复合型内外循环空气净化系统理论模型的构建与性能研究

石峰豪 张红 陈苏坤 冯成 王宇飞 黄昊

[摘  要]：文章构建了复合型内外循环空气净化的理论模型，应用模型对影响复合型内外循环空气净化系统的因素进行了分析，结果表明复合型内外循环空气净化系统对PM2.5的去除率随着一次净化效率、风量、运行时间的变大而增高，随着建筑物换气次数、房间体积的增加而降低。为了达到更好的PM2.5净化效果，复合型内外循环空气净化系统不宜追求过高的风量;尽量选用具有较高的一次净化效率滤芯;采用间歇运行的策略;净化系统的选型要与房间体积的大小相适配;在满足健康卫生等要求的情况下，降低建筑物的换气次数。

[关键词]：复合型内外循环; 空气净化系统; 理论模型; PM2.5去除率

TU834.8A

近年来，具有全球性影响的环境问题，特别是大气污染，對人们的身体造成较大的威胁。与此同时，随着社会产业结构的升级和生活质量不断提高，人们在室内工作或生活的时间也越来越长[1]。因此，提高室内空气品质势在必行。

源头控制，通风稀释和空气净化是室内污染物重要的控制方式[2]。通风稀释主要是通过新风净化机向室内引入室外新鲜空气来改善室内空气品质，也称为外循环空气净化系统;空气净化主要是由空气净化器通过HEPA高效过滤、催化技术、活性炭吸附等多种技术综合运用来滤除空气中有害的颗粒物，并杀死灭活空气中有害微生物，达到提升室内空气质量的目的，也称为内循环空气净化系统[3]。空气净化器针对性强，空气净化的效果通常比较明显，受到了广大消费者的青睐[4]。但空气净化器基于内循环净化的机理并不能有效去除室内所有的空气污染物，例如，空气净化器对CO2几乎没有任何去除作用[5]。与此同时，随着新冠疫情的爆发，为了降低传播以及感染病毒的概率，使室内空气质量达到人们健康的要求，仅仅依靠空气净化器等内循环空气净化系统还不能够去除污染物，还需要依靠新风系统等外循环空气净化系统才能满足要求[6]。因此，具有内外循环2种空气净化功能的新型室内空气净化系统，也逐渐成为了学者们研究的焦点。

目前针对空气净化器和新风净化机的净化理论研究比较成熟，但是目前对于这种复合型内外循环空气净化系统的净化理论研究还比较匮乏。因此，本文构建了复合型内、外循环空气净化的理论模型，并分析了风量、一次通过效率、运行时间、房间体积以及建筑物换气次数等因素对复合型内外循环空气净化系统PM2.5净化能力的影响，为今后相关产品的研发以及标准的完善提供参考。

1 理论模型的构建

图1显示了复合型空气净化系统在运行的时候，空气污染物的质量传递过程。可以看到，新风净化机和空气净化器协同作用，形成空气净化的内外双循环。与此同时，由于建筑物的气密性通常较差，所以会有一部分污染物在室内和室外通过自然通风等形式进行质量交换。

根据图1以及质量守恒定律可以得到，空气污染物在质量传递过程中应满足方程（1）：

VdC=kVV（PPCout-C）dt+（E′-k0VC+

QmEdmCout（1-ηm）-QmEdmC-QnηnEdnC）dt（1）

“去除率”表征的是空气净化系统对目标污染物在时间t时的净化效果，如式（2）所示[7]。

R=（1-C1C0）×100%（2）

通过对式（1）和式（2）进行计算，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为污染物去除效率;C0为空气净化系统在未运行前的室内污染物浓度，μg·m-3;Ct为空气净化系统运行t时刻时的室内污染物浓度，μg·m-3;Cout为室外污染物浓度，μg·m-3;E′为室内污染源的产生速率，μg·h-1;PP为污染物由室外进入到室内的穿透系数;k0为污染物自然衰减率，h-1;kV为建筑物换气次数，h-1;V为房间体积，m3;Qm为新风净化机风量，m3·h-1;Qn为空气净化器风量，m3·h-1;ηm为新风净化机的一次净化效率;ηn为空气净化器的一次净化效率;Edm为新风净化机气流短路系数;Edn为空气净化器气流短路系数;t为空气净化系统运行时间，h。

