白廣宇 莊衛(wèi)東 孫海欣 江靖波

?

太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬分析

白廣宇 莊衛(wèi)東 孫海欣 江靖波

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院 大慶 163319）

針對(duì)當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境所面臨的問(wèn)題，開(kāi)展了太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、新排風(fēng)換熱系統(tǒng)、空氣過(guò)濾系統(tǒng)三個(gè)部分。運(yùn)用Fluent軟件對(duì)系統(tǒng)中氣流的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。

太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)；太陽(yáng)能供電；新排風(fēng)換熱

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，煤炭等化石能源的大量消耗，空氣污染越發(fā)嚴(yán)重，室內(nèi)空氣污染源越來(lái)越多，經(jīng)常出現(xiàn)的霧霾天氣，空氣中PM2.5濃度超標(biāo)，這些都影響著人們的健康。在社會(huì)不斷進(jìn)步的同時(shí)，人們對(duì)生活品質(zhì)的追求越來(lái)越高，IAQ（室內(nèi)空氣品質(zhì)）這一概念開(kāi)始出現(xiàn)，大家也逐漸認(rèn)識(shí)到改善室內(nèi)環(huán)境的重要性[1]。通過(guò)研究分析逐漸形成了對(duì)建筑環(huán)境評(píng)價(jià)的綜合體系，評(píng)價(jià)民用建筑環(huán)境主要從熱濕環(huán)境、空氣品質(zhì)、光環(huán)境以及聲環(huán)境等幾個(gè)方面入手[2]，人們對(duì)現(xiàn)代化建筑的要求也已經(jīng)不僅僅停留在熱舒適這一簡(jiǎn)單的控制要求，室內(nèi)空氣品質(zhì)成為重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)主要有控制污染源，通風(fēng)和空氣凈化三個(gè)方面[3]。一個(gè)人80%左右的時(shí)間都處在室內(nèi)環(huán)境中，室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)人的健康有著很大的影響，室內(nèi)空氣污染物主要有懸浮顆粒污染物和氣體污染物[4]。目前常用的通風(fēng)手段以自然通風(fēng)為主，最常見(jiàn)的自然通風(fēng)方式就是開(kāi)窗通風(fēng)，開(kāi)窗通風(fēng)在室外空氣污染不斷加劇的今天顯露出了其弊端，另一方面，在冬季開(kāi)窗通風(fēng)所導(dǎo)致的室內(nèi)熱量的流失，增加了室內(nèi)采暖熱損失，也造成了大量能源的浪費(fèi)。隨著空調(diào)的普遍應(yīng)用，帶有新風(fēng)功能的空調(diào)逐漸被認(rèn)知和使用，這類(lèi)空調(diào)對(duì)室內(nèi)空氣的調(diào)節(jié)起到了一定的左右，但是使用這類(lèi)空調(diào)的缺點(diǎn)也逐漸顯露出來(lái)，這類(lèi)帶有新風(fēng)功能的空調(diào)新風(fēng)量較小，需長(zhǎng)時(shí)間工作，空調(diào)排風(fēng)口處會(huì)出現(xiàn)大量細(xì)菌聚集繁殖，無(wú)法很好的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、外的空氣交換，大量的電量消耗引起能源的浪費(fèi)，增加了使用成本。太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)的出現(xiàn)很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)開(kāi)窗自然通風(fēng)和帶新風(fēng)功能空調(diào)通風(fēng)所存在的多種問(wèn)題，既實(shí)現(xiàn)了為室內(nèi)提供新風(fēng)，又達(dá)到了節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)方案

