徐昭煒¹，伍品¹，楊英霞¹，鄧高峰¹，金繼宗²，王智超¹
1.中國建筑科學研究院；2. 北京建筑節能與環境工程協會

       【摘  要】受大氣顆粒物污染的影響，通過機械通風的方式引入新風時，需要考慮新風中PM_2.5的過濾。為節約能源，新風系統通常應用熱回收裝置。本文采用質量守恒及全面通風等基本理論，建立了通風能耗及室內PM_2.5濃度的計算模型，分析了凈化效率及室內保證率對通風能耗的影響。結果表明：北京地區住宅新風系統中，空氣過濾器的凈化效率越高，室內保證率越高，通風能耗越大；PM_2.5的凈化效率為80%時，室內PM_2.5的良好保證率約96.4%，單位體積通風能耗約0.396W/(m³/h)；PM_2.5的凈化效率為98%時，室內PM_2.5的優秀保證率約99.2%；單位體積通風能耗約0.535W/(m³/h)。折合成一次能源消耗量分析，冬季單位體積通風量的典型年熱回收量大于通風能耗，熱回收裝置的應用具有較好的節能效益；夏季則建議啟動通風旁通模式，減少熱交換芯體引起的通風能耗。

       【關鍵詞】住宅新風系統  通風能耗  凈化效率  室內保證率  典型年熱回收量 

0 引言

       為了更好地實現建筑節能，建筑外窗氣密性的相關技術標準不斷提高。外窗氣密性等級達到國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》（GB/T7106-2008）規定的7級時，室內換氣次數約0.25次/h^[1]。室內換氣量不足，會對人體健康產生不利影響。此時需要引入新風。近些年，大氣顆粒物污染嚴重，相關研究表明，細顆粒物PM_2.5能突破鼻腔、深入肺部，甚至滲透進入血液，如果長期暴露在PM_2.5污染的環境中，會對人體健康造成危害，并可能誘發整個人體范圍的疾病^[2]。因此，引入新風時需要考慮PM_2.5的空氣過濾，從而帶來了通風能耗的增加。為了節約能源，新風系統通常應用熱回收裝置。但是，熱交換芯體同樣是阻力構件，也會對通風能耗產生影響。

       本文針對北京住宅新風系統，重點研究空氣過濾器及熱回收裝置對通風能耗的影響，為住宅新風系統的合理應用提供技術參考。

1 通風能耗分析

       1.1 計算模型的建立

       住宅新風系統，通常指機械通風系統。機械通風系統能耗主要包括通風系統管網輸配能耗及通風裝置能耗。其中，通風系統管網輸配能耗主要包括管道沿程阻力，以及管道彎頭、三通、變徑、風口等阻力構件引起的能耗。通風裝置能耗主要包括空氣過濾器和熱交換芯體等阻力構件引起的能耗。通風系統的總輸入功率與通風量及風機全壓的關系如式1、2。

       （式1）

       （式2）

       式中，N為通風機總輸入功率，單位W；P為通風機全壓，單位Pa；Q為通風量，單位m³/h；η為通風機全壓效率，單位%。P_g為管網輸配阻力，單位Pa；P_s為通風裝置阻力，單位Pa；ζ_lw為空氣過濾器局部阻力系數；ζ_lrjh為熱交換芯體局部阻力系數；νlw為空氣過濾器迎面風速，單位m/s；ν_rhg為熱交換芯體迎面風速，單位m/s；ρ為空氣密度，單位kg/m³。

       1.2 空氣過濾器的性能參數

       由于空氣過濾器均有一定的容塵量，新風系統的風壓設計通常采用空氣過濾器的終阻力?？諝膺^濾器的終阻力與濾網材質及濾網級別有關。根據實驗室實測數據，得到粗效、中效、高中效和亞高效4種空氣過濾器的凈化效率，分別為20%、50%、75%、95%，如表1。

表1 幾類空氣過濾器的終阻力及凈化效率

       可以看出，常見的介質式空氣過濾器，級別越高，對應的PM_2.5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，表明由此帶來的通風能耗越大。

       1.3 通風能耗的構成比例

       為了分析影響住宅新風系統通風能耗的重要因素，對北京地區典型住宅新風系統通風能耗的構成比例進行計算，如表2。其中，住宅建筑面積236m²，主要包含3個臥室、1個起居廳、1個餐廳，標準層平面圖及新風系統示意圖詳見圖1。

圖1 北京地區典型住宅平面圖及新風系統示意圖
表2 某北京住宅通風能耗的構成比例

       可以看出，常見的含有2級空氣過濾器及熱回收裝置的新風系統中，空氣過濾器及裝置內部構造引起的通風能耗占機械通風系統總能耗的比例最大（＞70%）。為了實現建筑節能和人居環境健康的平衡，通風能耗的重要控制指標是影響空氣過濾器通風能耗的凈化效率。

2 凈化效率的影響分析

       為了分析住宅新風系統中空氣過濾器適宜的凈化效率，定義一年中室內PM_2.5的日均濃度小于等于標準限值的天數占全年總天數的比例，稱為室內保證率，研究住宅新風系統空氣過濾器的凈化效率與室內保證率的關系。

       2.1 PM2.5的濃度平衡模型

       根據質量守恒定律，引入室內的PM2.5加上室內散發的PM_2.5等于排出室外的PM_2.5。機械通風系統中引入室內的PM2.5主要為新風系統未經空氣過濾器攔截的部分，建立室內、外PM_2.5濃度與凈化效率的關系如式3。

        （式3）

       式中，L_s為新風量，單位m³/s；Y_w為新風引入的PM2.5，單位mg/m³；η為通風裝置對PM_2.5的一次通過凈化效率，單位%；X_n為室內散發的PM_2.5，單位mg/s；L_p為排風量，m³/s；Y_n為室內的PM_2.5，單位mg/m³。

