能與環(huán)境工程協(xié)會(huì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，建筑外門窗氣密性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。外窗氣密性等級(jí)達(dá)到《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測(cè)方法》（GB/T7106-2008）規(guī)定的7 級(jí)時(shí)，室內(nèi)換氣次數(shù)約0.25次/h[1]。室內(nèi)換氣量不足，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響。此時(shí)，需要引入新風(fēng)。近些年，大氣顆粒物污染嚴(yán)重，相關(guān)研究表明，細(xì)顆粒物PM2.5能突破鼻腔、深入肺部，甚至滲透進(jìn)入血液，如果長(zhǎng)期暴露在PM2.5污染的環(huán)境中，會(huì)對(duì)人體健康造成危害，并可能誘發(fā)整個(gè)人體范圍的疾病[2]。因此，引入新風(fēng)時(shí)還需要考慮PM2.5的空氣過濾，從而帶來了通風(fēng)能耗的增加。為了節(jié)約能源，新風(fēng)系統(tǒng)通常應(yīng)用熱回收裝置。但是，熱交換芯體同樣是阻力構(gòu)件，也會(huì)對(duì)通風(fēng)能耗產(chǎn)生影響。

本文針對(duì)北京住宅新風(fēng)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究空氣過濾器及熱回收裝置與通風(fēng)能耗的關(guān)系，為住宅新風(fēng)系統(tǒng)的合理應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 通風(fēng)能耗分析

1.1 計(jì)算模型的建立

住宅新風(fēng)系統(tǒng)，通常指機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)能耗主要包括通風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)輸配能耗及通風(fēng)裝置能耗。其中，通風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)輸配能耗主要包括管道沿程阻力及管道彎頭、三通、變徑、風(fēng)口等阻力構(gòu)件引起的能耗。通風(fēng)裝置能耗主要包括空氣過濾器和熱交換芯體等阻力構(gòu)件引起的能耗。通風(fēng)系統(tǒng)的總輸入功率與通風(fēng)量及風(fēng)機(jī)全壓的關(guān)系如式（1）～（2）。

式中：N 為通風(fēng)機(jī)總輸入功率，W；P 為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；Q為通風(fēng)量，m3/h；η 為風(fēng)機(jī)全壓效率，%。Pg為管網(wǎng)輸配阻力，Pa；Ps為通風(fēng)裝置阻力，Pa；ζlw為空氣過濾器局部阻力系數(shù)；ζrjh為熱交換芯體局部阻力系數(shù)；νlw為空氣過濾器迎面風(fēng)速，m/s；νrjh為熱交換芯體迎面風(fēng)速，m/s；ρ 為空氣密度，kg/m3。

1.2 空氣過濾器的性能參數(shù)

由于空氣過濾器均有一定的容塵量，新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)壓設(shè)計(jì)通常采用空氣過濾器的終阻力?？諝膺^濾器的終阻力與濾網(wǎng)材質(zhì)及濾網(wǎng)級(jí)別有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到粗效、中效、高中效和亞高效4 級(jí)空氣過濾器的凈化效率，分別為20%、50%、75%、95%，具體如表1。

表1 空氣過濾器的終阻力及凈化效率

可以看出，常見的介質(zhì)式空氣過濾器，級(jí)別越高、對(duì)PM2.5的一次通過凈化效率越高、終阻力越大?？諝膺^濾器的終阻力越大，表明由此帶來通風(fēng)能耗越大。

1.3 通風(fēng)能耗的構(gòu)成比例

為了分析影響住宅新風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)能耗的重要因素，對(duì)北京地區(qū)典型住宅新風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)能耗的構(gòu)成比例進(jìn)行計(jì)算，如表2。其中，住宅建筑面積236 m2，主要包含3 個(gè)臥室、1 個(gè)起居廳、1 個(gè)餐廳，標(biāo)準(zhǔn)層平面圖及新風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1。

可以看出，常見的含有2 級(jí)空氣過濾器及熱回收裝置的新風(fēng)系統(tǒng)中，空氣過濾器及裝置內(nèi)部構(gòu)造引起的通風(fēng)能耗占機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)總能耗的比例最大（＞70%）。因此，為了實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能和人居環(huán)境健康的平衡，通風(fēng)能耗的重要控制指標(biāo)是影響空氣過濾器通風(fēng)能耗的凈化效率。

表2 北京地區(qū)典型住宅新風(fēng)系統(tǒng)的能耗構(gòu)成比例

圖1 典型住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面圖及新風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2 凈化效率的影響分析

為了分析住宅新風(fēng)系統(tǒng)中空氣過濾器適宜的凈化效率，定義一年中室內(nèi)PM2.5的日均濃度小于等于標(biāo)準(zhǔn)限值的天數(shù)占全年總天數(shù)的比例，稱為室內(nèi)保證率，研究住宅新風(fēng)系統(tǒng)空氣過濾器的凈化效率與室內(nèi)保證率的關(guān)系。

