張 潔

(1.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理信息系,安徽 淮北 235000;2.安徽淮北煤電技師學(xué)院 管理信息系,安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著生活水平越來越高,人們對(duì)于室內(nèi)空氣質(zhì)量的重視程度越來越高[1]。過去認(rèn)為室內(nèi)環(huán)境能讓人們免受室外污染氣體的侵害,西方國(guó)家在空氣環(huán)境不好的期間,要求市民呆在室內(nèi),以減少對(duì)健康的損害[2]。但隨著室內(nèi)裝修材料的升級(jí),已經(jīng)使室內(nèi)氣體的污染程度不亞于室外。據(jù)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)調(diào)查的結(jié)果顯示:68%的疾病是因?yàn)槭覂?nèi)空氣污染造成的,室內(nèi)空氣污染高出室外空氣污染的5～10倍,改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的問題迫在眉睫[3]。目前,人們改變室內(nèi)空氣質(zhì)量的普遍方式是開啟門窗,加速室內(nèi)和室外的空氣流動(dòng)來達(dá)到降低室內(nèi)污染物的濃度。自然通風(fēng)很環(huán)保但它不穩(wěn)定,自然通風(fēng)的換氣率和室外的氣壓、溫度、風(fēng)速有關(guān),和室內(nèi)的門窗數(shù)量以及門窗的開啟程度也都有關(guān)[4]。而有部分居民則采用機(jī)械通風(fēng)的方式降低室內(nèi)有害空氣的濃度。例如,在室內(nèi)安裝新風(fēng)系統(tǒng)能夠較好地解決室內(nèi)空氣更換的問題。但市場(chǎng)中在售的小戶型新風(fēng)系統(tǒng)存在價(jià)格昂貴、通風(fēng)量不足等問題[5]。為了降低室內(nèi)污染物濃度,促進(jìn)室內(nèi)外氣體流通,針對(duì)通風(fēng)量不足的問題,本文提出采用正壓風(fēng)機(jī)從室外鼓入新風(fēng),不僅能保證通風(fēng)量,還能讓室內(nèi)的壓強(qiáng)升高,室外的污染氣體無法通過門窗進(jìn)入室內(nèi)。同時(shí)在裝置的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)了專門的過濾系統(tǒng),能對(duì)鼓入室內(nèi)的新風(fēng)起到有效的過濾。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,分析該裝置改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的效果。

1 通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

1.1 通風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示,通風(fēng)裝置的各個(gè)部分采用模塊化設(shè)計(jì),包括防護(hù)罩、風(fēng)機(jī)、復(fù)合過濾層、前臺(tái)階擾流器和電動(dòng)繞風(fēng)板等。安裝時(shí)將通風(fēng)裝置嵌于墻體內(nèi)部,不可取出。各個(gè)零部件通過機(jī)械方式固定于裝置內(nèi)部。為了便于清洗和節(jié)約維修成本,各個(gè)模塊相互獨(dú)立安置在內(nèi)箱體中?？刹鹦兜慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得各個(gè)模塊可以單獨(dú)拆卸且互不影響,方便了清洗與維修。

圖1 通風(fēng)裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the ventilation device

1)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功率為25 W,符合節(jié)能高效的要求。該風(fēng)機(jī)采用脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)方法控制轉(zhuǎn)速,將其規(guī)劃為最優(yōu)三擋以便調(diào)控與操作[6]。同時(shí),該風(fēng)機(jī)具有正反轉(zhuǎn)的功能,正轉(zhuǎn)為正壓模式(送風(fēng)模式)用以進(jìn)行室內(nèi)微通風(fēng),反轉(zhuǎn)為負(fù)壓模式(抽風(fēng)模式),當(dāng)室內(nèi)空氣污染過于嚴(yán)重時(shí),可以采用反轉(zhuǎn)模式盡快把室內(nèi)的污染氣體排出,再采用正轉(zhuǎn)的模式慢慢鼓入過濾后的新風(fēng)。

2)過濾系統(tǒng)。過濾系統(tǒng)使用“活性炭+靜電駐極+HEPA材質(zhì)”過濾層對(duì)進(jìn)風(fēng)口的空氣進(jìn)行過濾,可拆卸清洗。其中,活性炭過濾層可以去除空氣中的碳?xì)浠衔?、臭味和PM2.5等;靜電駐極在迎風(fēng)面風(fēng)速為0.5 m/s時(shí),對(duì)0.5 μm的灰塵過濾效率可以達(dá)到95%以上[7],空氣阻力只有40 Pa;HEPA過濾層能夠有效去除微小灰塵、粉塵、細(xì)菌、煙塵、霉菌、惡臭、甲醛等[8]。

