一種新型隔音通風裝置的性能分析

鄭 潔，謝柱維，田亞軍，盧 軍

(重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院，重慶 400045)

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對室內空氣質量要求也越來越高，而居住建筑主要依靠自然通風方式來滿足室內空氣質量的要求.相關文獻研究發(fā)現(xiàn)，隨著窗戶開口面積的增大，房間的通風效果隨之增強[1-2].然而隨著汽車數(shù)量的持續(xù)增長，交通噪聲帶來的影響也越來越大.在歐盟地區(qū)，超過40%的居民幾乎全天受到交通噪聲的干擾，其中20%的居民受到的交通噪聲污染超過65 dB(A)[3].對于臨街居住的居民而言，開窗實現(xiàn)室內自然通風與營造舒適的室內聲環(huán)境是相互矛盾的舉措.因此，既要隔聲降噪，又要滿足室內空氣質量要求是居住建筑研究中亟需解決的問題之一.

為此，國內外學者主要針對自然隔音通風窗的性能進行深入研究與分析.Kang等[4]將透明微穿孔薄膜應用到交錯結構窗戶的玻璃上，不僅增強了室內采光能力，同時避免了吸聲材料的二次污染.Nishimura等[5]設計了一種通風與照明結構交錯的窗戶，雖然其可以防雨降噪以及通風采光，但該類窗戶整體降噪性能并不突出.Yu等[6]采用有限元的方法，研究了上下交錯開口整體通風的隔聲窗的聲學性能.Huang等[7]、Kwon等[8]對安裝控制源的隔聲通風窗進行研究，但其降噪效果依賴于控制精度.

綜上所述，雖然隔音通風窗的設計及研究成果取得了較大進展，但其實際通風效果不利于調控，受室外氣象條件影響較大，且內部結構較為復雜.針對現(xiàn)有隔音通風窗的不足之處，本文設計了一種新型隔音通風裝置[9-10]，該裝置具有內部結構簡單，通風量相對穩(wěn)定的優(yōu)點. 本文通過實驗對裝置的隔聲性能和通風效果進行研究，并建立Simulink仿真模型對影響裝置通風效果的參數(shù)進行優(yōu)化分析.

1 裝置工作原理及模型介紹

隔音通風裝置的工作原理如圖1(a)所示，裝置室內側和室外側分別設有進風口、排風口以及活動擋板，裝置中部的通風腔室內設有動力機構和開關控制機構，譬如扇形機構. 工作時，依靠動力機構上的葉片產生氣流進行通風，同時控制機構控制室內側和室外側的活動擋板周期性地啟閉，確保裝置在工作過程中，始終只有室內側或室外側與通風腔室進行空氣交換，而室內側和室外側并沒有直接連通.故裝置在保持通風換氣的同時，隔斷了室外噪聲通過風道傳遞到室內的路徑，從而能夠最大程度地起到隔音降噪的作用.

裝置模型如圖1(b)所示，裝置尺寸為0.9 m(長)×0.5 m(寬)×0.4 m(高),其中通風腔室尺寸為0.5 m(長)× 0.5 m(寬)×0.4 m(高)，室內側及室外側風口尺寸均為0.135 m(寬)×0.250 m(高).通風腔室的中部及底部分別設置了直流電機1(功率為28 W，轉速為20 r/min)和帶調速器(功率為6 W)的直流電機2(功率為25 W，轉速為1 620 r/min).

2 研 究

2.1 系統(tǒng)介紹

實驗系統(tǒng)包括隔音通風裝置(如圖1所示)和房間模型.為研究裝置的隔聲性能和通風效果，實驗中搭建了一個尺寸為1.0 m(長)×1.0 m(寬)×1.0 m(高)的房間模型，房間一側下部設置了一開口，用于與實驗裝置連接，其尺寸與實驗裝置橫截面尺寸一致.此外，房間另一側中部設置了一個帶玻璃板的開口，用于模擬房間窗戶，其尺寸為0.25 m(寬)×0.25 m(高).

