復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)理論模型的構(gòu)建與性能研究

石峰豪 張紅 陳蘇坤 馮成 王宇飛 黃昊

[摘? 要]：文章構(gòu)建了復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化的理論模型，應(yīng)用模型對影響復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率隨著一次凈化效率、風(fēng)量、運(yùn)行時(shí)間的變大而增高，隨著建筑物換氣次數(shù)、房間體積的增加而降低。為了達(dá)到更好的PM2.5凈化效果，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)不宜追求過高的風(fēng)量;盡量選用具有較高的一次凈化效率濾芯;采用間歇運(yùn)行的策略;凈化系統(tǒng)的選型要與房間體積的大小相適配;在滿足健康衛(wèi)生等要求的情況下，降低建筑物的換氣次數(shù)。

[關(guān)鍵詞]：復(fù)合型內(nèi)外循環(huán); 空氣凈化系統(tǒng); 理論模型; PM2.5去除率

TU834.8A

近年來，具有全球性影響的環(huán)境問題，特別是大氣污染，對人們的身體造成較大的威脅。與此同時(shí)，隨著社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級和生活質(zhì)量不斷提高，人們在室內(nèi)工作或生活的時(shí)間也越來越長[1]。因此，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)勢在必行。

源頭控制，通風(fēng)稀釋和空氣凈化是室內(nèi)污染物重要的控制方式[2]。通風(fēng)稀釋主要是通過新風(fēng)凈化機(jī)向室內(nèi)引入室外新鮮空氣來改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，也稱為外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng);空氣凈化主要是由空氣凈化器通過HEPA高效過濾、催化技術(shù)、活性炭吸附等多種技術(shù)綜合運(yùn)用來濾除空氣中有害的顆粒物，并殺死滅活空氣中有害微生物，達(dá)到提升室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的，也稱為內(nèi)循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)[3]。空氣凈化器針對性強(qiáng)，空氣凈化的效果通常比較明顯，受到了廣大消費(fèi)者的青睞[4]。但空氣凈化器基于內(nèi)循環(huán)凈化的機(jī)理并不能有效去除室內(nèi)所有的空氣污染物，例如，空氣凈化器對CO2幾乎沒有任何去除作用[5]。與此同時(shí)，隨著新冠疫情的爆發(fā)，為了降低傳播以及感染病毒的概率，使室內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)到人們健康的要求，僅僅依靠空氣凈化器等內(nèi)循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)還不能夠去除污染物，還需要依靠新風(fēng)系統(tǒng)等外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)才能滿足要求[6]。因此，具有內(nèi)外循環(huán)2種空氣凈化功能的新型室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)，也逐漸成為了學(xué)者們研究的焦點(diǎn)。

目前針對空氣凈化器和新風(fēng)凈化機(jī)的凈化理論研究比較成熟，但是目前對于這種復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的凈化理論研究還比較匱乏。因此，本文構(gòu)建了復(fù)合型內(nèi)、外循環(huán)空氣凈化的理論模型，并分析了風(fēng)量、一次通過效率、運(yùn)行時(shí)間、房間體積以及建筑物換氣次數(shù)等因素對復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)PM2.5凈化能力的影響，為今后相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)以及標(biāo)準(zhǔn)的完善提供參考。

1 理論模型的構(gòu)建

圖1顯示了復(fù)合型空氣凈化系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候，空氣污染物的質(zhì)量傳遞過程。可以看到，新風(fēng)凈化機(jī)和空氣凈化器協(xié)同作用，形成空氣凈化的內(nèi)外雙循環(huán)。與此同時(shí)，由于建筑物的氣密性通常較差，所以會有一部分污染物在室內(nèi)和室外通過自然通風(fēng)等形式進(jìn)行質(zhì)量交換。

