住宅新風系統在北京地區的節能應用研究

徐昭煒 伍品 楊英霞 鄧高峰 金繼宗 王智超

1 中國建筑科學研究院

2 北京建筑節能與環境工程協會

為了更好地實現建筑節能，建筑外門窗氣密性的技術標準不斷提高。外窗氣密性等級達到《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PM2.5能突破鼻腔、深入肺部，甚至滲透進入血液，如果長期暴露在PM2.5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，引入新風時還需要考慮PM2.5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與通風能耗的關系，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）。

式中：N 為通風機總輸入功率，W；P 為風機全壓，Pa；Q為通風量，m3/h；η 為風機全壓效率，%。Pg為管網輸配阻力，Pa；Ps為通風裝置阻力，Pa；ζlw為空氣過濾器局部阻力系數；ζrjh為熱交換芯體局部阻力系數；νlw為空氣過濾器迎面風速，m/s；νrjh為熱交換芯體迎面風速，m/s；ρ 為空氣密度，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。空氣過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 級空氣過濾器的凈化效率，分別為20%、50%、75%、95%，具體如表1。

表1 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PM2.5的一次通過凈化效率越高、終阻力越大。空氣過濾器的終阻力越大，表明由此帶來通風能耗越大。

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236 m2，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如圖1。

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%）。因此，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。

表2 北京地區典型住宅新風系統的能耗構成比例

圖1 典型住宅標準層平面圖及新風系統示意圖

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PM2.5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PM2.5等于排出室外的PM2.5。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PM2.5濃度與凈化效率的關系如式3。

式中：Ls為通風量，m3/s；Yw為室外PM2.5濃度，mg/m3；η為通風裝置對PM2.5的一次通過凈化效率，%；Xn為室內散發的PM2.5，mg/s；Lp為排風量，m3/s；Yn為室內PM2.5濃度，mg/m3。

2.2 室內PM2.5濃度的影響因素

針對住宅建筑，室內散發的PM2.5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PM2.5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PM2.5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4 h（早1 h、中1 h、晚2 h），加權計算出24 h 住宅內平均約27.9%的PM2.5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 室外PM2.5濃度的天數分布（2014～2016 年）

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 凈化效率與室內保證率及通風能耗的關系

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4 種組合型式對應的凈化效率分別為20%、60%、80%、98%。依據PM2.5的濃度平衡模型、及2014～2016 年大氣PM2.5濃度的天數分布，考慮室內各因素對PM2.5濃度的影響，計算出室內PM2.5≤35 ug/m3和室內PM2.5≤75 ug/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100 Pa，全熱回收交換芯體的阻力35 Pa（顯熱回收交換芯體的阻力15 Pa，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370 Pa、530 Pa、570 Pa、770 Pa，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PM2.5的凈化效率為80%時，室內PM2.5的良好保證率約96.4%，單位體積通風能耗約0.396 W/(m3/h)。新風系統對PM2.5的凈化效率為98%時，室內PM2.5的優秀保證率約99.2%，單位體積通風能耗約0.535 W/(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GB50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》，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 月15 日至次年3 月15 日），臥室和起居室單位體積通風量的計算顯熱回收量為19397.4 Wh，計算全熱回收量為25965.5 Wh。夏季間歇空調期間（6 月1 日～8 月31 日），臥室單位體積通風量的計算顯熱回收量為43.6 Wh，計算全熱回收量為1056.2 Wh。起居室單位體積通風量的計算顯熱回收量為184.5 Wh，計算全熱回收量為1536.5 Wh，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0.2534 kgce/kWh，標煤熱值取29.307 MJ/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

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。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，PM2.5的凈化效率為80%時，室內PM2.5的良好保證率約96.4%，單位體積通風能耗約0.396 W/(m3/h)。PM2.5的凈化效率為98%時，室內PM2.5的優秀保證率約99.2%，單位體積通風能耗約0.535 W/(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，熱回收裝置的應用具有較好的節能效益。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。