一种新风净化系统高效节能调控技术与实践*

上海市建科集团股份有限公司 徐海霞 江 燕 李景广

0 引言

近年来，我国建筑室内空气污染问题越发突出，已经成为全社会广泛关注的热点。一方面，室内各种装饰装修材料、家具、日用品等挥发性有机污染物的超标释放导致甲醛、VOC等化学污染严重[1-2]；另一方面，室外雾霾频发，颗粒物的外源输入及室内烹饪、吸烟等人员活动直接导致室内颗粒物浓度超标。人们超过80%的时间是在室内度过的，室内空气质量的好坏直接影响人们的身体健康、生活质量和工作效率，保障室内空气质量显得尤为重要[2]。

针对建筑室内污染物释放和室外大气污染物输入问题[2-3]，在建筑中安装新风净化系统是典型的解决措施之一，在民用建筑集中空调系统中得到了广泛应用[4]。住宅新风系统近年来也逐渐进入人们的视野，成为居住建筑获取洁净空气的重要手段[5]。

传统民用建筑空调系统一般不考虑安装中效及以上级别过滤器，导致雾霾天气下室内PM2.5浓度严重超标。为了获得高品质新风，有效去除颗粒物，一般考虑在风机段后直接加装中效过滤器或/和高效过滤器，如图1所示。

图1 传统空调系统空气过滤模式

但是，由于室外空气中PM2.5的浓度并不是定值，而且变化非常大，这样就存在有时候不需要过滤，有时候需要中效过滤，有时候需要高效过滤的情况，而图1中系统长时间处于粗效、中效、高效过滤状态下运行，造成了系统运行能耗增加。

基于上述问题，本文提出一种高过滤效率、低运行能耗的新风净化系统设计方法，并将其应用于建筑新风系统，同时结合自主开发的室内空气质量监控系统，对提出的控制逻辑和调控方案的工程应用效果进行分析验证，为建筑新风系统高效节能运行、推广应用提供参考。

1 高效节能新风净化系统调控策略

本文以上海市某办公建筑会议室改造安装的新风系统为例，以颗粒物浓度为控制目标研究一种高效节能新风净化系统的运行调控策略。

1.1 新风净化系统设计

会议室长、宽、高分别为6.5、4.0、2.3 m(净高)，体积为59.8 m3，约可容纳20人。

按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中对建筑最小新风量的规定[6]，根据建筑物用途、人员密度及使用人数，确定空间所需最小新风量或最小换气次数，综合考虑使用目的选择新风机类型。确定新风量后，根据室外污染情况、室内浓度控制目标、建筑气密性等参数，计算确定过滤器等级。

根据质量守恒定律，对于仅对新风采用净化手段的空调系统，建筑室内颗粒物浓度按下式计算[7-8]：

(1)

式中Ci为室内颗粒物质量浓度，μg/m3；t为时间，h；G为室内源强，μg/h；V为建筑体积，m3；α1为渗透风换气次数，h-1；p1为穿透系数；Co为室外颗粒物质量浓度，μg/m3；αo为新风换气次数，h-1；po为新风净化设备当量穿透率，po=1-η，η为新风净化设备过滤效率。

对于新风净化系统运行状态固定的办公建筑等建筑，室内污染物浓度相对稳定，即dCi/dt=0，则所需新风净化设备过滤效率为

(2)

式中Ct为室内颗粒物控制目标质量浓度，μg/m3。

会议室基本设计计算参数如表1所示。会议室内无打印机等设备，只考虑人员活动带来的污染。采用2台TSI 8530型颗粒物测试仪测得室内外PM2.5浓度比值为0.61～0.71，本文取穿透系数为0.7；采用INNOVA 1303多通道采样仪，通过示踪气体衰减法测得室内渗透风换气次数为0.21 h-1。

表1 设计计算参数

经计算房间所需最小新风量Q=12 m3/(人·h)×20人=240 m3/h，选定的送风机和排风机风量范围为250～800 m3/h，机外余压为120 Pa，电动机功率约0.55 kW。根据标准HJ 633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》中空气质量指数类别对应室外PM2.5浓度限值[10]和上海市当地室外PM2.5污染情况，将室外PM2.5设计计算浓度划分为4个区间，计算得到不同污染情况下的过滤器效率和等级，如表2所示。

表2 不同污染情况下过滤器选型

1.2 高效节能新风净化系统设计

通过在新风系统中安装独立的旁通管段、中效过滤管段、高中效过滤管段，根据室外环境空气质量不同使新风通过不同等级过滤装置，再经过温湿度处理后送入室内，从而实现新风中PM2.5、PM10等颗粒物过滤的动态控制。

根据现场工况，本文设计的新风净化系统控制结构如图2所示，通过安装旁通和独立两级过滤器的方式实现不同室外污染情况下的动态运行，同时预留过滤段以应对其他污染情况。在空气质量为优时，开启风阀1、2，使室外空气经过旁通A、B直接送入室内；在空气质量为良时，关闭风阀1、开启风阀2，使室外空气经过M5等级过滤器和旁通B后送入室内；在空气质量为中轻度污染时，开启风阀1、关闭风阀2，使室外空气经过旁通A和F7等级过滤器后送入室内；在空气质量为重度污染时，关闭风阀1、2，使室外空气依次通过M5等级和F7等级双重过滤器后送入室内。这种动态运行方式在保障送风洁净度的同时，降低了新风系统运行能耗。该技术已获得专利授权(专利号：201420735987.7)。

