復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)理論模型的構建與性能研究

石峰豪 張紅 陳蘇坤 馮成 王宇飛 黃昊

[摘? 要]：文章構建了復合型內外循環(huán)空氣凈化的理論模型，應用模型對影響復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的因素進行了分析，結果表明復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率隨著一次凈化效率、風量、運行時間的變大而增高，隨著建筑物換氣次數(shù)、房間體積的增加而降低。為了達到更好的PM2.5凈化效果，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)不宜追求過高的風量;盡量選用具有較高的一次凈化效率濾芯;采用間歇運行的策略;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)。

[關鍵詞]：復合型內外循環(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，隨著社會產業(yè)結構的升級和生活質量不斷提高，人們在室內工作或生活的時間也越來越長[1]。因此，提高室內空氣品質勢在必行。

源頭控制，通風稀釋和空氣凈化是室內污染物重要的控制方式[2]。通風稀釋主要是通過新風凈化機向室內引入室外新鮮空氣來改善室內空氣品質，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、活性炭吸附等多種技術綜合運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，達到提升室內空氣質量的目的，也稱為內循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)[3]。空氣凈化器針對性強，空氣凈化的效果通常比較明顯，受到了廣大消費者的青睞[4]。但空氣凈化器基于內循環(huán)凈化的機理并不能有效去除室內所有的空氣污染物，例如，空氣凈化器對CO2幾乎沒有任何去除作用[5]。與此同時，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，使室內空氣質量達到人們健康的要求，僅僅依靠空氣凈化器等內循環(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，具有內外循環(huán)2種空氣凈化功能的新型室內空氣凈化系統(tǒng)，也逐漸成為了學者們研究的焦點。

目前針對空氣凈化器和新風凈化機的凈化理論研究比較成熟，但是目前對于這種復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的凈化理論研究還比較匱乏。因此，本文構建了復合型內、外循環(huán)空氣凈化的理論模型，并分析了風量、一次通過效率、運行時間、房間體積以及建筑物換氣次數(shù)等因素對復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)PM2.5凈化能力的影響，為今后相關產品的研發(fā)以及標準的完善提供參考。

1 理論模型的構建

圖1顯示了復合型空氣凈化系統(tǒng)在運行的時候，空氣污染物的質量傳遞過程。可以看到，新風凈化機和空氣凈化器協(xié)同作用，形成空氣凈化的內外雙循環(huán)。與此同時，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和室外通過自然通風等形式進行質量交換。

根據(jù)圖1以及質量守恒定律可以得到，空氣污染物在質量傳遞過程中應滿足方程（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)對目標污染物在時間t時的凈化效果，如式（2）所示[7]。

R=（1-C1C0）×100%（2）

通過對式（1）和式（2）進行計算，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)在未運行前的室內污染物濃度，μg·m-3;Ct為空氣凈化系統(tǒng)運行t時刻時的室內污染物濃度，μg·m-3;Cout為室外污染物濃度，μg·m-3;E′為室內污染源的產生速率，μg·h-1;PP為污染物由室外進入到室內的穿透系數(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為新風凈化機風量，m3·h-1;Qn為空氣凈化器風量，m3·h-1;ηm為新風凈化機的一次凈化效率;ηn為空氣凈化器的一次凈化效率;Edm為新風凈化機氣流短路系數(shù);Edn為空氣凈化器氣流短路系數(shù);t為空氣凈化系統(tǒng)運行時間，h。

將PM2.5作為室內空氣的目標污染物，參照GB /T 18801-2015《空氣凈化器》[8]附錄 F對式（3）的相關參數(shù)進行取值：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 復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能分析

3.1 風量

作為空氣凈化系統(tǒng)重要參數(shù)，風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，式（3）中取Qm=0和Qn= 0，令t取+∞，Cout = 300 μg·m-3，可計算得到C0=180 μg·m-3。

