上海市建科集團(tuán)股份有限公司 徐海霞 江 燕 李景廣

0 引言

近年來，我國建筑室內(nèi)空氣污染問題越發(fā)突出，已經(jīng)成為全社會廣泛關(guān)注的熱點。一方面，室內(nèi)各種裝飾裝修材料、家具、日用品等揮發(fā)性有機污染物的超標(biāo)釋放導(dǎo)致甲醛、VOC等化學(xué)污染嚴(yán)重[1-2]；另一方面，室外霧霾頻發(fā)，顆粒物的外源輸入及室內(nèi)烹飪、吸煙等人員活動直接導(dǎo)致室內(nèi)顆粒物濃度超標(biāo)。人們超過80%的時間是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響人們的身體健康、生活質(zhì)量和工作效率，保障室內(nèi)空氣質(zhì)量顯得尤為重要[2]。

針對建筑室內(nèi)污染物釋放和室外大氣污染物輸入問題[2-3]，在建筑中安裝新風(fēng)凈化系統(tǒng)是典型的解決措施之一，在民用建筑集中空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。住宅新風(fēng)系統(tǒng)近年來也逐漸進(jìn)入人們的視野，成為居住建筑獲取潔凈空氣的重要手段[5]。

傳統(tǒng)民用建筑空調(diào)系統(tǒng)一般不考慮安裝中效及以上級別過濾器，導(dǎo)致霧霾天氣下室內(nèi)PM2.5濃度嚴(yán)重超標(biāo)。為了獲得高品質(zhì)新風(fēng)，有效去除顆粒物，一般考慮在風(fēng)機段后直接加裝中效過濾器或/和高效過濾器，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)空氣過濾模式

但是，由于室外空氣中PM2.5的濃度并不是定值，而且變化非常大，這樣就存在有時候不需要過濾，有時候需要中效過濾，有時候需要高效過濾的情況，而圖1中系統(tǒng)長時間處于粗效、中效、高效過濾狀態(tài)下運行，造成了系統(tǒng)運行能耗增加。

基于上述問題，本文提出一種高過濾效率、低運行能耗的新風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計方法，并將其應(yīng)用于建筑新風(fēng)系統(tǒng)，同時結(jié)合自主開發(fā)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，對提出的控制邏輯和調(diào)控方案的工程應(yīng)用效果進(jìn)行分析驗證，為建筑新風(fēng)系統(tǒng)高效節(jié)能運行、推廣應(yīng)用提供參考。

1 高效節(jié)能新風(fēng)凈化系統(tǒng)調(diào)控策略

本文以上海市某辦公建筑會議室改造安裝的新風(fēng)系統(tǒng)為例，以顆粒物濃度為控制目標(biāo)研究一種高效節(jié)能新風(fēng)凈化系統(tǒng)的運行調(diào)控策略。

1.1 新風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計

會議室長、寬、高分別為6.5、4.0、2.3 m(凈高)，體積為59.8 m3，約可容納20人。

按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中對建筑最小新風(fēng)量的規(guī)定[6]，根據(jù)建筑物用途、人員密度及使用人數(shù)，確定空間所需最小新風(fēng)量或最小換氣次數(shù)，綜合考慮使用目的選擇新風(fēng)機類型。確定新風(fēng)量后，根據(jù)室外污染情況、室內(nèi)濃度控制目標(biāo)、建筑氣密性等參數(shù)，計算確定過濾器等級。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對于僅對新風(fēng)采用凈化手段的空調(diào)系統(tǒng)，建筑室內(nèi)顆粒物濃度按下式計算[7-8]：

(1)

式中Ci為室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度，μg/m3；t為時間，h；G為室內(nèi)源強，μg/h；V為建筑體積，m3；α1為滲透風(fēng)換氣次數(shù)，h-1；p1為穿透系數(shù)；Co為室外顆粒物質(zhì)量濃度，μg/m3；αo為新風(fēng)換氣次數(shù)，h-1；po為新風(fēng)凈化設(shè)備當(dāng)量穿透率，po=1-η，η為新風(fēng)凈化設(shè)備過濾效率。

對于新風(fēng)凈化系統(tǒng)運行狀態(tài)固定的辦公建筑等建筑，室內(nèi)污染物濃度相對穩(wěn)定，即dCi/dt=0，則所需新風(fēng)凈化設(shè)備過濾效率為

(2)

