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上海住宅不同通风策略比较

发布时间:2018-05-09    点击率:495   

[1]国内住宅大多采用自然通风的方式, 因此室外颗粒物是室内颗粒物的重要来源。现今室外空气污染严重, 为减少室外颗粒物浓度对住宅内空气品质的影响, 不少住户采用关闭门窗、安装空气净化器或新风机等其他通风方式。仅采用渗透通风导致室内CO2浓度上升, 甲醛、苯、TVOC等污染物无法排出室内;空气净化器亦无法解决CO2浓度超标问题;新风机或全热交换器等机械通风方式无疑会增大空调能耗。施珊珊[2]等人基于颗粒物质量守恒原方程, 模拟不同季节几个典型日在不同空气净化器CADR以及机械通风下的PM2.5浓度, 并计算了机械通风下的风机能耗。马恵颖[3]等人在施珊珊的基础上联立了CO2体积分数求解方程, 研究雾霾天气下不同开窗时间联合空气净化器对颗粒物浓度以及CO2浓度的控制效果。上述研究主要考虑典型日中不同自然通风换气次数、空气净化器CADR等对污染物的控制, 未综合考虑住宅全年范围内在该通风策略下的PM2.5浓度、CO2浓度以及空调能耗等参数。本文利用Energy Plus软件分析上海某典型住宅各房间内的空气品质以及空调能耗情况, 对比5种不同改造方案中空气品质改善情况以及该通风策略下的年运行能耗及费用。

1 基础模型

1.1 基础模型描述

Energy Plus是一款基于BLAST和DOE-2优点并由美国能源部支持开发的建筑能耗模拟软件[4]。本文以上海某一住宅为例, 使用Energy Plus软件进行建模。该住户位于2层, 总建筑面积62 m2, 2室1厅1厨1卫 (建筑平面图如图1所示) 。经前期调研发现, 上海地区住宅2居室占44%, 且冬季有56%的住户选用空调采暖, 夏季有81%的住户采用空调供冷, 该住宅在上海地区具有一定代表性。

图1 模拟住宅建筑平面图

图1 模拟住宅建筑平面图   下载原图

 

模拟建筑的外墙传热系数为0.46 W/ (m2·K) , 外窗传热系数为2.04 W/ (m2·K) 。该住户共3人, 人员散热量参数参照ASHRAE标准[5]。模拟分析时相关参数均根据调查问卷的结果进行设置。客厅在工作日的使用时间为7:00-8:00, 18:00-21:00;周末的使用时间为9:00-21:00。主卧在工作日的使用时间为21:00-次日7:00;周末的使用时间为21:00-次日8:00。照明与设备的使用情况如表1~表2所示。

结合上海市气象文件中室外空气干球温度以及文献[6]中给出的空调季、供暖季、过渡季的划分方法, 将12月6日-3月22日划分为供暖季;3月23日-6月23日以及9月15日-12月5日划分为过渡季;6月24日-9月15日划分为供冷季。供冷季室内设计温度为26℃, 供暖季室内设定温度为20℃。

表1 照明功率以及时间指派表    下载原表

表1 照明功率以及时间指派表

表2 设备功率以及时间指派表    下载原表

表2 设备功率以及时间指派表

Energy Plus采用多区域网络模型进行自然通风换气次数的计算。在模拟计算前需要在软件中详细输入门窗开度、时间表等相关参数。该住宅在过渡季门窗常开, 采用自然通风;空调季有人时, 门窗紧闭, 采用渗透通风。

厨房采用排风量为900 m3/h的排风扇, 设置炒菜时PM2.5的产生量为12 mg/min;人体CO2产生量为3.82×10-8m3/ (s·W) [7]

表3为该住宅室内温度、CO2浓度、PM2.5浓度不满足率。该住宅主卧、次卧均安装制冷量为2 500W, 制热量为3 400 W的分体空调;客厅安装制冷量为4 800 W, 制热量为5 500 W的分体空调。从温度的模拟结果来看, 空调季主卧、次卧的温度不满足率相对较低, 客厅面积大, 不满足率达到5.2%, 不满足小时均处于空调开机负荷时间内。空调季门窗紧闭, 室内CO2浓度超标率较大, 主卧在空调季有人时高达72%。当室外颗粒物浓度高时, 室内空气品质难以达到一级标准。

1.2 基础模型验证

为验证基础模型的可靠性, 笔者于该住宅主卧、餐厅、客厅、室外阳台安置4台经过TSI 8532型DUSTTRAK粉尘检测仪与Vaisala高精密温湿度数据记录仪标定后的ikair空气品质传感器, 进行空气品质参数的实时监测。本次测试持续时间由6月20日至7月5日, 仪器每1 min记录1次数据, 该空气传感器安置于距地面1 m高度处, 实时监测房间内温度、相对湿度、PM2.5浓度、甲醛浓度, 并通过WiFi传输数据, 以此得到住宅在自然状态下的实时数据。