圖1 隔音通風裝置的原理及模型

Fig.1 Schematic and model of sound insulation ventilation device

2.2 方案設計

隔聲實驗測試了5種工況下的房間噪聲值以及不同頻率環(huán)境噪聲下的房間隔聲效果.5種工況分別為：1)開啟窗戶；2)關閉窗戶；3)關閉裝置；4)啟動裝置(50%風量)；5)啟動裝置(100%風量).其中，前2種工況下，房間下側開口均未與實驗裝置連接，并作密封處理.而后3種工況下，房間窗戶均處于關閉狀態(tài).

通風實驗測試了啟動裝置工況下的通風口風速以及關閉窗戶和啟動裝置工況下，房間CO2體積分數(shù)隨時間的變化，其中采樣間隔為5 min.

2.3 測點布置及主要儀器

通風口風速測量采用在通風口對角線均勻布置5個測點的方案.由于噪聲計和CO2檢測儀的尺寸相對較大，且無可伸縮的探頭，而測量過程中需保證房間的氣密性，故CO2體積分數(shù)以及噪聲的測量均采用在房間中心處布置一個測點的方案.

主要實驗儀器及規(guī)格型號見表1所示.

表1 實驗儀器及規(guī)格型號

2.4 結果及分析

2.4.1 隔聲實驗結果及分析

裝置室內側和室外側活動擋板的輪流啟閉導致房間噪聲值呈周期性變化.環(huán)境噪聲越大，房間噪聲值的周期性變化越弱，房間噪聲值的波動幅度最大約1.5 dB.為方便分析起見，文中啟動裝置工況下的房間噪聲值取一個周期內房間噪聲的平均值.

由圖2可知，隨著環(huán)境噪聲的增大，各工況下(開啟窗戶、關閉窗戶、關閉裝置、啟動裝置)的房間噪聲值均上升.其中，開啟窗戶時房間噪聲值比關閉窗戶時高4～6 dB，啟動裝置時房間噪聲值比關閉裝置時高2～3 dB.由于裝置室內側及室外側均設有隔音棉，因此圖2顯示，關閉裝置時房間噪聲值比關閉窗戶時低2～3 dB，說明安裝該裝置后，房間的隔聲效果得以改善.從圖2中可知，關閉窗戶、啟動裝置(50%風量)以及啟動裝置(100%風量)這3種工況下的房間噪聲值相當.

圖2 不同工況下的房間噪聲

噪聲按頻率可以分為低頻噪聲、中頻噪聲以及高頻噪聲.其中頻率在200 Hz以下的噪聲屬于低頻噪聲，500～2 000 Hz屬于中頻噪聲，2 000～16 000 Hz屬于高頻噪聲[11].為分析環(huán)境噪聲頻率對裝置隔聲效果的影響，實驗中分別選取了頻率為150、200、1 000、1 500、3 000、5 000 Hz的環(huán)境噪聲，結果如圖3所示.在開啟窗戶和關閉窗戶(均未安裝裝置)工況下，房間噪聲隨著環(huán)境噪聲頻率的上升而增大，說明了房間對于中、高頻噪聲的隔聲效果較差.隨著環(huán)境噪聲頻率的上升，啟動裝置和關閉窗戶工況下，房間噪聲的差值減小，說明了該裝置對于中、高頻噪聲的隔聲效果較好.

2.4.2 通風實驗結果及分析

實驗中測試了開關控制機構轉動10圈所需時間為30 s，即其轉動周期為3 s，其中室內側和室外側與通風腔室的通風換氣時間均為1 s.此外，實驗期間電機平均功率為0.06 kW.

通風口風速測量結果顯示，裝置室內側進、排風口的平均風速分別為0.17 m/s和0.19 m/s，裝置室外側進、排風口的平均風速分別為0.18 m/s和0.21 m/s，說明裝置4個通風口的風量基本相等.由于裝置存在少量的滲透風量，因此室內側及室外側進風口的平均風速比排風口低約0.03 m/s.裝置室內側和室外側空氣阻力不相等，導致室內側進、排風口的平均風速均比室外側低約0.02 m/s.