式中Ct為室內(nèi)顆粒物控制目標(biāo)質(zhì)量濃度，μg/m3。

會議室基本設(shè)計計算參數(shù)如表1所示。會議室內(nèi)無打印機等設(shè)備，只考慮人員活動帶來的污染。采用2臺TSI 8530型顆粒物測試儀測得室內(nèi)外PM2.5濃度比值為0.61～0.71，本文取穿透系數(shù)為0.7；采用INNOVA 1303多通道采樣儀，通過示蹤氣體衰減法測得室內(nèi)滲透風(fēng)換氣次數(shù)為0.21 h-1。

表1 設(shè)計計算參數(shù)

經(jīng)計算房間所需最小新風(fēng)量Q=12 m3/(人·h)×20人=240 m3/h，選定的送風(fēng)機和排風(fēng)機風(fēng)量范圍為250～800 m3/h，機外余壓為120 Pa，電動機功率約0.55 kW。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》中空氣質(zhì)量指數(shù)類別對應(yīng)室外PM2.5濃度限值[10]和上海市當(dāng)?shù)厥彝釶M2.5污染情況，將室外PM2.5設(shè)計計算濃度劃分為4個區(qū)間，計算得到不同污染情況下的過濾器效率和等級，如表2所示。

表2 不同污染情況下過濾器選型

1.2 高效節(jié)能新風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計

通過在新風(fēng)系統(tǒng)中安裝獨立的旁通管段、中效過濾管段、高中效過濾管段，根據(jù)室外環(huán)境空氣質(zhì)量不同使新風(fēng)通過不同等級過濾裝置，再經(jīng)過溫濕度處理后送入室內(nèi)，從而實現(xiàn)新風(fēng)中PM2.5、PM10等顆粒物過濾的動態(tài)控制。

根據(jù)現(xiàn)場工況，本文設(shè)計的新風(fēng)凈化系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過安裝旁通和獨立兩級過濾器的方式實現(xiàn)不同室外污染情況下的動態(tài)運行，同時預(yù)留過濾段以應(yīng)對其他污染情況。在空氣質(zhì)量為優(yōu)時，開啟風(fēng)閥1、2，使室外空氣經(jīng)過旁通A、B直接送入室內(nèi)；在空氣質(zhì)量為良時，關(guān)閉風(fēng)閥1、開啟風(fēng)閥2，使室外空氣經(jīng)過M5等級過濾器和旁通B后送入室內(nèi)；在空氣質(zhì)量為中輕度污染時，開啟風(fēng)閥1、關(guān)閉風(fēng)閥2，使室外空氣經(jīng)過旁通A和F7等級過濾器后送入室內(nèi)；在空氣質(zhì)量為重度污染時，關(guān)閉風(fēng)閥1、2，使室外空氣依次通過M5等級和F7等級雙重過濾器后送入室內(nèi)。這種動態(tài)運行方式在保障送風(fēng)潔凈度的同時，降低了新風(fēng)系統(tǒng)運行能耗。該技術(shù)已獲得專利授權(quán)(專利號：201420735987.7)。

注：①～④為氣流方向。圖2 高過濾效率、低運行能耗新風(fēng)凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)高過濾效率、低運行能耗新風(fēng)凈化系統(tǒng)調(diào)控策略，結(jié)合現(xiàn)場工況搭建監(jiān)控系統(tǒng)空調(diào)箱，外觀如圖3所示，新風(fēng)進(jìn)風(fēng)口位于辦公樓西側(cè)，通風(fēng)良好。室外大氣中顆粒物濃度是隨機波動的，為實現(xiàn)新風(fēng)凈化系統(tǒng)的實時反饋調(diào)節(jié)，在新風(fēng)進(jìn)風(fēng)段設(shè)計安裝PM2.5傳感器，根據(jù)室外進(jìn)風(fēng)PM2.5濃度連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)運行相應(yīng)的凈化方案，安裝位置如圖3所示；同時在排風(fēng)口安裝傳感器觀測室內(nèi)空氣質(zhì)量控制效果，安裝位置如圖2所示。綜合考慮傳感器性能和價格因素，選購市場上常見的光散射法PM2.5傳感器(文獻(xiàn)[11-12]所測D型)，安裝前對其進(jìn)行校正，測試誤差在±5%讀數(shù)或±10 μg/m3以內(nèi)。

圖3 空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)空調(diào)箱

通過傳感器監(jiān)測系統(tǒng)與新風(fēng)控制系統(tǒng)的集成，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)控平臺，監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4所示。該平臺可以實現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示和查看、風(fēng)機和過濾裝置運行狀態(tài)控制等功能。監(jiān)控系統(tǒng)的運行界面如圖4a所示，室外空氣進(jìn)入系統(tǒng)后，可根據(jù)室外新風(fēng)的PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)閥門的啟閉，選擇相應(yīng)的新風(fēng)過濾組合，根據(jù)室內(nèi)污染物濃度調(diào)節(jié)新風(fēng)量。設(shè)備控制面板如圖4b所示，可以對過濾模式和送風(fēng)、排風(fēng)的風(fēng)速進(jìn)行手動調(diào)節(jié)和自動反饋調(diào)節(jié)。

