一種新風(fēng)凈化系統(tǒng)高效節(jié)能調(diào)控技術(shù)與實(shí)踐*

上海市建科集團(tuán)股份有限公司 徐海霞 江 燕 李景廣

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)建筑室內(nèi)空氣污染問(wèn)題越發(fā)突出，已經(jīng)成為全社會(huì)廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。一方面，室內(nèi)各種裝飾裝修材料、家具、日用品等揮發(fā)性有機(jī)污染物的超標(biāo)釋放導(dǎo)致甲醛、VOC等化學(xué)污染嚴(yán)重[1-2]；另一方面，室外霧霾頻發(fā)，顆粒物的外源輸入及室內(nèi)烹飪、吸煙等人員活動(dòng)直接導(dǎo)致室內(nèi)顆粒物濃度超標(biāo)。人們超過(guò)80%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響人們的身體健康、生活質(zhì)量和工作效率，保障室內(nèi)空氣質(zhì)量顯得尤為重要[2]。

針對(duì)建筑室內(nèi)污染物釋放和室外大氣污染物輸入問(wèn)題[2-3]，在建筑中安裝新風(fēng)凈化系統(tǒng)是典型的解決措施之一，在民用建筑集中空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。住宅新風(fēng)系統(tǒng)近年來(lái)也逐漸進(jìn)入人們的視野，成為居住建筑獲取潔凈空氣的重要手段[5]。

傳統(tǒng)民用建筑空調(diào)系統(tǒng)一般不考慮安裝中效及以上級(jí)別過(guò)濾器，導(dǎo)致霧霾天氣下室內(nèi)PM2.5濃度嚴(yán)重超標(biāo)。為了獲得高品質(zhì)新風(fēng)，有效去除顆粒物，一般考慮在風(fēng)機(jī)段后直接加裝中效過(guò)濾器或/和高效過(guò)濾器，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)空氣過(guò)濾模式

但是，由于室外空氣中PM2.5的濃度并不是定值，而且變化非常大，這樣就存在有時(shí)候不需要過(guò)濾，有時(shí)候需要中效過(guò)濾，有時(shí)候需要高效過(guò)濾的情況，而圖1中系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于粗效、中效、高效過(guò)濾狀態(tài)下運(yùn)行，造成了系統(tǒng)運(yùn)行能耗增加。

基于上述問(wèn)題，本文提出一種高過(guò)濾效率、低運(yùn)行能耗的新風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于建筑新風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合自主開(kāi)發(fā)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)提出的控制邏輯和調(diào)控方案的工程應(yīng)用效果進(jìn)行分析驗(yàn)證，為建筑新風(fēng)系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行、推廣應(yīng)用提供參考。

1 高效節(jié)能新風(fēng)凈化系統(tǒng)調(diào)控策略

本文以上海市某辦公建筑會(huì)議室改造安裝的新風(fēng)系統(tǒng)為例，以顆粒物濃度為控制目標(biāo)研究一種高效節(jié)能新風(fēng)凈化系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控策略。

1.1 新風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

會(huì)議室長(zhǎng)、寬、高分別為6.5、4.0、2.3 m(凈高)，體積為59.8 m3，約可容納20人。

按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)建筑最小新風(fēng)量的規(guī)定[6]，根據(jù)建筑物用途、人員密度及使用人數(shù)，確定空間所需最小新風(fēng)量或最小換氣次數(shù)，綜合考慮使用目的選擇新風(fēng)機(jī)類(lèi)型。確定新風(fēng)量后，根據(jù)室外污染情況、室內(nèi)濃度控制目標(biāo)、建筑氣密性等參數(shù)，計(jì)算確定過(guò)濾器等級(jí)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)于僅對(duì)新風(fēng)采用凈化手段的空調(diào)系統(tǒng)，建筑室內(nèi)顆粒物濃度按下式計(jì)算[7-8]：

(1)

式中Ci為室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度，μg/m3；t為時(shí)間，h；G為室內(nèi)源強(qiáng)，μg/h；V為建筑體積，m3；α1為滲透風(fēng)換氣次數(shù)，h-1；p1為穿透系數(shù)；Co為室外顆粒物質(zhì)量濃度，μg/m3；αo為新風(fēng)換氣次數(shù)，h-1；po為新風(fēng)凈化設(shè)備當(dāng)量穿透率，po=1-η，η為新風(fēng)凈化設(shè)備過(guò)濾效率。

對(duì)于新風(fēng)凈化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)固定的辦公建筑等建筑，室內(nèi)污染物濃度相對(duì)穩(wěn)定，即dCi/dt=0，則所需新風(fēng)凈化設(shè)備過(guò)濾效率為

(2)

式中Ct為室內(nèi)顆粒物控制目標(biāo)質(zhì)量濃度，μg/m3。

會(huì)議室基本設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如表1所示。會(huì)議室內(nèi)無(wú)打印機(jī)等設(shè)備，只考慮人員活動(dòng)帶來(lái)的污染。采用2臺(tái)TSI 8530型顆粒物測(cè)試儀測(cè)得室內(nèi)外PM2.5濃度比值為0.61～0.71，本文取穿透系數(shù)為0.7；采用INNOVA 1303多通道采樣儀，通過(guò)示蹤氣體衰減法測(cè)得室內(nèi)滲透風(fēng)換氣次數(shù)為0.21 h-1。