新風(fēng)系統(tǒng)是根據(jù)在密閉的室內(nèi)一側(cè)用專(zhuān)用設(shè)備向室內(nèi)送新風(fēng)，再?gòu)牧硪粋?cè)由專(zhuān)用設(shè)備向室外排出，在室內(nèi)會(huì)形成“新風(fēng)流動(dòng)場(chǎng)”的原理，從而滿(mǎn)足室內(nèi)新風(fēng)換氣的需要[5]。實(shí)施方案是：采用低壓頭、小流量、小功率直流電機(jī)帶動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)、依靠機(jī)械強(qiáng)力由一側(cè)向室內(nèi)送風(fēng)，由另一側(cè)利用排風(fēng)風(fēng)機(jī)向室外排出空氣的方式強(qiáng)迫在系統(tǒng)內(nèi)形成新風(fēng)流動(dòng)場(chǎng)。采用二級(jí)過(guò)濾在送風(fēng)的同時(shí)對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的空氣進(jìn)行過(guò)濾。排風(fēng)經(jīng)過(guò)主機(jī)時(shí)與新風(fēng)進(jìn)行熱回收交換，回收大部分能量通過(guò)新風(fēng)送回室內(nèi)。借用大范圍形成潔凈空間的方案，保證進(jìn)入室內(nèi)的空氣是潔凈的，以此達(dá)到凈化室內(nèi)空氣環(huán)境的目的。

設(shè)計(jì)的新風(fēng)系統(tǒng)中運(yùn)用了多層平板逆流換熱的方式來(lái)達(dá)到新風(fēng)與回風(fēng)熱量交換的目的。利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電替換了傳統(tǒng)的電力供應(yīng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，低碳環(huán)保。

2 系統(tǒng)組成

本太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共分為三個(gè)部分，分別是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，新排風(fēng)換熱系統(tǒng)，空氣過(guò)濾系統(tǒng)?？梢耘懦鍪覂?nèi)污濁空氣引入新風(fēng)，同時(shí)也可以把排風(fēng)中的廢熱有效的回收利用起來(lái)。

2.1 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

太陽(yáng)能發(fā)電有太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種清潔能源利用技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)碳的零排放，也是一種可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的能源，既可以用來(lái)獨(dú)立發(fā)電又可以進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，又很適合在人均土地面積少、風(fēng)能又相對(duì)不夠充足的國(guó)家中開(kāi)發(fā)和利用。設(shè)計(jì)采用了太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，根據(jù)光生伏特效應(yīng)，利用硅板捕捉太陽(yáng)所發(fā)射的活性光子，形成光電子對(duì)，再由多個(gè)硅板并聯(lián)，以提供相對(duì)較穩(wěn)定的電壓和電流[6]。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能光伏電池板、蓄電池、太陽(yáng)能充電供電控制器三部分組成。由于系統(tǒng)中所使用的風(fēng)機(jī)為低壓頭、小流量、小功率直流電機(jī)，太陽(yáng)能電池板所產(chǎn)生的直流電直接為電機(jī)提供動(dòng)力。在系統(tǒng)中加裝太陽(yáng)能蓄電池用以?xún)?chǔ)存太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的額外電量，陰天或其它光照不足的情況出現(xiàn)時(shí)，可以用太陽(yáng)能蓄電池繼續(xù)作為電源提供動(dòng)力，在陽(yáng)光充足的時(shí)候可以自行充電，轉(zhuǎn)為由電池板直接供電。太陽(yáng)能充電控制器可以保護(hù)蓄電池，防止過(guò)度充電現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 新排風(fēng)換熱系統(tǒng)