建筑論壇與建筑設計石峰豪， 張紅， 陳蘇坤， 等： 復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)理論模型的構建與性能研究另外，為便于進行計算，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進行計算，辦公室人數(shù)為3人。根據(jù)相關設計標準[9]的規(guī)定：辦公室的最小新風量為30 m3/（h·人）。根據(jù)相關研究[10]，在影響因素相同的條件下，新風凈化機對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的要求，令Qm=90 m3·h-1，也即外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的風量為90 m3·h-1保持不變，在這種情況下，研究風量對復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計算得到的結果如圖2所示。

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

與此同時，復合型內外循環(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合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計算得到的結果如圖3所示。（注：新風凈化機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，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內PM2.5的去除效率也不斷增大。當一次凈化效率達到最高值時，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率也達到極值，為87. 8%。與此同時，隨著一次凈化效率的提高，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內PM2.5去除率的增長速率逐漸降低。

另一方面，當一次凈化效率低于15%的時候，復合型內外循環(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量的要求，因此復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的新風凈化機需要將室外的空氣進行過濾凈化后再送入室內，雖然有空氣凈化器在同時進行室內空氣的凈化，但是當一次凈化效率過低時，經新風凈化機凈化后的室外空氣中的PM2.5濃度仍然會高于室內，所以將會導致室內空氣PM2.5濃度升高，從而會產生復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率為負值情況。

根據(jù)上述分析，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)在實際應用時，應當嚴格控制新風凈化機和空氣凈化器的一次凈化效率不能過低，實際運行時，要及時對濾芯進行更換或清洗。

3.3 運行時間

在全球能源危機越來越嚴峻的情況下，對建筑用能設備合理有效的運維管理是十分有必要的。運行時間的長短不僅會影響到空氣凈化系統(tǒng)的運行能耗，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，研究運行時間對復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計算得到結果如圖4所示。

根據(jù)圖4可以看出，當運行時間在不斷的增加，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內PM2.5的去除率也在不斷升高，當運行時間為1 h時，空氣凈化系統(tǒng)對的PM2.5去除率為82.3%。與此同時，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5去除率的增長速度隨著運行時間的增加而不斷降低，運行時間在達到0.5 h時，PM2.5去除率慢慢趨于穩(wěn)定。這樣表明，空氣凈化系統(tǒng)在實際生活中，可采用間歇運行的策略，這樣一方面可以達到較為健康舒適的環(huán)境，另一方面，空氣凈化系統(tǒng)的運行能耗也得到了進一步的降低，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，研究房間體積對復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計算得到結果如圖5所示。

根據(jù)圖5可以看出，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內PM2.5的去除率隨著房間體積的增加不斷降低。根據(jù)計算結果，當房間體積在0～45 m3時，復合型內外循環(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，復合型內外循環(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：復合型內外循環(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)應比北方高，設計標準為1.0 h-1。因此，在模型計算時，kV在0～1. 0 h-1的范圍內進行取值。在式（4）中，其他相關參數(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)對復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)的性能影響，模型所計算得到結果如圖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，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內PM2.5的去除率基本上呈現(xiàn)出線性減小的趨勢。根據(jù)計算結果，可以看出，當換氣次數(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，當房間氣密性越差，其換氣次數(shù)也越大，從而會導致室外PM2.5向室內的滲透量增加，在復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)型號以及運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)實際運行的過程中，要嚴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 結論

通過對復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)理論模型的構建與性能分析，可以得到結論：

（1）復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對PM2.5的去除率隨著一次凈化效率、風量、運行時間的變大而增高，隨著建筑物換氣次數(shù)、房間體積的增加而降低。

（2）復合型內外循環(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、風量、運行時間的變大不斷變小。復合型內外循環(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。復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)對室內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）復合型內外循環(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，為負值。凈化系統(tǒng)在實際運行時，應當嚴格控制新風凈化機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）為了達到更好的PM2.5凈化效果，復合型內外循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)不宜追求過高的風量;盡量選用具有較高的一次凈化效率濾芯;采用間歇運行的策略;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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