将PM2.5作为室内空气的目标污染物，参照GB /T 18801-2015《空气净化器》[8]附录 F对式（3）的相关参数进行取值：k0= 0.2 h-1，E′ = 0，PP= 0.8，Edm=0.7，Edn=0.7，则式（3）可以简化为式（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 复合型内外循环空气净化系统的性能分析

3.1 风量

作为空气净化系统重要参数，风量的大小将直接影响空气净化系统对PM2.5的去除性能。根据GB /T 18801-2015《空气净化器》[8]附录F，式（4）中的相关参数具体取值：

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

建筑论坛与建筑设计石峰豪， 张红， 陈苏坤， 等： 复合型内外循环空气净化系统理论模型的构建与性能研究另外，为便于进行计算，所研究的建筑面积S=15 m2，建筑高度为h=2.4 m，按照人均办公面积5 m2进行计算，办公室人数为3人。根据相关设计标准[9]的规定：办公室的最小新风量为30 m3/（h·人）。根据相关研究[10]，在影响因素相同的条件下，新风净化机对PM2.5的去除率比空气净化器低。

由于需要满足人员对于新风的要求，令Qm=90 m3·h-1，也即外循环空气净化系统的风量为90 m3·h-1保持不变，在这种情况下，研究风量对复合型内外循环空气净化系统的性能影响，模型所计算得到的结果如图2所示。

根据图2可以看出，随着空气净化器风量的增大，复合型内外循环空气净化系统对室内PM2.5的去除率不断提高，在总风量为1 000 m3·h-1时（外循环风量为910 m3·h-1，内循环风量为90 m3·h-1），去除率达到了94.1%。

与此同时，复合型内外循环空气净化系统对PM2.5去除率的增长速度随着风量的增大不断变小。因此，在房间体积保持不变的情况下，过分追求高风量，一方面对空气净化系统净化性能的提升有限，另一方面，会带来空气净化系统运行成本的升高以及噪声增加等方面的问题。

3.2 一次净化效率

根据GB /T 18801-2015《空气净化器》[8]附录H对一次净化效率的定义，一次净化效率的大小主要由滤芯的等级决定，对空气净化系统PM2.5的去除性能具有直接的影响。在式（4）中，相关参数的取值如下所示：

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。在这种情况下，研究一次净化效率对复合型内外循环空气净化系统的性能影响，模型所计算得到的结果如图3所示。（注：新风净化机和空气净化器采用同样的滤芯）

根据图3可以看出，随着一次净化效率的升高，复合型内外循环空气净化系统对室内PM2.5的去除效率也不断增大。当一次净化效率达到最高值时，复合型内外循环空气净化系统对PM2.5的去除率也达到极值，为87. 8%。与此同时，随着一次净化效率的提高，复合型内外循环空气净化系统对室内PM2.5去除率的增长速率逐渐降低。

另一方面，当一次净化效率低于15%的时候，复合型内外循环空气净化系统的PM2.5去除率将小于0，这是由于要满足最小新风量的要求，因此复合型内外循环空气净化系统的新风净化机需要将室外的空气进行过滤净化后再送入室内，虽然有空气净化器在同时进行室内空气的净化，但是当一次净化效率过低时，经新风净化机净化后的室外空气中的PM2.5浓度仍然会高于室内，所以将会导致室内空气PM2.5浓度升高，从而会产生复合型内外循环空气净化系统对PM2.5的去除率为负值情况。

根据上述分析，复合型内外循环空气净化系统在实际应用时，应当严格控制新风净化机和空气净化器的一次净化效率不能过低，实际运行时，要及时对滤芯进行更换或清洗。

3.3 运行时间

在全球能源危机越来越严峻的情况下，对建筑用能设备合理有效的运维管理是十分有必要的。运行时间的长短不仅会影响到空气净化系统的运行能耗，而且对空气净化系统的空气净化效果起着十分重要的作用。在式（4）中，相关参数的取值：

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。在这种情况下，研究运行时间对复合型内外循环空气净化系统的性能影响，模型所计算得到结果如图4所示。