根據(jù)圖1以及質(zhì)量守恒定律可以得到，空氣污染物在質(zhì)量傳遞過程中應(yīng)滿足方程（1）：

VdC=kVV（PPCout-C）dt+（E′-k0VC+

QmEdmCout（1-ηm）-QmEdmC-QnηnEdnC）dt（1）

“去除率”表征的是空氣凈化系統(tǒng)對目標(biāo)污染物在時(shí)間t時(shí)的凈化效果，如式（2）所示[7]。

R=（1-C1C0）×100%（2）

通過對式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算，可以得到式（3）：

R=1-kVPPCoutV+E'+QmEdmCout（1-ηm）（kVV+k0V+QmEdm+QnηnEdn）C0-1-kVPPCoutV+E'+QmEdmCout（1-ηm）（kVV+k0V+QmEdm+QnηnEdn）C0

×e-kVV+k0V+QmEdm+QnηnEdnVt （3）

式中：R為污染物去除效率;C0為空氣凈化系統(tǒng)在未運(yùn)行前的室內(nèi)污染物濃度，μg·m-3;Ct為空氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行t時(shí)刻時(shí)的室內(nèi)污染物濃度，μg·m-3;Cout為室外污染物濃度，μg·m-3;E′為室內(nèi)污染源的產(chǎn)生速率，μg·h-1;PP為污染物由室外進(jìn)入到室內(nèi)的穿透系數(shù);k0為污染物自然衰減率，h-1;kV為建筑物換氣次數(shù)，h-1;V為房間體積，m3;Qm為新風(fēng)凈化機(jī)風(fēng)量，m3·h-1;Qn為空氣凈化器風(fēng)量，m3·h-1;ηm為新風(fēng)凈化機(jī)的一次凈化效率;ηn為空氣凈化器的一次凈化效率;Edm為新風(fēng)凈化機(jī)氣流短路系數(shù);Edn為空氣凈化器氣流短路系數(shù);t為空氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，h。

將PM2.5作為室內(nèi)空氣的目標(biāo)污染物，參照GB /T 18801-2015《空氣凈化器》[8]附錄 F對式（3）的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行取值：k0= 0.2 h-1，E′ = 0，PP= 0.8，Edm=0.7，Edn=0.7，則式（3）可以簡化為式（4） ：

R=1-0.8kVCoutV+0.7QmCout（1-ηm）（kVV+0.2V+0.7Qm+0.7Qnηn）C0-1-0.8kVCoutV+0.7QmCout（1-ηm）（kVV+0.2V+0.7Qm+0.7Qnηn）C0×

e-kVV+0.2V+0.7Qm+0.7QnηnVt（4）

3 復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能分析

3.1 風(fēng)量

作為空氣凈化系統(tǒng)重要參數(shù)，風(fēng)量的大小將直接影響空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除性能。根據(jù)GB /T 18801-2015《空氣凈化器》[8]附錄F，式（4）中的相關(guān)參數(shù)具體取值：

kV= 0. 6 h-1，V=36 m3，ηm= 90%，ηn= 90%，t=1 h。與此同時(shí)，式（3）中取Qm=0和Qn= 0，令t取+∞，Cout = 300 μg·m-3，可計(jì)算得到C0=180 μg·m-3。

建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)石峰豪， 張紅， 陳蘇坤， 等： 復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)理論模型的構(gòu)建與性能研究另外，為便于進(jìn)行計(jì)算，所研究的建筑面積S=15 m2，建筑高度為h=2.4 m，按照人均辦公面積5 m2進(jìn)行計(jì)算，辦公室人數(shù)為3人。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]的規(guī)定：辦公室的最小新風(fēng)量為30 m3/（h·人）。根據(jù)相關(guān)研究[10]，在影響因素相同的條件下，新風(fēng)凈化機(jī)對PM2.5的去除率比空氣凈化器低。

由于需要滿足人員對于新風(fēng)的要求，令Qm=90 m3·h-1，也即外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的風(fēng)量為90 m3·h-1保持不變，在這種情況下，研究風(fēng)量對復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計(jì)算得到的結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，隨著空氣凈化器風(fēng)量的增大，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內(nèi)PM2.5的去除率不斷提高，在總風(fēng)量為1 000 m3·h-1時(shí)（外循環(huán)風(fēng)量為910 m3·h-1，內(nèi)循環(huán)風(fēng)量為90 m3·h-1），去除率達(dá)到了94.1%。