注：①～④为气流方向。图2 高过滤效率、低运行能耗新风净化系统结构

2 室内空气质量监控系统开发

根据高过滤效率、低运行能耗新风净化系统调控策略，结合现场工况搭建监控系统空调箱，外观如图3所示，新风进风口位于办公楼西侧，通风良好。室外大气中颗粒物浓度是随机波动的，为实现新风净化系统的实时反馈调节，在新风进风段设计安装PM2.5传感器，根据室外进风PM2.5浓度连续监测数据，调节运行相应的净化方案，安装位置如图3所示；同时在排风口安装传感器观测室内空气质量控制效果，安装位置如图2所示。综合考虑传感器性能和价格因素，选购市场上常见的光散射法PM2.5传感器(文献[11-12]所测D型)，安装前对其进行校正，测试误差在±5%读数或±10 μg/m3以内。

图3 空气质量监控系统空调箱

通过传感器监测系统与新风控制系统的集成，建立了基于物联网技术的空气质量监控平台，监控系统界面如图4所示。该平台可以实现空气质量监测数据的显示和查看、风机和过滤装置运行状态控制等功能。监控系统的运行界面如图4a所示，室外空气进入系统后，可根据室外新风的PM2.5浓度监测数据调节阀门的启闭，选择相应的新风过滤组合，根据室内污染物浓度调节新风量。设备控制面板如图4b所示，可以对过滤模式和送风、排风的风速进行手动调节和自动反馈调节。

图4 室内环境监控系统界面

3 建筑室内空气质量监控系统运行效果分析

3.1 室内颗粒物控制效果

在系统运行期间对会议室内空气质量监测数据进行了记录，部分数据见表3。分析监测数据可以看出：在监控系统开启期间，大部分时间段室内PM2.5日均质量浓度在35 μg/m3以下；除去特殊情况下的数据，实测值与设计计算值偏差在30%左右。

表3 新风系统开启后室内PM2.5浓度监测数据

由表3还可以看出，在部分时间段，室内PM2.5实测浓度高于计算浓度，分析发现可能的原因为：1) 11月14日和11月16日室内PM2.5浓度偏高是由于调试过程中频繁开关新风机组机门导致新风机组密封性变差，部分室外空气未经过过滤模块直接进入送风系统，导致室内浓度偏高；2) 该系统设计时未考虑吸烟、打印等室内污染源，在12月6日，由于室内人员吸烟和开窗行为，导致室内PM2.5浓度急速升高，该新风系统的新风量不足以净化吸烟产生的颗粒物而出现超标。

3.2 运行成本分析

根据上海市2016年度室外大气PM2.5浓度监测数据，计算得到在额定风量下，过滤器在动态调节模式下运行比在传统静态模式下运行节能约73%，见表4。

表4 上海市2016年度室外PM2.5浓度监测数据及过滤器能耗对比

在系统运行期间，测试了新风通过不同过滤装置时系统的耗功率与新风量，计算得到了系统在不同过滤装置运行模式下的单位风量耗功率，如表5所示。

表5 新风系统不同过滤模式下单位风量耗功率/电费

按上海市一般工商业用电价格，夏季工作时段电价按0.925元/(kW·h)计，非夏季工作时段电价按0.894元/(kW·h)计，假设系统每天运行9 h，则根据上海市2016年度室外大气PM2.5浓度监测数据(见表4)，计算得到动态调控下系统全年单位风量的电费为2.78元，如表5所示，系统在240 m3/h设计风量下运行全年电费为667.2元。

不考虑动态调控的新风系统，为满足不保证5 d达标的设计要求[8]，则送风系统全年在M5+F7过滤器通道运行。此时，系统在设计风量下运行一年需要电费为696元。与可随室外污染情况自动调节过滤模式的调控系统相比，全年增加电费约28.8元。对整栋公共建筑而言，新风量可达到105～106m3/h量级，动态调控新风系统每年节约的电费将非常可观。

4 结论

1) 开发的高过滤效率、低运行能耗新风净化系统运行效果良好，室内PM2.5浓度基本满足设计要求，且新风系统动态调控运行模式减少了系统运行能耗，表明提出的高过滤效率、低运行能耗调控策略是有效可行的，这为新风净化系统的高效节能运行、推广应用提供了工程经验。

2) 从实测效果看，系统漏风和室内吸烟等行为会导致室内实测浓度与计算浓度偏差较大甚至高于设计值的情况。从系统角度，保证新风机组箱体的密封性及运维期间的定期维护是十分必要的。从建筑运维角度，人员行为控制是十分重要的。

3) 相比传统系统，该新风净化系统设备体积会增大，一方面设计中需要考虑此问题，另一方面如何充分利用这部分增大的体积是未来的研究工作之一。