根据图4可以看出，当运行时间在不断的增加，复合型内外循环空气净化系统对室内PM2.5的去除率也在不断升高，当运行时间为1 h时，空气净化系统对的PM2.5去除率为82.3%。与此同时，复合型内外循环空气净化系统对PM2.5去除率的增长速度随着运行时间的增加而不断降低，运行时间在达到0.5 h时，PM2.5去除率慢慢趋于稳定。这样表明，空气净化系统在实际生活中，可采用间歇运行的策略，这样一方面可以达到较为健康舒适的环境，另一方面，空气净化系统的运行能耗也得到了进一步的降低，有利于建筑节能。

3.4 房间体积

房间体积对空气净化系统的净化效果也起着十分重要的作用。在式（4）中，相关参数的取值：

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。在这种情况下，研究房间体积对复合型内外循环空气净化系统的性能影响，模型所计算得到结果如图5所示。

根据图5可以看出，复合型内外循环空气净化系统对室内PM2.5的去除率随着房间体积的增加不断降低。根据计算结果，当房间体积在0～45 m3时，复合型内外循环空气净化系统的PM2.5去除率基本上都维持在80%以上。与此同时，复合型内外循环空气净化系统对PM2.5去除率的降低速率随着房间体积的增加不断变小。

通过上述分析，可以得出：复合型内外循环空气净化系统的选型要与房间体积的大小相适配，否则将很难产生适宜的净化效果。

3.5 建筑物换气次数

建筑物的换气次数是影响空气净化系统PM2.5去除性能的重要因素。根据GB /T 18801-2015《空气净化器》[8]附录F：当室外空气污染物浓度过高，人们将门窗紧闭的情况下，换气次数测试结果的范围为0.05～0.57 h-1。由于气候原因，我国南方的换气次数应比北方高，设计标准为1.0 h-1。因此，在模型计算时，kV在0～1. 0 h-1的范围内进行取值。在式（4）中，其他相关参數的取值：

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。在这种情况下，研究建筑物换气次数对复合型内外循环空气净化系统的性能影响，模型所计算得到结果如图6所示。

根据图6可以看出，随着建筑物换气次数的不断增大，复合型内外循环空气净化系统对室内PM2.5的去除率基本上呈现出线性减小的趋势。根据计算结果，可以看出，当换气次数从0.1 h-1升高到1.0 h-1的情况下，空气净化系统对PM2.5的去除率从94.5%下降到75.4%。

这表明，当房间气密性越差，其换气次数也越大，从而会导致室外PM2.5向室内的渗透量增加，在复合型内外循环空气净化系统型号以及运行方式不变的情况下，造成净化系统对PM2.5去除率减小。因此，在空气净化系统实际运行的过程中，要严格控制房间的气密性，避免因换气次数过大影响空气净化系统的净化效果。

4 结论

通过对复合型内外循环空气净化系统理论模型的构建与性能分析，可以得到结论：

（1）复合型内外循环空气净化系统对PM2.5的去除率随着一次净化效率、风量、运行时间的变大而增高，随着建筑物换气次数、房间体积的增加而降低。

（2）复合型内外循环空气净化系统对PM2.5去除率的增加速率随着一次净化效率、风量、运行时间的变大不断变小。复合型内外循环空气净化系统对PM2.5去除率的降低速率随着房间体积的增大逐渐变小。复合型内外循环空气净化系统对室内PM2.5的去除率随着建筑物换气次数的增大基本上呈现出线性减小的趋势。

（3）复合型内外循环空气净化系统对PM2.5的去除率在一次通过净化效率低于15%时，为负值。净化系统在实际运行时，应当严格控制新风净化机和空气净化器的一次通过净化效率不能过低，并注意滤芯的更换或清洗。

（4）为了达到更好的PM2.5净化效果，复合型内外循环空气净化系统不宜追求过高的风量;尽量选用具有较高的一次净化效率滤芯;采用间歇运行的策略;净化系统的选型要与房间体积的大小相适配;在满足健康卫生等要求的條件下，降低建筑物的换气次数。

参考文献

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[9] 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB 50736-2012[S].

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