【HVAC】论文 | 多模式通风净化器的性能模拟

摘要

提出了一种具有多种使用模式的通风净化器，在其自然通风和机械通风通道中安装了不同净化效率的空气过滤器。为评估该通风净化器的性能，将不同操作模式下的阻力流量特性和颗粒过滤性能引入到EnergyPlus中进行建模，模拟了通风净化器的风量和空气过滤效率，并通过实验数据进行了验证。使用该模型对通风净化器在不同气候区典型房间的空气品质和能耗进行模拟，结果显示在满足室内空气品质的前提下，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，单位面积年通风净化能耗降低约30％。

关键词

通风　空气净化　EnergyPlus　能耗　空气品质

作者

大连理工大学　李发成

大连理工大学　天津大学　张腾飞

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引言

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，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。需要指出的是，室外PM2.5浓度随时间和地点变化很大，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。

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。

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新型通风净化器原理

1.1 通风净化器原理及其性能参数测试

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。

图1 通风净化器内部构造示意图（室内视角）

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。

图2 风量调节板示意图

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重度污染情况，中效机械新风模式适用于室外空气轻度污染情况，室内自净模式适用于室内空气品质较差需快速净化，自然通风模式适用于室外空气品质为优时，自然新风过滤模式适用于室外空气轻度污染，且风速较大的情况。

图3 通风净化器各模式通风方式

将通风净化器安装于某实验房南向窗户下部，如图4所示。

图4 通风净化器安装示意图（实验房南向）

1.2 通风净化器性能测试结果

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。

表1 风量、功率、净化效率测试结果

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。

图5 风压风量曲线

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建模方法与验证

2.1 通风量及颗粒物模型

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。

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。

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。

2.2 模型验证

采用模型对通风净化器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。图6为自然通风模式下实验房内24h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1～4m/s时，南向风实验房换气次数为0.4～2.0h-1，北向风换气次数约为0.2～1.0h-1。

图6 自然通风模式通风量结果验证

图7为24h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。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。

图7 自然新风过滤模式通风量结果验证

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。实验测试结果与模拟结果比较如图8所示。

图8 EnergyPlus污染物浓度模拟验证

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不同气候区模拟分析

3.1 通风净化器在不同气候区的性能模拟

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。

图9 典型住宅

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＜35μg/m3。

模拟相关设置为：室内人员CO2产生率为18L/（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0.09h-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57mg。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1000×10-6，室内PM2.5时均浓度小于35μg/m3。

3.2 不同气候区模拟结果

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。

表2 CO2不满足率（即大于1000×10-6的时间占比）模拟结果

表3 PM2.5不满足率（即大于35μg/m3的时间占比）模拟结果

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。

图10 各模式使用时长占比

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。

图11 各地区单位面积年能耗

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结论

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。

（全文刊登于《暖通空调》2020年第50卷第3期117～122页，79页）