一種新風凈化系統高效節能調控技術與實踐*

上海市建科集團股份有限公司 徐海霞 江 燕 李景廣

0 引言

近年來，我國建筑室內空氣污染問題越發突出，已經成為全社會廣泛關注的熱點。一方面，室內各種裝飾裝修材料、家具、日用品等揮發性有機污染物的超標釋放導致甲醛、VOC等化學污染嚴重[1-2]；另一方面，室外霧霾頻發，顆粒物的外源輸入及室內烹飪、吸煙等人員活動直接導致室內顆粒物濃度超標。人們超過80%的時間是在室內度過的，室內空氣質量的好壞直接影響人們的身體健康、生活質量和工作效率，保障室內空氣質量顯得尤為重要[2]。

針對建筑室內污染物釋放和室外大氣污染物輸入問題[2-3]，在建筑中安裝新風凈化系統是典型的解決措施之一，在民用建筑集中空調系統中得到了廣泛應用[4]。住宅新風系統近年來也逐漸進入人們的視野，成為居住建筑獲取潔凈空氣的重要手段[5]。

傳統民用建筑空調系統一般不考慮安裝中效及以上級別過濾器，導致霧霾天氣下室內PM2.5濃度嚴重超標。為了獲得高品質新風，有效去除顆粒物，一般考慮在風機段后直接加裝中效過濾器或/和高效過濾器，如圖1所示。

圖1 傳統空調系統空氣過濾模式

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，這樣就存在有時候不需要過濾，有時候需要中效過濾，有時候需要高效過濾的情況，而圖1中系統長時間處于粗效、中效、高效過濾狀態下運行，造成了系統運行能耗增加。

基于上述問題，本文提出一種高過濾效率、低運行能耗的新風凈化系統設計方法，并將其應用于建筑新風系統，同時結合自主開發的室內空氣質量監控系統，對提出的控制邏輯和調控方案的工程應用效果進行分析驗證，為建筑新風系統高效節能運行、推廣應用提供參考。

1 高效節能新風凈化系統調控策略

本文以上海市某辦公建筑會議室改造安裝的新風系統為例，以顆粒物濃度為控制目標研究一種高效節能新風凈化系統的運行調控策略。

1.1 新風凈化系統設計

會議室長、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《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中對建筑最小新風量的規定[6]，根據建筑物用途、人員密度及使用人數，確定空間所需最小新風量或最小換氣次數，綜合考慮使用目的選擇新風機類型。確定新風量后，根據室外污染情況、室內濃度控制目標、建筑氣密性等參數，計算確定過濾器等級。

根據質量守恒定律，對于僅對新風采用凈化手段的空調系統，建筑室內顆粒物濃度按下式計算[7-8]：

(1)

式中Ci為室內顆粒物質量濃度，μg/m3；t為時間，h；G為室內源強，μg/h；V為建筑體積，m3；α1為滲透風換氣次數，h-1；p1為穿透系數；Co為室外顆粒物質量濃度，μg/m3；αo為新風換氣次數，h-1；po為新風凈化設備當量穿透率，po=1-η，η為新風凈化設備過濾效率。

對于新風凈化系統運行狀態固定的辦公建筑等建筑，室內污染物濃度相對穩定，即dCi/dt=0，則所需新風凈化設備過濾效率為

(2)

式中Ct為室內顆粒物控制目標質量濃度，μg/m3。

會議室基本設計計算參數如表1所示。會議室內無打印機等設備，只考慮人員活動帶來的污染。采用2臺TSI 8530型顆粒物測試儀測得室內外PM2.5濃度比值為0.61～0.71，本文取穿透系數為0.7；采用INNOVA 1303多通道采樣儀，通過示蹤氣體衰減法測得室內滲透風換氣次數為0.21 h-1。

表1 設計計算參數

經計算房間所需最小新風量Q=12 m3/(人·h)×20人=240 m3/h，選定的送風機和排風機風量范圍為250～800 m3/h，機外余壓為120 Pa，電動機功率約0.55 kW。根據標準HJ 633—2012《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》中空氣質量指數類別對應室外PM2.5濃度限值[10]和上海市當地室外PM2.5污染情況，將室外PM2.5設計計算濃度劃分為4個區間，計算得到不同污染情況下的過濾器效率和等級，如表2所示。

表2 不同污染情況下過濾器選型

1.2 高效節能新風凈化系統設計

通過在新風系統中安裝獨立的旁通管段、中效過濾管段、高中效過濾管段，根據室外環境空氣質量不同使新風通過不同等級過濾裝置，再經過溫濕度處理后送入室內，從而實現新風中PM2.5、PM10等顆粒物過濾的動態控制。

根據現場工況，本文設計的新風凈化系統控制結構如圖2所示，通過安裝旁通和獨立兩級過濾器的方式實現不同室外污染情況下的動態運行，同時預留過濾段以應對其他污染情況。在空氣質量為優時，開啟風閥1、2，使室外空氣經過旁通A、B直接送入室內；在空氣質量為良時，關閉風閥1、開啟風閥2，使室外空氣經過M5等級過濾器和旁通B后送入室內；在空氣質量為中輕度污染時，開啟風閥1、關閉風閥2，使室外空氣經過旁通A和F7等級過濾器后送入室內；在空氣質量為重度污染時，關閉風閥1、2，使室外空氣依次通過M5等級和F7等級雙重過濾器后送入室內。這種動態運行方式在保障送風潔凈度的同時，降低了新風系統運行能耗。該技術已獲得專利授權(專利號：201420735987.7)。