圖3 不同頻率環(huán)境噪聲下的房間隔聲效果

Fig.3 Sound insulation effect of the room under ambient noise of different frequencies

在對裝置通風效果和房間自然滲透通風效果的實驗研究中，被測房間CO2體積分數(shù)初始值為1 224×10-6，實驗室環(huán)境CO2體積分數(shù)為610×10-6，測試時間為3 300 s.房間CO2體積分數(shù)隨時間的變化如圖4所示，啟動裝置時，在0～1 500 s內，房間CO2體積分數(shù)下降速度較快，而在1 500～3 300 s內，CO2體積分數(shù)下降速度較慢，最后穩(wěn)定在612×10-6左右，與實驗室環(huán)境CO2體積分數(shù)相近.由此可見，當裝置通風量一定時，房間與實驗室環(huán)境的CO2體積分數(shù)差越大，裝置通風效果越好.關閉窗戶時，房間CO2體積分數(shù)在自然滲透作用下緩慢下降，3 300 s時房間CO2體積分數(shù)為1 165×10-6.由此可見，與裝置通風效果相比，房間自然滲透通風效果較差，難以滿足室內空氣品質要求.

圖4 裝置通風效果和房間自然滲透通風效果的對比

Fig.4 Comparison between the ventilation effect of the device and the ventilation effect of natural infiltration of the room

3 Simulink仿真模擬研究

3.1 隔音通風模型的建立與簡化

國內外學者已建立了大量的建筑通風模型及計算模型，包括良好混合化學反應器模型[12]、混合因子模型[13]、多區(qū)域模型[14]以及雙層皮幕墻自然通風模型[15]等.這些通風模型的局限性在于，室內送風CO2體積分數(shù)是相對穩(wěn)定的，而該裝置的送風CO2體積分數(shù)是變化的.因此，本文建立了一種適合于該裝置的新型隔音通風模型(如圖5所示)及裝置新風量計算模型.

圖5 裝置室內側通風模型

根據(jù)CO2質量守恒定律，裝置室外側通風模型方程為

同理裝置室內側通風模型方程為：

裝置新風量計算模型方程為

式中：Vm為通風腔室體積；Cm為通風腔室CO2體積分數(shù)；t為時間；Qw為室外側進風量；Cw為新風CO2體積分數(shù)；Q3為室外側滲透進風量；Q1為室外側排風量；V為房間體積；Ci為房間CO2體積分數(shù)；Qs為室內側排風量；Q2為室內側進風量；Q5為房間滲透排風量；Q4為室內側滲透進風量；Qw1為裝置新風量；S為房間CO2散發(fā)量.

由于通風腔室及房間CO2體積分數(shù)分布是非均勻的，故計算時需對其進行離散化處理.為了便于研究，對隔音通風模型作如下的簡化和假設：

1)4個通風口的風量相等；

2)忽略房間的滲透排風量；

3)通風腔室及房間CO2體積分數(shù)均勻分布.

簡化后，裝置室外側通風模型方程為

同理，裝置室內側通風模型方程為：

在進行森林撫育工作的開展過程中，相關的林業(yè)單位必須要按照國家制定的《森林撫育規(guī)程》的技術規(guī)定進行操作，從而科學的選擇森林撫育技術，針對實際森林的情況進行科學的選擇，最終確定撫育方法。并且林業(yè)部門的工作人員需要對森林撫育地點的實際情況進行探查，并且將視察結果進行準確的上報，從而讓上級部門對實際情況進行分析，最終制定科學的撫育方案，保證森林撫育的有效性。

裝置新風量計算模型方程為

3.2 Simulink仿真模型的建立

根據(jù)簡化的隔音通風模型方程以及裝置新風量計算模型方程來建立Simulink仿真模型.如圖6所示，Simulink仿真模型從上到下可分為裝置室外側通風模型、裝置室內側通風模型以及裝置新風量計算模型.