3)前臺(tái)階擾流器。由于在系統(tǒng)的通風(fēng)口設(shè)置了過濾層,這樣勢(shì)必就會(huì)有風(fēng)阻的產(chǎn)生,經(jīng)過過濾系統(tǒng)的新風(fēng)風(fēng)速比較低。為了增大進(jìn)風(fēng)口的壓降,降低過濾層風(fēng)阻的影響,設(shè)計(jì)了前臺(tái)階擾流器。通過借助雙前臺(tái)階良好的整流的性能,以實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口氣流整流再加速的目的。

4)繞風(fēng)板及防護(hù)罩設(shè)計(jì)?？紤]到風(fēng)量及風(fēng)向的調(diào)整,本裝置設(shè)置了電動(dòng)擾流板,可通過調(diào)節(jié)電動(dòng)擾流板來調(diào)節(jié)出風(fēng)口的風(fēng)向及風(fēng)量,在裝置靠近室內(nèi)一端設(shè)置電動(dòng)擾流板還有另一個(gè)作用,它可以阻斷加熱器與室內(nèi)的直接接觸,擾流板可通過控制舵機(jī)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟與閉合,也可以采用手工撥動(dòng)擋風(fēng)板來進(jìn)行調(diào)整?？紤]到進(jìn)風(fēng)口可能會(huì)被一些外物鉆入,進(jìn)而干擾到整個(gè)過濾系統(tǒng),所以在進(jìn)風(fēng)口加裝鐵絲防護(hù)罩對(duì)系統(tǒng)外部進(jìn)行保護(hù)。

1.2 通風(fēng)裝置的性能測(cè)試

1.2.1冷熱負(fù)荷的影響

為保持建筑物的熱濕環(huán)境和所要求的室內(nèi)溫度,由空調(diào)系統(tǒng)在某一時(shí)刻需向房間供應(yīng)的冷量稱為冷負(fù)荷,冷負(fù)荷包括顯熱量和潛熱量?jī)刹糠諿9]。相反,如果空調(diào)系統(tǒng)需要向室內(nèi)供熱,以補(bǔ)償房間損失熱量而向房間供應(yīng)的熱量稱為熱負(fù)荷[10]。

冷熱負(fù)荷計(jì)算選擇的計(jì)算軟件是鴻業(yè)暖通空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件(版本V8.0)。氣象參數(shù)來源于新規(guī)范《GB50736-2012》中記錄的當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)。選取的建筑房屋是一間房屋面積為20 m2的臥室,該房間位于所在建筑物的三層,房間高度設(shè)置為3 m,內(nèi)設(shè)有一面窗戶,窗高為1.2 m。夏季房間內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度是25 ℃,相對(duì)濕度為60%;冬季房間的設(shè)計(jì)溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為60%,冬季的熱負(fù)荷類型為空調(diào)熱負(fù)荷。由于選取的房間是作為臥室使用的,所以房間的使用率的設(shè)置為每天的18:00到次日8:00,考慮到一些特別因素,設(shè)置18:00房間的使用率為50%,8:00的房間使用率也為50%。房間內(nèi)設(shè)備的功率設(shè)置為200 W,燈光的功率設(shè)置為30 W,房間燈光的使用時(shí)間為6:00至8:00點(diǎn)、18:00至22:00;房間內(nèi)的人數(shù)設(shè)置為2人,人均通風(fēng)量分別設(shè)置了15 m3/h和25 m3/h進(jìn)行比較分析。考慮到是臥室,人主要在里面進(jìn)行休息和睡眠,所以人員狀態(tài)設(shè)置為睡眠。外墻選用的是混凝土外墻,面積為15 m2,冬夏季傳熱系數(shù)均為0.71 W/(m2·K);外窗選用的是單層塑鋼窗,面積為4 m2,該窗夏季傳熱系數(shù)為4.94 W/(m2·K),冬季的傳熱系數(shù)為4.7 W/(m2·K);內(nèi)墻選用的是磚墻,面積為39 m2,冬夏季傳熱系數(shù)均為2.38 W/(m2·K);內(nèi)門選用的是木(塑料框)單層實(shí)體門,面積為2.4 m2,冬夏季的傳熱系數(shù)均為3.38 W/(m2·K)。在各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完畢后開始計(jì)算。