注：①～④為氣流方向。圖2 高過濾效率、低運行能耗新風凈化系統結構

2 室內空氣質量監控系統開發

根據高過濾效率、低運行能耗新風凈化系統調控策略，結合現場工況搭建監控系統空調箱，外觀如圖3所示，新風進風口位于辦公樓西側，通風良好。室外大氣中顆粒物濃度是隨機波動的，為實現新風凈化系統的實時反饋調節，在新風進風段設計安裝PM2.5傳感器，根據室外進風PM2.5濃度連續監測數據，調節運行相應的凈化方案，安裝位置如圖3所示；同時在排風口安裝傳感器觀測室內空氣質量控制效果，安裝位置如圖2所示。綜合考慮傳感器性能和價格因素，選購市場上常見的光散射法PM2.5傳感器(文獻[11-12]所測D型)，安裝前對其進行校正，測試誤差在±5%讀數或±10 μg/m3以內。

圖3 空氣質量監控系統空調箱

通過傳感器監測系統與新風控制系統的集成，建立了基于物聯網技術的空氣質量監控平臺，監控系統界面如圖4所示。該平臺可以實現空氣質量監測數據的顯示和查看、風機和過濾裝置運行狀態控制等功能。監控系統的運行界面如圖4a所示，室外空氣進入系統后，可根據室外新風的PM2.5濃度監測數據調節閥門的啟閉，選擇相應的新風過濾組合，根據室內污染物濃度調節新風量。設備控制面板如圖4b所示，可以對過濾模式和送風、排風的風速進行手動調節和自動反饋調節。

圖4 室內環境監控系統界面

3 建筑室內空氣質量監控系統運行效果分析

3.1 室內顆粒物控制效果

在系統運行期間對會議室內空氣質量監測數據進行了記錄，部分數據見表3。分析監測數據可以看出：在監控系統開啟期間，大部分時間段室內PM2.5日均質量濃度在35 μg/m3以下；除去特殊情況下的數據，實測值與設計計算值偏差在30%左右。

表3 新風系統開啟后室內PM2.5濃度監測數據

由表3還可以看出，在部分時間段，室內PM2.5實測濃度高于計算濃度，分析發現可能的原因為：1) 11月14日和11月16日室內PM2.5濃度偏高是由于調試過程中頻繁開關新風機組機門導致新風機組密封性變差，部分室外空氣未經過過濾模塊直接進入送風系統，導致室內濃度偏高；2) 該系統設計時未考慮吸煙、打印等室內污染源，在12月6日，由于室內人員吸煙和開窗行為，導致室內PM2.5濃度急速升高，該新風系統的新風量不足以凈化吸煙產生的顆粒物而出現超標。

3.2 運行成本分析

根據上海市2016年度室外大氣PM2.5濃度監測數據，計算得到在額定風量下，過濾器在動態調節模式下運行比在傳統靜態模式下運行節能約73%，見表4。

表4 上海市2016年度室外PM2.5濃度監測數據及過濾器能耗對比

在系統運行期間，測試了新風通過不同過濾裝置時系統的耗功率與新風量，計算得到了系統在不同過濾裝置運行模式下的單位風量耗功率，如表5所示。

表5 新風系統不同過濾模式下單位風量耗功率/電費

按上海市一般工商業用電價格，夏季工作時段電價按0.925元/(kW·h)計，非夏季工作時段電價按0.894元/(kW·h)計，假設系統每天運行9 h，則根據上海市2016年度室外大氣PM2.5濃度監測數據(見表4)，計算得到動態調控下系統全年單位風量的電費為2.78元，如表5所示，系統在240 m3/h設計風量下運行全年電費為667.2元。

不考慮動態調控的新風系統，為滿足不保證5 d達標的設計要求[8]，則送風系統全年在M5+F7過濾器通道運行。此時，系統在設計風量下運行一年需要電費為696元。與可隨室外污染情況自動調節過濾模式的調控系統相比，全年增加電費約28.8元。對整棟公共建筑而言，新風量可達到105～106m3/h量級，動態調控新風系統每年節約的電費將非常可觀。

4 結論

1) 開發的高過濾效率、低運行能耗新風凈化系統運行效果良好，室內PM2.5濃度基本滿足設計要求，且新風系統動態調控運行模式減少了系統運行能耗，表明提出的高過濾效率、低運行能耗調控策略是有效可行的，這為新風凈化系統的高效節能運行、推廣應用提供了工程經驗。

2) 從實測效果看，系統漏風和室內吸煙等行為會導致室內實測濃度與計算濃度偏差較大甚至高于設計值的情況。從系統角度，保證新風機組箱體的密封性及運維期間的定期維護是十分必要的。從建筑運維角度，人員行為控制是十分重要的。

3) 相比傳統系統，該新風凈化系統設備體積會增大，一方面設計中需要考慮此問題，另一方面如何充分利用這部分增大的體積是未來的研究工作之一。