系統(tǒng)采用低壓頭、小流量12V直流電機(jī)帶動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)，依靠機(jī)械力向室內(nèi)送風(fēng)，排風(fēng)風(fēng)機(jī)向室外排風(fēng)，形成新風(fēng)流動(dòng)場(chǎng)，從而不斷的提供動(dòng)力。新風(fēng)換熱系統(tǒng)由新風(fēng)和排風(fēng)兩部分組成，新風(fēng)風(fēng)機(jī)連接新風(fēng)管道，排風(fēng)風(fēng)機(jī)連接排風(fēng)管道。新風(fēng)風(fēng)道與排風(fēng)風(fēng)道之間裝有多層板式逆流換熱裝置，也作為每層風(fēng)道之間的隔板，將兩種風(fēng)道內(nèi)的空氣分隔開(kāi)，使風(fēng)道內(nèi)的空氣不發(fā)生直接接觸，既實(shí)現(xiàn)了將室內(nèi)排風(fēng)中的熱量進(jìn)行回收利用，又保證了新風(fēng)空氣不被排風(fēng)空氣污染。在設(shè)計(jì)中多層板式逆流換熱裝置由5層構(gòu)成，從上往下依次，第1、3、5層為排風(fēng)風(fēng)道，第2、4層為新風(fēng)風(fēng)道。采用板式換熱可增大換熱（冷）面積，同時(shí)逆流換熱可以大大提高換熱效率，考慮到冬季室外溫度較低，室外新風(fēng)與設(shè)備表面接觸時(shí)低于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，所以將新風(fēng)層放在中間，排風(fēng)層放在最上和最下層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 新排風(fēng)換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

式中，為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Φ為熱流量；為平板的面積，m2；Δ為平板兩側(cè)介質(zhì)溫度差，℃；1為排風(fēng)風(fēng)道內(nèi)空氣對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；為平板厚度，mm；為平板導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；2為新風(fēng)風(fēng)道內(nèi)空氣對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

2.3 空氣過(guò)濾系統(tǒng)

在以往向室內(nèi)通風(fēng)是以室外空氣是新鮮空氣為前提的，但隨著空氣污染的不斷加重，在向室內(nèi)引入新風(fēng)時(shí)，必須對(duì)新風(fēng)進(jìn)行過(guò)濾處理[8]。室外空氣污染物主要包括有粉塵、可吸入顆粒物、氮氧化合物、SO2、CO等，空氣中PM2.5濃度不斷升高，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)PM2.5濃度超標(biāo)，所以在系統(tǒng)中加裝了空氣過(guò)濾裝置。由于大氣污染物種類(lèi)繁多，污染物微粒大小不同，空氣過(guò)濾系統(tǒng)由初效過(guò)濾器和中效過(guò)濾器兩部分組成。初效過(guò)濾器置于中效過(guò)濾器的前側(cè)，做第1級(jí)過(guò)濾。初效空氣過(guò)濾器適用于空調(diào)系統(tǒng)的初級(jí)過(guò)濾，主要用于過(guò)濾5μm以上塵埃粒子，過(guò)濾材料是以折疊形式裝入高強(qiáng)度模切硬紙板內(nèi)，迎風(fēng)面積增大，流入的空氣中的塵埃粒子被過(guò)濾材料有效阻擋在褶與褶之間，潔凈空氣從另一面均勻流出，因此氣流通過(guò)過(guò)濾器是平緩和均勻的。初效過(guò)濾器的特點(diǎn)是價(jià)廉、重量輕、通用性好、結(jié)構(gòu)緊湊。中效過(guò)濾器可以捕集1-5μm的顆?；覊m及各種懸浮物，在對(duì)空氣凈化潔凈度要求不嚴(yán)格的場(chǎng)所，經(jīng)中效空氣過(guò)濾器處理后的空氣可直接送至用戶(hù)。其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，風(fēng)量大阻力小容塵量高，可重復(fù)清潔使用。在初效過(guò)濾器與中效過(guò)濾器的共同作用下，系統(tǒng)過(guò)濾裝置可以很好的過(guò)濾掉空氣中的粉塵等有害顆粒物。

制作的太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)體模型見(jiàn)圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)體模型

3 模擬分析

用Fluent計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)能直觀的顯示流場(chǎng)情況，如速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等。利用Fluent軟件來(lái)模擬太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)工作情況，可以達(dá)到改進(jìn)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高性能的作用。圖3是取的截面的空氣速度矢量圖，從圖中可以看到有渦流出現(xiàn)，渦流會(huì)阻礙空氣的流動(dòng)，是導(dǎo)致噪音值升高的因素之一，需要對(duì)渦流進(jìn)行控制，減小渦流的大小，以達(dá)到提高太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)性能，減小噪音的目的。在運(yùn)行中由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題，可能會(huì)產(chǎn)生氣流回流現(xiàn)象，回流現(xiàn)象會(huì)直接影響系統(tǒng)出口處的風(fēng)量大小，圖中顯示只有在出口兩個(gè)風(fēng)機(jī)間隔的位置有少許空氣出現(xiàn)回流現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行影響較小。

