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住宅新風(fēng)系統(tǒng)在北京地區(qū)的節(jié)能應(yīng)用研究

2020-03-28 05:21:04徐昭煒伍品楊英霞鄧高峰金繼宗王智超
關(guān)鍵詞:保證率新風(fēng)過濾器

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。

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