徐昭炜1，伍品1，杨英霞1，邓高峰1，金继宗2，王智超1
1.中国建筑科学研究院；2. 北京建筑节能与环境工程协会
【摘 要】受大气颗粒物污染的影响，通过机械通风的方式引入新风时，需要考虑新风中PM2.5的过滤。为节约能源，新风系统通常应用热回收装置。本文采用质量守恒及全面通风等基本理论，建立了通风能耗及室内PM2.5浓度的计算模型，分析了净化效率及室内保证率对通风能耗的影响。结果表明：北京地区住宅新风系统中，空气过滤器的净化效率越高，室内保证率越高，通风能耗越大；PM2.5的净化效率为80%时，室内PM2.5的良好保证率约96.4%，单位体积通风能耗约0.396W/(m3/h)；PM2.5的净化效率为98%时，室内PM2.5的优秀保证率约99.2%；单位体积通风能耗约0.535W/(m3/h)。折合成一次能源消耗量分析，冬季单位体积通风量的典型年热回收量大于通风能耗，热回收装置的应用具有较好的节能效益；夏季则建议启动通风旁通模式，减少热交换芯体引起的通风能耗。
【关键词】住宅新风系统 通风能耗 净化效率 室内保证率 典型年热回收量
0 引言
为了更好地实现建筑节能，建筑外窗气密性的相关技术标准不断提高。外窗气密性等级达到国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》（GB/T7106-2008）规定的7级时，室内换气次数约0.25次/h[1]。室内换气量不足，会对人体健康产生不利影响。此时需要引入新风。近些年，大气颗粒物污染严重，相关研究表明，细颗粒物PM2.5能突破鼻腔、深入肺部，甚至渗透进入血液，如果长期暴露在PM2.5污染的环境中，会对人体健康造成危害，并可能诱发整个人体范围的疾病[2]。因此，引入新风时需要考虑PM2.5的空气过滤，从而带来了通风能耗的增加。为了节约能源，新风系统通常应用热回收装置。但是，热交换芯体同样是阻力构件，也会对通风能耗产生影响。
本文针对北京住宅新风系统，重点研究空气过滤器及热回收装置对通风能耗的影响，为住宅新风系统的合理应用提供技术参考。
1 通风能耗分析
1.1 计算模型的建立
住宅新风系统，通常指机械通风系统。机械通风系统能耗主要包括通风系统管网输配能耗及通风装置能耗。其中，通风系统管网输配能耗主要包括管道沿程阻力，以及管道弯头、三通、变径、风口等阻力构件引起的能耗。通风装置能耗主要包括空气过滤器和热交换芯体等阻力构件引起的能耗。通风系统的总输入功率与通风量及风机全压的关系如式1、2。
（式1）
（式2）
式中，N为通风机总输入功率，单位W；P为通风机全压，单位Pa；Q为通风量，单位m3/h；η为通风机全压效率，单位%。Pg为管网输配阻力，单位Pa；Ps为通风装置阻力，单位Pa；ζlw为空气过滤器局部阻力系数；ζlrjh为热交换芯体局部阻力系数；νlw为空气过滤器迎面风速，单位m/s；νrhg为热交换芯体迎面风速，单位m/s；ρ为空气密度，单位kg/m3。
1.2 空气过滤器的性能参数
由于空气过滤器均有一定的容尘量，新风系统的风压设计通常采用空气过滤器的终阻力。空气过滤器的终阻力与滤网材质及滤网级别有关。根据实验室实测数据，得到粗效、中效、高中效和亚高效4种空气过滤器的净化效率，分别为20%、50%、75%、95%，如表1。
表1 几类空气过滤器的终阻力及净化效率
可以看出，常见的介质式空气过滤器，级别越高，对应的PM2.5的一次通过净化效率越高，终阻力越大。空气过滤器的终阻力越大，表明由此带来的通风能耗越大。
1.3 通风能耗的构成比例
为了分析影响住宅新风系统通风能耗的重要因素，对北京地区典型住宅新风系统通风能耗的构成比例进行计算，如表2。其中，住宅建筑面积236m2，主要包含3个卧室、1个起居厅、1个餐厅，标准层平面图及新风系统示意图详见图1。
图1 北京地区典型住宅平面图及新风系统示意图
表2 某北京住宅通风能耗的构成比例