圖6 Simulink仿真模型

3.3 Simulink仿真模型的驗證

根據(jù)實驗結果分別設置仿真模型中各參數(shù)值，其中人體CO2散發(fā)量取5.46×10-6m3/(人·s)[16-17].Simulink模擬結果如圖7所示，房間CO2體積分數(shù)的實驗值與模擬值存在一致的規(guī)律性，誤差均在±7%以內，表明了Simunlink仿真模型能較好地反映裝置的通風效果.

圖7 模擬值與實驗值的對比

3.4 裝置通風效果的影響因素分析

通風量和通風腔室體積均影響裝置的經濟性、合理性以及適用性.因此，通過研究裝置通風量及通風腔室體積對裝置通風效果的影響規(guī)律，為裝置的優(yōu)化設計提供參考.仿真模型中的新風CO2體積分數(shù)取400×10-6，初始時刻房間及通風腔室的CO2體積分數(shù)均取1 000×10-6，房間尺寸取4 m(長)×3 m(寬)×3 m(高)，模擬時間取7 200 s.

圖8所示的數(shù)據(jù)均為房間在7 200 s這一時刻的CO2體積分數(shù).從圖8中可發(fā)現(xiàn)，當通風腔室體積一定時，隨著風速的增大，房間CO2體積分數(shù)下降量的增加率逐漸減小.當風速增大到某個值后，房間CO2體積分數(shù)下降量的增加率幾乎保持不變.這是由于通風腔室CO2體積分數(shù)與房間CO2體積分數(shù)接近相等，導致通風腔室CO2體積分數(shù)基本達到飽和狀態(tài)，即裝置的通風效果已基本失效.故本文規(guī)定當風速增大到某個臨界值后，房間CO2體積分數(shù)下降量的增加率小于3%時，該臨界值對應的通風量稱為裝置的經濟通風量.

圖8 通風量及通風腔室體積對裝置通風效果的影響

Fig.8 Influence of ventilation volume and ventilation chamber volume on ventilation effect of the device

綜上所述，當通風腔室體積與經濟通風量匹配時，裝置的經濟性最佳.從圖8可發(fā)現(xiàn)，尺寸為0.5 m(長)×0.5 m(寬)×0.4 m(高)的通風腔室的經濟通風量對應的風速約為2.0 m/s，結合通風實驗結果可知，實驗裝置的經濟性并非最佳.因此，實驗裝置的優(yōu)化方案為：根據(jù)實際葉片尺寸，合理地減小通風腔室體積并增大裝置通風量.

3.5 裝置通風效果模擬

某尺寸為4 m(長)×3 m(寬)×3 m(高)的單人間臥室，作息時間為22:00～8:00. 22:00時刻房間CO2體積分數(shù)取600×10-6，通風腔室及室外新風CO2體積分數(shù)均取400×10-6.采取裝置通風效果的影響因素分析的優(yōu)化方案，在仿真模型中調整實驗裝置尺寸為0.65 m(長)×0.45 m(寬)×0.30 m(高)，通風腔室尺寸為0.45 m(長)×0.45 m(寬)×0.30 m(高)，調整電機轉速使通風口風速達0.7 m/s.模擬結果表明，在22:00～8:00的作息時間段內，臥室CO2體積分數(shù)較好地控制在1 030×10-6以內，新風量能達到351.6 m3，即35.16 m3/h.

4 結 論

1)裝置運行時室內噪聲值與關閉窗戶時相當，表明裝置在實現(xiàn)通風的同時，還具有良好的隔聲效果.尤其對于中、高頻環(huán)境噪聲，裝置的隔聲效果更理想.

2)通風實驗表明，Simunlink仿真模型能較好地反映裝置的通風效果.當通風腔室體積與經濟通風量匹配時，裝置的經濟性最佳.

3)仿真結果表明，采用進一步優(yōu)化后的裝置，單人間臥室新風量能達到35.16 m3/h，室內CO2體積分數(shù)可控制在1 030×10-6范圍內，滿足室內空氣質量要求.