與此同時(shí)，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5去除率的增長速度隨著風(fēng)量的增大不斷變小。因此，在房間體積保持不變的情況下，過分追求高風(fēng)量，一方面對空氣凈化系統(tǒng)凈化性能的提升有限，另一方面，會帶來空氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行成本的升高以及噪聲增加等方面的問題。

3.2 一次凈化效率

根據(jù)GB /T 18801-2015《空氣凈化器》[8]附錄H對一次凈化效率的定義，一次凈化效率的大小主要由濾芯的等級決定，對空氣凈化系統(tǒng)PM2.5的去除性能具有直接的影響。在式（4）中，相關(guān)參數(shù)的取值如下所示：

kV= 0.6 h-1，V=36 m3，t=1 h，Qm=90 m3·h-1，Qn=210 m3·h-1，Cout = 300 μg·m-3，C0 = 180 μg·m-3。在這種情況下，研究一次凈化效率對復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計(jì)算得到的結(jié)果如圖3所示。（注：新風(fēng)凈化機(jī)和空氣凈化器采用同樣的濾芯）

根據(jù)圖3可以看出，隨著一次凈化效率的升高，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內(nèi)PM2.5的去除效率也不斷增大。當(dāng)一次凈化效率達(dá)到最高值時(shí)，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率也達(dá)到極值，為87. 8%。與此同時(shí)，隨著一次凈化效率的提高，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內(nèi)PM2.5去除率的增長速率逐漸降低。

另一方面，當(dāng)一次凈化效率低于15%的時(shí)候，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的PM2.5去除率將小于0，這是由于要滿足最小新風(fēng)量的要求，因此復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的新風(fēng)凈化機(jī)需要將室外的空氣進(jìn)行過濾凈化后再送入室內(nèi)，雖然有空氣凈化器在同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)空氣的凈化，但是當(dāng)一次凈化效率過低時(shí)，經(jīng)新風(fēng)凈化機(jī)凈化后的室外空氣中的PM2.5濃度仍然會高于室內(nèi)，所以將會導(dǎo)致室內(nèi)空氣PM2.5濃度升高，從而會產(chǎn)生復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率為負(fù)值情況。

根據(jù)上述分析，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制新風(fēng)凈化機(jī)和空氣凈化器的一次凈化效率不能過低，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，要及時(shí)對濾芯進(jìn)行更換或清洗。

3.3 運(yùn)行時(shí)間

在全球能源危機(jī)越來越嚴(yán)峻的情況下，對建筑用能設(shè)備合理有效的運(yùn)維管理是十分有必要的。運(yùn)行時(shí)間的長短不僅會影響到空氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，而且對空氣凈化系統(tǒng)的空氣凈化效果起著十分重要的作用。在式（4）中，相關(guān)參數(shù)的取值：

kV= 0.6 h-1，V= 36 m3，ηm= 90% ，ηn= 90% ，Qm= 90m3·h-1，Qn = 210 m3·h-1，Cout= 300 μg·m-3，C0 = 180 μg·m-3。在這種情況下，研究運(yùn)行時(shí)間對復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計(jì)算得到結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可以看出，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間在不斷的增加，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內(nèi)PM2.5的去除率也在不斷升高，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為1 h時(shí)，空氣凈化系統(tǒng)對的PM2.5去除率為82.3%。與此同時(shí)，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5去除率的增長速度隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而不斷降低，運(yùn)行時(shí)間在達(dá)到0.5 h時(shí)，PM2.5去除率慢慢趨于穩(wěn)定。這樣表明，空氣凈化系統(tǒng)在實(shí)際生活中，可采用間歇運(yùn)行的策略，這樣一方面可以達(dá)到較為健康舒適的環(huán)境，另一方面，空氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行能耗也得到了進(jìn)一步的降低，有利于建筑節(jié)能。