可以看出，常见的含有2级空气过滤器及热回收装置的新风系统中，空气过滤器及装置内部构造引起的通风能耗占机械通风系统总能耗的比例最大（＞70%）。为了实现建筑节能和人居环境健康的平衡，通风能耗的重要控制指标是影响空气过滤器通风能耗的净化效率。
2 净化效率的影响分析
为了分析住宅新风系统中空气过滤器适宜的净化效率，定义一年中室内PM2.5的日均浓度小于等于标准限值的天数占全年总天数的比例，称为室内保证率，研究住宅新风系统空气过滤器的净化效率与室内保证率的关系。
2.1 PM2.5的浓度平衡模型
根据质量守恒定律，引入室内的PM2.5加上室内散发的PM2.5等于排出室外的PM2.5。机械通风系统中引入室内的PM2.5主要为新风系统未经空气过滤器拦截的部分，建立室内、外PM2.5浓度与净化效率的关系如式3。
（式3）
式中，Ls为新风量，单位m3/s；Yw为新风引入的PM2.5，单位mg/m3；η为通风装置对PM2.5的一次通过净化效率，单位%；Xn为室内散发的PM2.5，单位mg/s；Lp为排风量，m3/s；Yn为室内的PM2.5，单位mg/m3。
2.2 室内PM2.5浓度的影响因素
针对住宅建筑，室内散发的PM2.5主要源于吸烟、烹饪、人员及家务活动等，相关研究表明，对于没有明显室内污染源的住宅，室内约75%的PM2.5来自室外；对于有明显室内污染源（吸烟、烹饪）的住宅，室内约55~60%的PM2.5来自室外[3]。据此，根据中国人的饮食习惯，每天的烹饪时间取4h（含早、中、晚），加权计算出24h住宅内平均约27.9%的PM2.5来自于室内各类因素的产生。
2.3 室外PM2.5浓度分析
室外PM2.5浓度通过调研北京地区2014~2016年大气PM2.5浓度的天数分布进行确定，如图2。
图2 2014~2016年室外PM2.5浓度的天数分布
可以看出，2014~2016年大气的优秀天数平均112天，占全年30.7%；良好天数平均108天，占全年29.6%；轻度污染天数平均66天，占全年18.1%；中度污染天数平均36天，占全年9.8%；重度污染天数平均30天，占全年8.2%；严重污染天气平均13天，占全年3.6%。且2014、2015、2016年的优良天数逐年提高，重度污染以上的天数逐年降低。
2.4 净化效率对室内保证率及通风能耗的影响
组合几类典型的空气过滤器应用形式：粗效（型式1）、粗效+中效（型式2）、粗效+高中效（型式3）、粗效+中效+亚高效（型式4），根据表1可得对应的净化效率分别为20%、60%、80%、98%。依据PM2.5的浓度平衡模型，考虑室内各因素对PM2.5浓度的影响，以及2014~2016年大气PM2.5浓度的天数分布，计算出室内PM2.5≤35ug/m3和室内PM2.5≤75ug/m3情况下的优秀室内保证率和良好室内保证率分别为10.7%、37.8%、75.6%、99.2%（综合考虑3日的极端天气）和41.4%、79.6%、96.4%、100.0%。
同时，根据表2所述，北京地区典型住宅新风系统的管网输配系统的阻力100Pa，全热回收交换芯体的阻力35Pa（显热回收交换芯体的阻力15Pa，相差不大，在此不做详述）；风机全压效率取40%，四种组合型式对应的系统全压分别为370Pa、530Pa、570Pa、770Pa，则对应的单位体积通风量的通风能耗分别为0.257W/(m3/h) 、0.368W/(m3/h)、0.396W/(m3/h)、0.535W/(m3/h)，如图3。
图3 净化效率与室内保证率及单位体积通风能耗的关系
可以看出，新风系统的净化效率越高，室内保证率越高，单位体积通风能耗越大。净化效率由60%增加到80%，室内保证率提升较快，但通风能耗增加不大。净化效率由80%增加到98%，室内保证率提升较慢，但通风能耗增加较多。新风系统对PM2.5的净化效率为80%时，室内PM2.5的良好保证率约96.4%，单位体积通风能耗约0.396W/(m3/h)；新风系统对PM2.5的净化效率为98%时，室内PM2.5的优秀保证率约99.2%，单位体积通风能耗约0.535W/(m3/h)。
3 典型年热回收量分析