表3 基础模型模拟结果    下载原表

表3 基础模型模拟结果

图2为各房间全年I/O比模拟结果。过渡季采用自然通风的形式, 换气次数较大, PM2.5的I/O比接近于1;空调季门窗紧闭, I/O比会出现极大值。空调季烹饪期间, 客厅内的I/O比最高可达10。空调季室外PM2.5浓度出现骤降时, 主卧、次卧的室内PM2.5浓度衰减较为缓慢, 出现高I/O比的情况。

图2 住宅I/O比模拟结果

图2 住宅I/O比模拟结果   下载原图

 

模拟计算的时间步长为1 h, 实测值为传感器每分钟的测试结果, 因此各房间PM2.5的实测结果较模拟结果波动大。图3为该住户6月27日-7月5日I/O比实测结果。该住户于6月30日、7月3日、7月4日中均有烹饪行为, 7月3日客厅内的I/O比高达12;其余室内的I/O比接近于1。该规律与模拟结果相似。

图4为模拟计算各房间CO2浓度结果, 其中空调季室内CO2浓度较高。客厅房间面积大, 且人员持续活动时间短, 其CO2浓度相对卧室较低。

图3 住宅6月29日~7月5日I/O比实测结果

图3 住宅6月29日~7月5日I/O比实测结果   下载原图

 

图4 住宅CO2浓度模拟结果

图4 住宅CO2浓度模拟结果   下载原图

 

从图5各房间CO2实测结果来看, 6月24日夜间该住户开启空调, 门窗紧闭, 主卧夜间CO2浓度高达1 400 ppm;其余日期夜间开启门窗, 室内CO2浓度处于600 ppm左右, 该状态下的模拟结果为500 ppm。

图5 住宅6月22日~6月28日CO2浓度实测结果

图5 住宅6月22日~6月28日CO2浓度实测结果   下载原图

 

总体来说, 实际情况较为复杂, 模拟参数不可能完全按照实际情况进行设置, 模拟结果具有一定的局限性, 但模拟数据的总体变化趋势和实测结果相符, 其结果仍然具有很高的参考价值。

2 通风改造策略

本研究共模拟计算了5种改造方案:自然通风联合空气净化器, 利用空气净化器控制室内PM2.5浓度;全年关闭门窗, 吊顶新风机向各房间送入洁净新风, 维持室内微正压, 同时控制房间内PM2.5浓度和CO2浓度;全热回收吊顶新风机, 减少新风负荷;过渡季自然通风, 以空气净化器辅助, 空调季机械通风的混合通风方式;壁挂式新风机组联合空气净化器控制室内空气品质。本章节对上述5种改造方案的空气品质不保证率、HVAC能耗以及新风机能耗等均进行综合分析。

2.1 自然通风联合空气净化器

方案1采用自然通风方式, 在主卧、次卧、客厅内放置3台洁净风量为150 m3/h的空气净化器。该空气净化器在正常工作时的功率为40 W, 且均只在有人的时候开启净化器。软件中可根据式 (1) 设置空气净化器的CADR值。

式中:Sf (t) 为颗粒物产生强度, kg/s;FG、FR分别为颗粒物产生和去除效率;Q为洁净空气量, m3/h;Cf (t) 为室内颗粒物浓度, μg/m3

表4 方案1各房间PM2.5不满足率    下载原表

表4 方案1各房间PM2.5不满足率

从表4所示PM2.5不满足率模拟结果来看, 在运行空气净化器后, 室内的空气品质有较大提升。房间在使用时的PM2.5浓度基本均低于75μg/m3。处于空调季或门窗紧闭的次卧, PM2.5均可以控制在35μg/m3以内。在过渡季, 通风条件良好的主卧联合CADR为150 m3/h空气净化器仅能保证二级空气质量标准。客厅内的PM2.5浓度受烹饪的影响较大, 该洁净空气量的空气净化器无法控制烹饪时客厅的PM2.5浓度。表5反映了不同CADR空气净化器下客厅的PM2.5不满率。

表5 不同CADR下客厅PM2.5不满足率    下载原表

表5 不同CADR下客厅PM2.5不满足率

针对过渡季通风情况良好的客厅, 即使增大空气净化器的CADR值, 其对于PM2.5浓度的控制能力有限。从表5的模拟结果来看, 笔者认为CADR为150 m3/h的空气净化器能保证一级不满足率在20%以内, 该选型较为合理。

2.2 机械通风系统

方案2采用机械通风系统, 选取总新风量为150 m3/h的新风机, 其PM2.5的过滤效率为93%。主卧、次卧、客厅的新风量分别为60 m3/h、30 m3/h、60 m3/h。新风机在房间使用时一直开启, 且过渡季关闭门窗。