2.1 PM2.5的濃度平衡模型

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，引入室內(nèi)的PM2.5加上室內(nèi)散發(fā)的PM2.5等于排出室外的PM2.5。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)中引入室內(nèi)的PM2.5主要為新風(fēng)系統(tǒng)未經(jīng)空氣過濾器攔截的部分，建立室內(nèi)、外PM2.5濃度與凈化效率的關(guān)系如式3。

式中：Ls為通風(fēng)量，m3/s；Yw為室外PM2.5濃度，mg/m3；η為通風(fēng)裝置對(duì)PM2.5的一次通過凈化效率，%；Xn為室內(nèi)散發(fā)的PM2.5，mg/s；Lp為排風(fēng)量，m3/s；Yn為室內(nèi)PM2.5濃度，mg/m3。

2.2 室內(nèi)PM2.5濃度的影響因素

針對(duì)住宅建筑，室內(nèi)散發(fā)的PM2.5主要源于吸煙、烹飪、人員及家務(wù)活動(dòng)等。相關(guān)研究表明，對(duì)于沒有明顯室內(nèi)污染源的住宅，室內(nèi)約75%的PM2.5來自室外。對(duì)于有明顯室內(nèi)污染源（吸煙、烹飪）的住宅，室內(nèi)約55%～60%的PM2.5來自室外[3]。據(jù)此，根據(jù)中國人的飲食習(xí)慣，每天的烹飪時(shí)間取4 h（早1 h、中1 h、晚2 h），加權(quán)計(jì)算出24 h 住宅內(nèi)平均約27.9%的PM2.5來自于室內(nèi)各類因素的產(chǎn)生。

2.3 室外PM2.5濃度分析

室外PM2.5濃度通過調(diào)研北京地區(qū)2014～2016 年大氣PM2.5濃度的天數(shù)分布進(jìn)行確定，如圖2。

圖2 室外PM2.5濃度的天數(shù)分布（2014～2016 年）

可以看出，2014～2016 年大氣的優(yōu)秀天數(shù)平均112 天，占全年30.7%。良好天數(shù)平均108 天，占全年29.6%。輕度污染天數(shù)平均66 天，占全年18.1%。中度污染天數(shù)平均36 天，占全年9.8%。重度污染天數(shù)平均30 天，占全年8.2%。嚴(yán)重污染天氣平均13 天，占全年3.6%。且2014、2015、2016 年的優(yōu)良天數(shù)逐年提高，重度污染以上的天數(shù)逐年降低。

2.4 凈化效率與室內(nèi)保證率及通風(fēng)能耗的關(guān)系

組合幾類典型的空氣過濾器應(yīng)用形式：粗效（型式1）、粗效+中效（型式2）、粗效+高中效（型式3）、粗效+中效+亞高效（型式4）。根據(jù)表1，可得4 種組合型式對(duì)應(yīng)的凈化效率分別為20%、60%、80%、98%。依據(jù)PM2.5的濃度平衡模型、及2014～2016 年大氣PM2.5濃度的天數(shù)分布，考慮室內(nèi)各因素對(duì)PM2.5濃度的影響，計(jì)算出室內(nèi)PM2.5≤35 ug/m3和室內(nèi)PM2.5≤75 ug/m3情況下的優(yōu)秀室內(nèi)保證率和良好室內(nèi)保證率分別為10.7%、37.8%、75.6%、99.2%（綜合考慮3 日的極端天氣）和41.4%、79.6%、96.4%、100.0%。

同時(shí)，根據(jù)表2 所述，北京地區(qū)典型住宅新風(fēng)系統(tǒng)的管網(wǎng)輸配系統(tǒng)的阻力100 Pa，全熱回收交換芯體的阻力35 Pa（顯熱回收交換芯體的阻力15 Pa，相差不大，在此不做詳述）。風(fēng)機(jī)全壓效率取40%，四種組合型式對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)全壓分別為370 Pa、530 Pa、570 Pa、770 Pa，則對(duì)應(yīng)的單位體積通風(fēng)量的通風(fēng)能耗分別為0.257W/(m3/h)、0.368W/(m3/h)、0.396W/(m3/h)、0.535W/(m3/h)，如圖3。