圖3 空氣流速氣體流場(chǎng)模擬（m/s）

圖4是取的新風(fēng)與排風(fēng)熱交換溫度場(chǎng)模擬圖，新風(fēng)與回風(fēng)通過(guò)兩個(gè)風(fēng)道之間的隔板進(jìn)行換熱，排風(fēng)風(fēng)道中空氣氣流流過(guò)隔板表面時(shí)氣流中的熱量傳到平板中，平板再將熱量傳遞到新風(fēng)風(fēng)道的空氣氣流中。從圖中可以看到氣流流速越快，流量越大的區(qū)域溫度變化越劇烈，隨著氣流流速降低，流量減小溫度變化逐漸減緩。

圖4 新風(fēng)與排風(fēng)熱交換溫度場(chǎng)模擬（℃）

4 總結(jié)

通過(guò)以上對(duì)太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)的分析闡述可知，太陽(yáng)能作為動(dòng)力進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，減少了化石能源的使用，達(dá)到節(jié)能減排的目的，實(shí)現(xiàn)碳的零排放。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新風(fēng)與排風(fēng)的換熱系統(tǒng)，有利于能量的節(jié)約，在提高生活質(zhì)量、工作效率的同時(shí)也做到了節(jié)能環(huán)保。太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)24小時(shí)小流量循環(huán)新鮮空氣，更利于排風(fēng)熱量的回收利用。采用二級(jí)過(guò)濾，可有效去除霧霾天氣時(shí)新風(fēng)中的顆粒物，保證輸入室內(nèi)的空氣始終處于一種新鮮、潔凈的狀態(tài)。整個(gè)設(shè)備較小，安裝時(shí)可以放在吊頂，增大了房間的空間利用率。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，拆卸方便，易于維護(hù)與維修，運(yùn)行成本低，適合應(yīng)用在住宅的通風(fēng)換氣中。

[1] K W Mui, W T Chan. Building calibration for IAQ management[J]. Building and Environment, 2006, 41(7): 877-886.

[2] 趙陽(yáng),鮑玲玲,趙旭,等.民用建筑室內(nèi)綜合環(huán)境評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào),2017,31(06):593-597.

[3] 沈晉明,劉燕敏.空氣凈化與室內(nèi)空氣質(zhì)量[J].制冷與空調(diào),2015,15(10):66-71.

[4] 于騰,胡曉微.幾種常見(jiàn)室內(nèi)空氣污染物的來(lái)源及防治措施[J].綠色科技,2015,(6):204-205.

[5] 柯水蘭.新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工藝與設(shè)備,2014,(1):214.

[6] 杜士鵬,王存旭.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展前景[J].大眾用電,2015,30(7):24.

[7] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006:459-461.

[8] 顏靜,李振海.多效新風(fēng)過(guò)濾裝置評(píng)價(jià)體系探討[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2015,34(1):90-93.

Design and Simulation Analysis of Solar Energy Fresh Air System

Bai Guangyu Zhuang Weidong Sun Haixin Jiang Jingbo

( Engineering College of Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing, 163319 )

Aiming at the current problems of indoor environment, the design of solar fresh air system is carried out. The system includes three parts: the solar power supply system, the new exhaust heat exchange system and the air filtration system. Fluent software is used to simulate the velocity and temperature fields of the airflow in the system.

Solar energy fresh air system; Solar power supply; Exhaust heat exchange

TU831

B

1671-6612（2019）02-148-04

黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201710223044）

白廣宇（1995.9-），男，本科，學(xué)生，E-mail：942350272@qq.com

莊衛(wèi)東（1970.1-），男，博士，教授，碩導(dǎo)，E-mail：81nd@163.com

2018-05-15