采用机械新风系统后, 各个房间CO2浓度显著下降, 全年CO2浓度不满足率均为0。改造后PM2.5浓度的不满足率见表6。

表6 方案2各房间PM2.5不满足率    下载原表

表6 方案2各房间PM2.5不满足率

从表6所示PM2.5浓度的角度分析, 经过高效过滤器过滤的新风对室内PM2.5浓度有一定的控制作用。过渡季门窗紧闭通新风的效果比自然通风状况下开启空气净化器的效果好。客厅面积较大, 且有PM2.5污染源, 60 m3/h的新风很难控制客厅内的PM2.5浓度。因此, 建议在客厅内PM2.5浓度高时采用空气净化器辅助净化室内空气。从模拟结果来看, 人均30 m3/h的新风量完全满足房间内CO2浓度的要求, 但仅靠新风来控制室内PM2.5浓度的效果并不理想。

2.3 全热交换机械通风系统

在方案2中, 新风负荷使HVAC能耗增大了278 k W·h, 本方案采用全热交换器以减少新风负荷, 其中显热热交换效率为70%, 潜热热交换效率为65%。方案3全年供冷能耗287 k W·h;供热能耗为867 k W·h。相比采用方案2, 热交换器的供冷、供热能耗均有一定程度的下降, HVAC能耗降低184k W·h, 机械通风系统能耗增大366 k W·h。

图6为方案3种全热交换器不同旁通策略下能耗对比。上海地区住宅使用全热交换器时, 夏季宜旁通。夜间, 室内外温差较小, 采用全热交换器反而不利于节能。冬季室内外温差较大, 因此在冬季使用全热交换器仍具有一定节能性。

图6 方案3不同旁通模式HVAC能耗对比

图6 方案3不同旁通模式HVAC能耗对比   下载原图

 

2.4 混合通风系统

方案4采用混合通风方式。空调季时开启新风机组;过渡季仍采用自然通风, 并联合洁净风量为150 m3/h的空气净化器控制室内的PM2.5浓度。

表7 方案4各房间PM2.5不满足率    下载原表

表7 方案4各房间PM2.5不满足率

从表7模拟结果来看, 方案4对于卧室PM2.5的控制较为理想。但客厅有来自厨房烹饪的PM2.5产生源, 且面积较大, 60 m3/h的洁净新风难以控制室内的PM2.5浓度, 并且在自然通风情况下开启空气净化器, 空气净化器也不能体现较好的净化效果。

该方案中新风机全年的能耗为189 k W·h, 空气净化器的全年的能耗为191 k W·h。

2.5 壁挂式新风机组

方案5中采用某壁挂式新风机组的额定参数进行模拟。该壁挂式新风机共4档。其中, 主卧新风量为75 m3/h, 回风量为55 m3/h;次卧新风量为25m3/h, 回风量为15 m3/h。PM2.5过滤效率为93%。客厅使用CADR为150 m3/h的空气净化器控制PM2.5浓度。

依据相关规范[10]对该壁挂式新风机组进行CADR值的测试, 其最大档位下CADR值可达146m3/h, 过滤器的PM2.5计重浓度过滤效率可达99%, 按照上述参数在软件中进行设置相对合理。

在周末客厅的人员在室率较大, CO2浓度在空调季超标率高达47.6%, 其余房间均为0。PM2.5模拟结果如表8所示。

表8 方案5各房间PM2.5不满足率    下载原表

表8 方案5各房间PM2.5不满足率

方案5中全年供冷能耗为271 k W·h, 供热能耗为1 005 k W·h, 空调风机能耗为26 k W·h。除此之外, 新风机的全年总能耗为83 k W·h, 空气净化器的总能耗为96 k W·h。

3 各通风策略能耗对比分析

相较于自然通风, 机械通风的全年运行能耗较大。对上述5种不同方案的HVAC能耗以及新风机、空气净化器的能耗进行归纳总结, 如表9及图7所示。

表9 各方案能耗总结    下载原表

表9 各方案能耗总结

图7 各方案HVAC、新风机、空气净化器能耗对比

图7 各方案HVAC、新风机、空气净化器能耗对比   下载原图

 

从能耗计算结果来看, 方案1和方案5全年能耗相对较小。但方案1仅对室内PM2.5进行控制, 并未保证室内CO2浓度。方案3总能耗最大, 虽然采用全热交换可以减少空调供冷、供热能耗, 但节约的空调能耗小于新风机增大的能耗。且住宅于夜间使用率高, 夏季室内外温差小, 热回收潜力较小。方案2和方案4总能耗相差不大, 但方案4在自然通风状态下难以控制室内PM2.5浓度。建议在室外污染严重时仍采用关闭门窗, 打开新风机的机械通风方式。

4 结论

本文建立了上海一户典型三口之家的住宅模型, 并通过软件模拟了5种不同的通风改造方案。综合室内空气质量以及全年运行能耗, 对各个方案进行具体分析, 得出以下结论:

1) 房间在自然通风状况下空气净化器运行效果欠佳, 仅能基本保证二级空气品质。且在自然通风状态下, 不宜盲目增大空气净化器CADR值, 该状态下空气净化器对PM2.5浓度的控制能力有限。

2) 无旁通全热交换器不适用于上海市住宅。经模拟计算, 无旁通的全热交换器总能耗高出普通新风机组能耗约10%。且上海住宅于供冷季时全热交换潜力亦不大。

 

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