圖3 凈化效率與室內(nèi)保證率及單位體積通風(fēng)能耗的關(guān)系

可以看出，新風(fēng)系統(tǒng)的凈化效率越高，室內(nèi)保證率越高，單位體積通風(fēng)能耗越大。凈化效率由60%增加到80%，室內(nèi)保證率提升較快，但通風(fēng)能耗增加不大。凈化效率由80%增加到98%，室內(nèi)保證率提升較慢，但通風(fēng)能耗增加較多。新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)PM2.5的凈化效率為80%時(shí)，室內(nèi)PM2.5的良好保證率約96.4%，單位體積通風(fēng)能耗約0.396 W/(m3/h)。新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)PM2.5的凈化效率為98%時(shí)，室內(nèi)PM2.5的優(yōu)秀保證率約99.2%，單位體積通風(fēng)能耗約0.535 W/(m3/h)。

3 典型年熱回收量分析

熱回收裝置是新風(fēng)系統(tǒng)中常用的技術(shù)措施，目的是回收排風(fēng)能量，節(jié)約一次能源，減少直接引入新風(fēng)的冷（熱）風(fēng)感。根據(jù)典型年室內(nèi)，外逐時(shí)焓差，溫度差及通風(fēng)裝置的熱回收效率，可得單位體積通風(fēng)量的全熱及顯熱回收量。北京地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)[3]，如圖4。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，如表3。以北京地區(qū)集中式連續(xù)供暖、分戶式間歇空調(diào)（起居室的空調(diào)時(shí)間為晚18:00～24:00，臥室空調(diào)時(shí)間為晚22：00～早6:00）的住宅建筑為例，分析其全年動(dòng)態(tài)計(jì)算熱回收量。

圖4 北京典型年逐時(shí)干球溫度及室外焓值

表3 供暖空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，集中式連續(xù)供暖期間（11 月15 日至次年3 月15 日），臥室和起居室單位體積通風(fēng)量的計(jì)算顯熱回收量為19397.4 Wh，計(jì)算全熱回收量為25965.5 Wh。夏季間歇空調(diào)期間（6 月1 日～8 月31 日），臥室單位體積通風(fēng)量的計(jì)算顯熱回收量為43.6 Wh，計(jì)算全熱回收量為1056.2 Wh。起居室單位體積通風(fēng)量的計(jì)算顯熱回收量為184.5 Wh，計(jì)算全熱回收量為1536.5 Wh，如表4。

表4 冬夏季單位體積通風(fēng)量的計(jì)算熱回收量及所占比例

可以看出，北京地區(qū)的住宅新風(fēng)系統(tǒng)，冬季熱回收裝置的計(jì)算熱回收量較大、夏季的計(jì)算熱回收量較小，且冬季計(jì)算熱回收量遠(yuǎn)高于夏季。由于夏季夜間空氣溫度及焓值較低、間歇性機(jī)械通風(fēng)有利于減少空調(diào)能耗[5]，建議啟動(dòng)通風(fēng)旁通模式，減少熱交換芯體引起的通風(fēng)能耗。

冬季供暖工況下，對(duì)比單位體積通風(fēng)能耗與典型年熱回收量的關(guān)系，如表5。其中，熱回收裝置的顯熱回收效率限值取65%、全熱回收效率限值取55%[6]。發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗根據(jù)北京市最新數(shù)據(jù)取0.2534 kgce/kWh，標(biāo)煤熱值取29.307 MJ/kgce，燃?xì)忮仩t效率取0.9，管網(wǎng)輸配效率取0.93[7]。

表5 供暖期間單位體積通風(fēng)能耗與熱回收量的關(guān)系

可以看出，從一次能源消耗量分析，典型年冬季工況單位體積通風(fēng)量的熱回收量遠(yuǎn)大于通風(fēng)能耗，熱回收裝置的應(yīng)用具有較好的節(jié)能效益。

4 結(jié)論

住宅新風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)能耗的重要控制指標(biāo)是影響空氣過濾器通風(fēng)能耗的凈化效率?？諝膺^濾器的凈化效率越高，室內(nèi)保證率越高，通風(fēng)能耗越大。針對(duì)北京地區(qū)，PM2.5的凈化效率為80%時(shí)，室內(nèi)PM2.5的良好保證率約96.4%，單位體積通風(fēng)能耗約0.396 W/(m3/h)。PM2.5的凈化效率為98%時(shí)，室內(nèi)PM2.5的優(yōu)秀保證率約99.2%，單位體積通風(fēng)能耗約0.535 W/(m3/h)。

北京地區(qū)冬季的典型年熱回收量遠(yuǎn)高于夏季。從折合一次能源消耗量分析，冬季單位體積通風(fēng)量的典型年熱回收量大于通風(fēng)能耗，熱回收裝置的應(yīng)用具有較好的節(jié)能效益。夏季夜間空氣溫度及焓值較低、間歇性機(jī)械通風(fēng)有利于減少空調(diào)能耗，建議啟動(dòng)通風(fēng)旁通模式，減少熱交換芯體引起的通風(fēng)能耗。