表1 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

經(jīng)計(jì)算房間所需最小新風(fēng)量Q=12 m3/(人·h)×20人=240 m3/h，選定的送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍為250～800 m3/h，機(jī)外余壓為120 Pa，電動(dòng)機(jī)功率約0.55 kW。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》中空氣質(zhì)量指數(shù)類(lèi)別對(duì)應(yīng)室外PM2.5濃度限值[10]和上海市當(dāng)?shù)厥彝釶M2.5污染情況，將室外PM2.5設(shè)計(jì)計(jì)算濃度劃分為4個(gè)區(qū)間，計(jì)算得到不同污染情況下的過(guò)濾器效率和等級(jí)，如表2所示。

表2 不同污染情況下過(guò)濾器選型

1.2 高效節(jié)能新風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)在新風(fēng)系統(tǒng)中安裝獨(dú)立的旁通管段、中效過(guò)濾管段、高中效過(guò)濾管段，根據(jù)室外環(huán)境空氣質(zhì)量不同使新風(fēng)通過(guò)不同等級(jí)過(guò)濾裝置，再經(jīng)過(guò)溫濕度處理后送入室內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)新風(fēng)中PM2.5、PM10等顆粒物過(guò)濾的動(dòng)態(tài)控制。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，本文設(shè)計(jì)的新風(fēng)凈化系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過(guò)安裝旁通和獨(dú)立兩級(jí)過(guò)濾器的方式實(shí)現(xiàn)不同室外污染情況下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行，同時(shí)預(yù)留過(guò)濾段以應(yīng)對(duì)其他污染情況。在空氣質(zhì)量為優(yōu)時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)閥1、2，使室外空氣經(jīng)過(guò)旁通A、B直接送入室內(nèi)；在空氣質(zhì)量為良時(shí)，關(guān)閉風(fēng)閥1、開(kāi)啟風(fēng)閥2，使室外空氣經(jīng)過(guò)M5等級(jí)過(guò)濾器和旁通B后送入室內(nèi)；在空氣質(zhì)量為中輕度污染時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)閥1、關(guān)閉風(fēng)閥2，使室外空氣經(jīng)過(guò)旁通A和F7等級(jí)過(guò)濾器后送入室內(nèi)；在空氣質(zhì)量為重度污染時(shí)，關(guān)閉風(fēng)閥1、2，使室外空氣依次通過(guò)M5等級(jí)和F7等級(jí)雙重過(guò)濾器后送入室內(nèi)。這種動(dòng)態(tài)運(yùn)行方式在保障送風(fēng)潔凈度的同時(shí)，降低了新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。該技術(shù)已獲得專(zhuān)利授權(quán)(專(zhuān)利號(hào)：201420735987.7)。

注：①～④為氣流方向。圖2 高過(guò)濾效率、低運(yùn)行能耗新風(fēng)凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

根據(jù)高過(guò)濾效率、低運(yùn)行能耗新風(fēng)凈化系統(tǒng)調(diào)控策略，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況搭建監(jiān)控系統(tǒng)空調(diào)箱，外觀如圖3所示，新風(fēng)進(jìn)風(fēng)口位于辦公樓西側(cè)，通風(fēng)良好。室外大氣中顆粒物濃度是隨機(jī)波動(dòng)的，為實(shí)現(xiàn)新風(fēng)凈化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，在新風(fēng)進(jìn)風(fēng)段設(shè)計(jì)安裝PM2.5傳感器，根據(jù)室外進(jìn)風(fēng)PM2.5濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)運(yùn)行相應(yīng)的凈化方案，安裝位置如圖3所示；同時(shí)在排風(fēng)口安裝傳感器觀測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量控制效果，安裝位置如圖2所示。綜合考慮傳感器性能和價(jià)格因素，選購(gòu)市場(chǎng)上常見(jiàn)的光散射法PM2.5傳感器(文獻(xiàn)[11-12]所測(cè)D型)，安裝前對(duì)其進(jìn)行校正，測(cè)試誤差在±5%讀數(shù)或±10 μg/m3以?xún)?nèi)。

圖3 空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)空調(diào)箱

通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與新風(fēng)控制系統(tǒng)的集成，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4所示。該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示和查看、風(fēng)機(jī)和過(guò)濾裝置運(yùn)行狀態(tài)控制等功能。監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖4a所示，室外空氣進(jìn)入系統(tǒng)后，可根據(jù)室外新風(fēng)的PM2.5濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)閥門(mén)的啟閉，選擇相應(yīng)的新風(fēng)過(guò)濾組合，根據(jù)室內(nèi)污染物濃度調(diào)節(jié)新風(fēng)量。設(shè)備控制面板如圖4b所示，可以對(duì)過(guò)濾模式和送風(fēng)、排風(fēng)的風(fēng)速進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)。