热回收装置是新风系统中常用的技术措施，目的是回收排风能量，节约一次能源，减少直接引入新风的冷（热）风感。根据典型年室内、外逐时焓差、温度差及通风装置的热回收效率，可得单位体积通风量的全热及显热回收量。北京地区典型年气象数据[3]，如图4。室内设计参数依据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）》，如表3。以北京地区集中式连续供暖、分户式间歇空调（起居室的空调时间为晚18:00~24:00，卧室空调时间为晚22：00~早6:00，）的住宅建筑为例，分析其全年动态计算热回收量。
图4 北京典型年逐时干球温度及室外焓值
表3 供暖空调室内设计参数
经计算，集中式连续供暖期间（11.15至次年3.15），卧室和起居室单位体积通风量的计算显热回收量为19397.4Wh，计算全热回收量为25965.5Wh。夏季间歇空调期间（6.1~8.31），卧室单位体积通风量的计算显热回收量为43.6Wh，计算全热回收量为1056.2Wh；起居室单位体积通风量的计算显热回收量为184.5Wh，计算全热回收量为1536.5Wh，如表4。
表4 冬夏季单位体积通风量的计算热回收量及所占比例
可以看出，北京地区的住宅新风系统，冬季热回收装置的计算热回收量较大、夏季的计算热回收量较小，且冬季计算热回收量远高于夏季。由于夏季夜间空气温度及焓值较低、间歇性机械通风有利于减少空调能耗[5]，建议夏季启动通风旁通模式，减少热交换芯体引起的通风能耗。
冬季供暖工况下，对比单位体积通风能耗与典型年热回收量的关系，如表5。其中，热回收装置的显热回收效率限值取65%、全热回收效率限值取55%[6]；发电标准煤耗根据北京市最新数据，取0.2534kgce/kwh，标煤热值取29.307MJ/kgce，燃气锅炉效率取0.9，管网输配效率取0.93[7]。
表5 供暖期间单位体积通风能耗与热回收量的关系（11.15~次年3.15）
可以看出，从一次能源消耗量分析，典型年冬季工况单位体积通风量的热回收量远大于通风能耗，热回收装置的应用具有较好的节能效益。
4 结论
住宅新风系统中，空气过滤器的净化效率越高，室内保证率越高，通风能耗越大。针对北京地区，PM2.5的净化效率为80%时，室内PM2.5的良好保证率约96.4%，单位体积通风能耗约0.396W/(m3/h)；PM2.5的净化效率为98%时，室内PM2.5的优秀保证率约99.2%，单位体积通风能耗约0.535W/(m3/h)。
北京地区冬季的典型年热回收量远高于夏季。从折合一次能源消耗量分析，冬季单位体积通风量的典型年热回收量大于通风能耗，热回收量装置的应用具有较好的节能效益。由于夏季夜间空气温度及焓值较低、间歇性机械通风有利于减少空调能耗，建议启动通风旁通模式，减少热交换芯体引起的通风能耗。
参考文献
[1] 丰晓航，燕达，彭琛，江亿等.建筑气密性对住宅能耗影响的分析[J]. 暖通空调，2014，44（2）:5-14
[2] 王清勤，李国柱，孟冲，赵力等. 室外细颗粒物（PM2.5）建筑围护结构穿透及被动控制措施[J]. 暖通空调，2015，45（12）:8-13
[3] 王清勤，李国柱，赵力. 建筑室内细颗粒物（PM2.5）污染现状、控制技术与标准[J]. 暖通空调，2016，46（2）：1-7
[4] 中国气象局气象信息中心，清华大学. 中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005
[5] 王智超，杨英霞. 通风对住宅夏季空调能耗的影响[J]. 暖通空调，2012，42（4）：79-81
[6] 中国建筑科学研究院. GB21087-2007，空气-空气能量回收装置[S]，北京：中国标准出版社，2008
[7] 北京市建筑设计研究院有限公司. DB11/687-2015，公共建筑节能设计标准[S]，北京：北京市城乡规划标准化办公室，2015
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