1.2.2凈化效果實(shí)驗(yàn)

凈化實(shí)驗(yàn)選擇在小戶型室內(nèi)(長(zhǎng)×寬×高=5 m×4 m×2.8 m,僅有一扇窗戶和一扇門)進(jìn)行。在凈化室的北墻上開有一個(gè)直徑為200 mm的圓孔放置通風(fēng)裝置,其余部分采用膠帶密封,以使引入的新風(fēng)全部來源于實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)選擇的主控設(shè)備是STM32F103C8T6單片機(jī)。使用顆粒濃度傳感器(PMS7003型,北京攀藤科技有限公司)測(cè)量自然對(duì)流下和強(qiáng)制對(duì)流下室內(nèi)顆粒物濃度(PM2.5質(zhì)量濃度),使用二氧化碳傳感器(CM1106型,武漢四方光電有限公司)測(cè)量自然對(duì)流下和強(qiáng)制對(duì)流下室內(nèi)二氧化碳質(zhì)量濃度。此外,還使用氣壓傳感器(BMP280型,博世集團(tuán))進(jìn)行氣壓測(cè)定。為了驗(yàn)證房間內(nèi)污染氣體在自然對(duì)流下和強(qiáng)制對(duì)流下的衰減快慢的對(duì)比,強(qiáng)制對(duì)流下的實(shí)驗(yàn)條件是開啟裝置狀態(tài),自然對(duì)流的實(shí)驗(yàn)條件是不開啟裝置狀態(tài)。分別在室內(nèi)和室外放置一組二氧化碳傳感器和顆粒濃度傳感器,考慮到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所并不大,將二氧化碳傳感器和顆粒物濃度傳感器放置在房屋的正中間,距離地面的高度設(shè)定為1.5 m。顆粒物濃度傳感器的采樣間隔設(shè)置為1 min。具體的裝置模型如圖2所示。

1-進(jìn)風(fēng)口;2-各種家具;3-二氧化碳傳感器;4-顆粒物傳感器;5-門窗縫隙;6-計(jì)算機(jī)。圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣軋DFig.2 Frame diagram of the experimental model

由于分別在室內(nèi)和室外放置了二氧化碳傳感器和顆粒濃度傳感器,所以用字母a和b來表示不同的組數(shù);計(jì)算機(jī)用于采集數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷熱負(fù)荷的影響結(jié)果與討論

為了測(cè)試通風(fēng)裝置在夏季和冬季的運(yùn)行期間空調(diào)的冷熱負(fù)荷,分別設(shè)置不同通風(fēng)量(通風(fēng)量15 m3/h和通風(fēng)量25 m3/h)進(jìn)行測(cè)試,以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。按照前文所述參數(shù)在鴻業(yè)暖通空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行功率計(jì)算,選取最大冷負(fù)荷時(shí)刻結(jié)果進(jìn)行分析,如圖3所示。

圖3 最大冷.熱負(fù)荷時(shí)刻的各項(xiàng)負(fù)荷的構(gòu)成Fig.3 Composition between loads at the time of maximum cold/heat load

從圖3可以看出,無論是冬季還是夏季,室內(nèi)冷熱負(fù)荷計(jì)算涉及的結(jié)構(gòu)單元包括人體、通風(fēng)設(shè)備、燈、內(nèi)/外墻、外窗、內(nèi)門以及房間其他設(shè)備。在夏季,在人均通風(fēng)量為15 m3/h的條件下,最大總冷負(fù)荷為2 135.08 W;人均通風(fēng)量為25 m3/h的條件下,最大總冷負(fù)荷為2 353.86 W;其中,在通風(fēng)量增加10 m3/h的情況下,由新風(fēng)帶來的最大冷負(fù)荷增加了218.78 W。而在冬季,在人均通風(fēng)量為15 m3/h的條件下,最大總熱負(fù)荷為2 726.97 W;人均通風(fēng)量為25 m3/h的條件下,最大總冷負(fù)荷為3 006.1 W;其中,在通風(fēng)量增加10 m3/h的情況下,由新風(fēng)帶來的最大冷負(fù)荷增加了279.13 W。無論是夏季還是冬季,新風(fēng)的通風(fēng)量與其他負(fù)荷構(gòu)成不存在相關(guān)性。