       2.2 室內PM_2.5濃度的影響因素

       針對住宅建筑，室內散發的PM_2.5主要源于吸煙、烹飪、人員及家務活動等，相關研究表明，對于沒有明顯室內污染源的住宅，室內約75%的PM_2.5來自室外；對于有明顯室內污染源（吸煙、烹飪）的住宅，室內約55~60%的PM_2.5來自室外^[3]。據此，根據中國人的飲食習慣，每天的烹飪時間取4h（含早、中、晚），加權計算出24h住宅內平均約27.9%的PM_2.5來自于室內各類因素的產生。

       2.3 室外PM2.5濃度分析

       室外PM2.5濃度通過調研北京地區2014~2016年大氣PM2.5濃度的天數分布進行確定，如圖2。

圖2 2014~2016年室外PM_2.5濃度的天數分布

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

       2.4 凈化效率對室內保證率及通風能耗的影響

       組合幾類典型的空氣過濾器應用形式：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），根據表1可得對應的凈化效率分別為20%、60%、80%、98%。依據PM_2.5的濃度平衡模型，考慮室內各因素對PM_2.5濃度的影響，以及2014~2016年大氣PM_2.5濃度的天數分布，計算出室內PM_2.5≤35ug/m³和室內PM_2.5≤75ug/m³情況下的優秀室內保證率和良好室內保證率分別為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，根據表2所述，北京地區典型住宅新風系統的管網輸配系統的阻力100Pa，全熱回收交換芯體的阻力35Pa（顯熱回收交換芯體的阻力15Pa，相差不大，在此不做詳述）；風機全壓效率取40%，四種組合型式對應的系統全壓分別為370Pa、530Pa、570Pa、770Pa，則對應的單位體積通風量的通風能耗分別為0.257W/(m³/h) 、0.368W/(m³/h)、0.396W/(m³/h)、0.535W/(m³/h)，如圖3。

圖3 凈化效率與室內保證率及單位體積通風能耗的關系

       可以看出，新風系統的凈化效率越高，室內保證率越高，單位體積通風能耗越大。凈化效率由60%增加到80%，室內保證率提升較快，但通風能耗增加不大。凈化效率由80%增加到98%，室內保證率提升較慢，但通風能耗增加較多。新風系統對PM_2.5的凈化效率為80%時，室內PM_2.5的良好保證率約96.4%，單位體積通風能耗約0.396W/(m³/h)；新風系統對PM_2.5的凈化效率為98%時，室內PM_2.5的優秀保證率約99.2%，單位體積通風能耗約0.535W/(m³/h)。

3  典型年熱回收量分析

       熱回收裝置是新風系統中常用的技術措施，目的是回收排風能量，節約一次能源，減少直接引入新風的冷（熱）風感。根據典型年室內、外逐時焓差、溫度差及通風裝置的熱回收效率，可得單位體積通風量的全熱及顯熱回收量。北京地區典型年氣象數據^[3]，如圖4。室內設計參數依據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范（GB50736-2012）》，如表3。以北京地區集中式連續供暖、分戶式間歇空調（起居室的空調時間為晚18:00~24:00，臥室空調時間為晚22：00~早6:00，）的住宅建筑為例，分析其全年動態計算熱回收量。

圖4 北京典型年逐時干球溫度及室外焓值
表3 供暖空調室內設計參數

       經計算，集中式連續供暖期間（11.15至次年3.15），臥室和起居室單位體積通風量的計算顯熱回收量為19397.4Wh，計算全熱回收量為25965.5Wh。夏季間歇空調期間（6.1~8.31），臥室單位體積通風量的計算顯熱回收量為43.6Wh，計算全熱回收量為1056.2Wh；起居室單位體積通風量的計算顯熱回收量為184.5Wh，計算全熱回收量為1536.5Wh，如表4。

表4 冬夏季單位體積通風量的計算熱回收量及所占比例

       可以看出，北京地區的住宅新風系統，冬季熱回收裝置的計算熱回收量較大、夏季的計算熱回收量較小，且冬季計算熱回收量遠高于夏季。由于夏季夜間空氣溫度及焓值較低、間歇性機械通風有利于減少空調能耗^[5]，建議夏季啟動通風旁通模式，減少熱交換芯體引起的通風能耗。

       冬季供暖工況下，對比單位體積通風能耗與典型年熱回收量的關系，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]；發電標準煤耗根據北京市最新數據，取0.2534kgce/kwh，標煤熱值取29.307MJ/kgce，燃氣鍋爐效率取0.9，管網輸配效率取0.93^[7]。

表5 供暖期間單位體積通風能耗與熱回收量的關系（11.15~次年3.15）

       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量的熱回收量遠大于通風能耗，熱回收裝置的應用具有較好的節能效益。

4  結論

       住宅新風系統中，空氣過濾器的凈化效率越高，室內保證率越高，通風能耗越大。針對北京地區，PM_2.5的凈化效率為80%時，室內PM_2.5的良好保證率約96.4%，單位體積通風能耗約0.396W/(m³/h)；PM_2.5的凈化效率為98%時，室內PM_2.5的優秀保證率約99.2%，單位體積通風能耗約0.535W/(m³/h)。

       北京地區冬季的典型年熱回收量遠高于夏季。從折合一次能源消耗量分析，冬季單位體積通風量的典型年熱回收量大于通風能耗，熱回收量裝置的應用具有較好的節能效益。由于夏季夜間空氣溫度及焓值較低、間歇性機械通風有利于減少空調能耗，建議啟動通風旁通模式，減少熱交換芯體引起的通風能耗。

參考文獻

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會論文集。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。