3.4 房間體積

房間體積對空氣凈化系統(tǒng)的凈化效果也起著十分重要的作用。在式（4）中，相關(guān)參數(shù)的取值：

kV= 0.6 h-1，ηm= 90% ，ηn= 90%，t= 1 h，Qm= 90 m3·h-1，Qn = 210 m3·h-1，Cout= 300 μg·m-3，C0=180 μg·m-3。在這種情況下，研究房間體積對復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計(jì)算得到結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可以看出，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內(nèi)PM2.5的去除率隨著房間體積的增加不斷降低。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)房間體積在0～45 m3時(shí)，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的PM2.5去除率基本上都維持在80%以上。與此同時(shí)，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5去除率的降低速率隨著房間體積的增加不斷變小。

通過上述分析，可以得出：復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的選型要與房間體積的大小相適配，否則將很難產(chǎn)生適宜的凈化效果。

3.5 建筑物換氣次數(shù)

建筑物的換氣次數(shù)是影響空氣凈化系統(tǒng)PM2.5去除性能的重要因素。根據(jù)GB /T 18801-2015《空氣凈化器》[8]附錄F：當(dāng)室外空氣污染物濃度過高，人們將門窗緊閉的情況下，換氣次數(shù)測試結(jié)果的范圍為0.05～0.57 h-1。由于氣候原因，我國南方的換氣次數(shù)應(yīng)比北方高，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1.0 h-1。因此，在模型計(jì)算時(shí)，kV在0～1. 0 h-1的范圍內(nèi)進(jìn)行取值。在式（4）中，其他相關(guān)參數(shù)的取值：

V = 36 m3，ηm= 90% ，ηn= 90%，t= 1 h，Qm=90 m3·h-1，Qn=210 m3·h-1，Cout =300 μg·m-3，C0= 180 μg·m-3。在這種情況下，研究建筑物換氣次數(shù)對復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計(jì)算得到結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6可以看出，隨著建筑物換氣次數(shù)的不斷增大，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內(nèi)PM2.5的去除率基本上呈現(xiàn)出線性減小的趨勢。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以看出，當(dāng)換氣次數(shù)從0.1 h-1升高到1.0 h-1的情況下，空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率從94.5%下降到75.4%。

這表明，當(dāng)房間氣密性越差，其換氣次數(shù)也越大，從而會導(dǎo)致室外PM2.5向室內(nèi)的滲透量增加，在復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)型號以及運(yùn)行方式不變的情況下，造成凈化系統(tǒng)對PM2.5去除率減小。因此，在空氣凈化系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的過程中，要嚴(yán)格控制房間的氣密性，避免因換氣次數(shù)過大影響空氣凈化系統(tǒng)的凈化效果。

4 結(jié)論

通過對復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)理論模型的構(gòu)建與性能分析，可以得到結(jié)論：

（1）復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率隨著一次凈化效率、風(fēng)量、運(yùn)行時(shí)間的變大而增高，隨著建筑物換氣次數(shù)、房間體積的增加而降低。

（2）復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5去除率的增加速率隨著一次凈化效率、風(fēng)量、運(yùn)行時(shí)間的變大不斷變小。復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5去除率的降低速率隨著房間體積的增大逐漸變小。復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內(nèi)PM2.5的去除率隨著建筑物換氣次數(shù)的增大基本上呈現(xiàn)出線性減小的趨勢。

（3）復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率在一次通過凈化效率低于15%時(shí)，為負(fù)值。凈化系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制新風(fēng)凈化機(jī)和空氣凈化器的一次通過凈化效率不能過低，并注意濾芯的更換或清洗。

（4）為了達(dá)到更好的PM2.5凈化效果，復(fù)合型內(nèi)外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)不宜追求過高的風(fēng)量;盡量選用具有較高的一次凈化效率濾芯;采用間歇運(yùn)行的策略;凈化系統(tǒng)的選型要與房間體積的大小相適配;在滿足健康衛(wèi)生等要求的條件下，降低建筑物的換氣次數(shù)。

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