綜上所述,由新風(fēng)產(chǎn)生的負(fù)荷和通風(fēng)量存在一定的正比關(guān)系,夏季的總冷負(fù)荷比冬季總熱負(fù)荷低。而一般家庭用戶所選用的空調(diào)為1.5匹(約3 200 W),即使新風(fēng)增加后也不會(huì)導(dǎo)致空調(diào)超過其額定功率。所以,該通風(fēng)裝置不會(huì)給一般家庭用戶帶來額外的負(fù)擔(dān),可滿足一般普通家庭用戶的使用。

2.2 凈化效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4為自然對(duì)流狀態(tài)和強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)下的凈化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(a) 自然對(duì)流狀態(tài)

(b) 強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)

其中,在自然對(duì)流狀態(tài)凈化實(shí)驗(yàn)中,通風(fēng)裝置處于關(guān)閉狀態(tài),室外的二氧化碳質(zhì)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度基本維持在805.53 mg·m-3和50 μg·m-3,見圖4(a)。隨著自然對(duì)流通風(fēng)時(shí)間的推移,在16.6 h(約6×104s)后凈化室內(nèi)的二氧化碳質(zhì)量濃度從1 768.24 mg·m-3降至805.53 mg·m-3,達(dá)到室內(nèi)外二氧化碳濃度動(dòng)態(tài)平衡;而凈化室內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度則需要27.8 h(約105s)后從480 μg·m-3降至50 μg·m-3,達(dá)到室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)平衡。在強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)凈化實(shí)驗(yàn)中,通風(fēng)裝置處于開啟狀態(tài),室外的二氧化碳質(zhì)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度基本維持在432.24 mg·m-3和380 μg·m-3,見圖4(b)。隨著強(qiáng)制對(duì)流通風(fēng)時(shí)間的推移,在2.2 h(約8×103s)后凈化室內(nèi)的二氧化碳質(zhì)量濃度從2 121.89 mg·m-3降至4 32.24 mg·m-3,達(dá)到室內(nèi)外二氧化碳濃度動(dòng)態(tài)平衡,與自然對(duì)流相比凈化效率提升了1 893%;而凈化室內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度則需要2.8 h(約104s)后從960 μg·m-3降至380 μg·m-3,達(dá)到室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)平衡,與自然對(duì)流相比凈化效率提升了806%。

此外,從室內(nèi)污染物的衰減曲線來看,自然對(duì)流下二氧化碳和PM2.5的衰減曲線斜率較小,且下一時(shí)刻與前一刻的差值較小,這就使得室內(nèi)污染物的各時(shí)刻衰減點(diǎn)的分布表現(xiàn)得更為密集;類似地觀察強(qiáng)制對(duì)流下的污染物衰減情況可以發(fā)現(xiàn),在強(qiáng)制對(duì)流工況下,室內(nèi)污染物的衰減更為均勻,且衰減階段曲線的斜率明顯變大,各時(shí)刻衰減點(diǎn)的分布明顯稀疏。這也從凈化效率的提升上有所反映,更重要的是在衰減穩(wěn)定階段,室內(nèi)污染的濃度波動(dòng)不大,這兩組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比充分說明了強(qiáng)制對(duì)流對(duì)室內(nèi)環(huán)境有良好的控制作用。

3 結(jié)論

為了解決引入的新風(fēng)未經(jīng)過濾的問題,設(shè)置了合理的過濾系統(tǒng),采用靜電駐極HEPA顆粒物過濾網(wǎng)加上活性炭吸附層的復(fù)合過濾系統(tǒng),能對(duì)空氣中的甲醛、顆粒物等起到明顯的過濾作用。為了能夠改變風(fēng)速的快慢,對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)置了3個(gè)擋位。通過一塊過渡型前臺(tái)階擾流板,不僅可以適當(dāng)調(diào)整風(fēng)向,而且可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口氣流整流再加速的目的。為了測(cè)試通風(fēng)裝置在夏季和冬季的運(yùn)行期間空調(diào)的冷熱負(fù)荷,分別設(shè)置不同通風(fēng)量(通風(fēng)量15 m3/h和通風(fēng)量25 m3/h)進(jìn)行測(cè)試,無論是夏季還是冬季,新風(fēng)的通風(fēng)量與其他負(fù)荷構(gòu)成不存在相關(guān)性,可滿足一般普通家庭用戶的使用。通過自然對(duì)流狀態(tài)和強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)下的凈化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該裝置對(duì)于降低室內(nèi)污染物濃度有明顯作用。與自然對(duì)流相比,室內(nèi)二氧化碳凈化效率提升了1 893%,PM2.5凈化效率提升了806%。