圖4 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)界面

3 建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

3.1 室內(nèi)顆粒物控制效果

在系統(tǒng)運(yùn)行期間對(duì)會(huì)議室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表3。分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：在監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)啟期間，大部分時(shí)間段室內(nèi)PM2.5日均質(zhì)量濃度在35 μg/m3以下；除去特殊情況下的數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)計(jì)算值偏差在30%左右。

表3 新風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)啟后室內(nèi)PM2.5濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由表3還可以看出，在部分時(shí)間段，室內(nèi)PM2.5實(shí)測(cè)濃度高于計(jì)算濃度，分析發(fā)現(xiàn)可能的原因?yàn)椋?) 11月14日和11月16日室內(nèi)PM2.5濃度偏高是由于調(diào)試過(guò)程中頻繁開(kāi)關(guān)新風(fēng)機(jī)組機(jī)門(mén)導(dǎo)致新風(fēng)機(jī)組密封性變差，部分室外空氣未經(jīng)過(guò)過(guò)濾模塊直接進(jìn)入送風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致室內(nèi)濃度偏高；2) 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮吸煙、打印等室內(nèi)污染源，在12月6日，由于室內(nèi)人員吸煙和開(kāi)窗行為，導(dǎo)致室內(nèi)PM2.5濃度急速升高，該新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)量不足以?xún)艋鼰煯a(chǎn)生的顆粒物而出現(xiàn)超標(biāo)。

3.2 運(yùn)行成本分析

根據(jù)上海市2016年度室外大氣PM2.5濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到在額定風(fēng)量下，過(guò)濾器在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模式下運(yùn)行比在傳統(tǒng)靜態(tài)模式下運(yùn)行節(jié)能約73%，見(jiàn)表4。

表4 上海市2016年度室外PM2.5濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及過(guò)濾器能耗對(duì)比

在系統(tǒng)運(yùn)行期間，測(cè)試了新風(fēng)通過(guò)不同過(guò)濾裝置時(shí)系統(tǒng)的耗功率與新風(fēng)量，計(jì)算得到了系統(tǒng)在不同過(guò)濾裝置運(yùn)行模式下的單位風(fēng)量耗功率，如表5所示。

表5 新風(fēng)系統(tǒng)不同過(guò)濾模式下單位風(fēng)量耗功率/電費(fèi)

按上海市一般工商業(yè)用電價(jià)格，夏季工作時(shí)段電價(jià)按0.925元/(kW·h)計(jì)，非夏季工作時(shí)段電價(jià)按0.894元/(kW·h)計(jì)，假設(shè)系統(tǒng)每天運(yùn)行9 h，則根據(jù)上海市2016年度室外大氣PM2.5濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4)，計(jì)算得到動(dòng)態(tài)調(diào)控下系統(tǒng)全年單位風(fēng)量的電費(fèi)為2.78元，如表5所示，系統(tǒng)在240 m3/h設(shè)計(jì)風(fēng)量下運(yùn)行全年電費(fèi)為667.2元。

不考慮動(dòng)態(tài)調(diào)控的新風(fēng)系統(tǒng)，為滿(mǎn)足不保證5 d達(dá)標(biāo)的設(shè)計(jì)要求[8]，則送風(fēng)系統(tǒng)全年在M5+F7過(guò)濾器通道運(yùn)行。此時(shí)，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)風(fēng)量下運(yùn)行一年需要電費(fèi)為696元。與可隨室外污染情況自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)濾模式的調(diào)控系統(tǒng)相比，全年增加電費(fèi)約28.8元。對(duì)整棟公共建筑而言，新風(fēng)量可達(dá)到105～106m3/h量級(jí)，動(dòng)態(tài)調(diào)控新風(fēng)系統(tǒng)每年節(jié)約的電費(fèi)將非?？捎^。

4 結(jié)論

1) 開(kāi)發(fā)的高過(guò)濾效率、低運(yùn)行能耗新風(fēng)凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，室內(nèi)PM2.5濃度基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且新風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)控運(yùn)行模式減少了系統(tǒng)運(yùn)行能耗，表明提出的高過(guò)濾效率、低運(yùn)行能耗調(diào)控策略是有效可行的，這為新風(fēng)凈化系統(tǒng)的高效節(jié)能運(yùn)行、推廣應(yīng)用提供了工程經(jīng)驗(yàn)。

2) 從實(shí)測(cè)效果看，系統(tǒng)漏風(fēng)和室內(nèi)吸煙等行為會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)實(shí)測(cè)濃度與計(jì)算濃度偏差較大甚至高于設(shè)計(jì)值的情況。從系統(tǒng)角度，保證新風(fēng)機(jī)組箱體的密封性及運(yùn)維期間的定期維護(hù)是十分必要的。從建筑運(yùn)維角度，人員行為控制是十分重要的。

3) 相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，該新風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)備體積會(huì)增大，一方面設(shè)計(jì)中需要考慮此問(wèn)題，另一方面如何充分利用這部分增大的體積是未來(lái)的研究工作之一。