圖4 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)界面

3 建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)運行效果分析

3.1 室內(nèi)顆粒物控制效果

在系統(tǒng)運行期間對會議室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表3。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：在監(jiān)控系統(tǒng)開啟期間，大部分時間段室內(nèi)PM2.5日均質(zhì)量濃度在35 μg/m3以下；除去特殊情況下的數(shù)據(jù)，實測值與設(shè)計計算值偏差在30%左右。

表3 新風(fēng)系統(tǒng)開啟后室內(nèi)PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)

由表3還可以看出，在部分時間段，室內(nèi)PM2.5實測濃度高于計算濃度，分析發(fā)現(xiàn)可能的原因為：1) 11月14日和11月16日室內(nèi)PM2.5濃度偏高是由于調(diào)試過程中頻繁開關(guān)新風(fēng)機組機門導(dǎo)致新風(fēng)機組密封性變差，部分室外空氣未經(jīng)過過濾模塊直接進(jìn)入送風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致室內(nèi)濃度偏高；2) 該系統(tǒng)設(shè)計時未考慮吸煙、打印等室內(nèi)污染源，在12月6日，由于室內(nèi)人員吸煙和開窗行為，導(dǎo)致室內(nèi)PM2.5濃度急速升高，該新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)量不足以凈化吸煙產(chǎn)生的顆粒物而出現(xiàn)超標(biāo)。

3.2 運行成本分析

根據(jù)上海市2016年度室外大氣PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算得到在額定風(fēng)量下，過濾器在動態(tài)調(diào)節(jié)模式下運行比在傳統(tǒng)靜態(tài)模式下運行節(jié)能約73%，見表4。

表4 上海市2016年度室外PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)及過濾器能耗對比

在系統(tǒng)運行期間，測試了新風(fēng)通過不同過濾裝置時系統(tǒng)的耗功率與新風(fēng)量，計算得到了系統(tǒng)在不同過濾裝置運行模式下的單位風(fēng)量耗功率，如表5所示。

表5 新風(fēng)系統(tǒng)不同過濾模式下單位風(fēng)量耗功率/電費

按上海市一般工商業(yè)用電價格，夏季工作時段電價按0.925元/(kW·h)計，非夏季工作時段電價按0.894元/(kW·h)計，假設(shè)系統(tǒng)每天運行9 h，則根據(jù)上海市2016年度室外大氣PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)(見表4)，計算得到動態(tài)調(diào)控下系統(tǒng)全年單位風(fēng)量的電費為2.78元，如表5所示，系統(tǒng)在240 m3/h設(shè)計風(fēng)量下運行全年電費為667.2元。

不考慮動態(tài)調(diào)控的新風(fēng)系統(tǒng)，為滿足不保證5 d達(dá)標(biāo)的設(shè)計要求[8]，則送風(fēng)系統(tǒng)全年在M5+F7過濾器通道運行。此時，系統(tǒng)在設(shè)計風(fēng)量下運行一年需要電費為696元。與可隨室外污染情況自動調(diào)節(jié)過濾模式的調(diào)控系統(tǒng)相比，全年增加電費約28.8元。對整棟公共建筑而言，新風(fēng)量可達(dá)到105～106m3/h量級，動態(tài)調(diào)控新風(fēng)系統(tǒng)每年節(jié)約的電費將非?？捎^。

4 結(jié)論

1) 開發(fā)的高過濾效率、低運行能耗新風(fēng)凈化系統(tǒng)運行效果良好，室內(nèi)PM2.5濃度基本滿足設(shè)計要求，且新風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)控運行模式減少了系統(tǒng)運行能耗，表明提出的高過濾效率、低運行能耗調(diào)控策略是有效可行的，這為新風(fēng)凈化系統(tǒng)的高效節(jié)能運行、推廣應(yīng)用提供了工程經(jīng)驗。

2) 從實測效果看，系統(tǒng)漏風(fēng)和室內(nèi)吸煙等行為會導(dǎo)致室內(nèi)實測濃度與計算濃度偏差較大甚至高于設(shè)計值的情況。從系統(tǒng)角度，保證新風(fēng)機組箱體的密封性及運維期間的定期維護(hù)是十分必要的。從建筑運維角度，人員行為控制是十分重要的。

3) 相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，該新風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)備體積會增大，一方面設(shè)計中需要考慮此問題，另一方面如何充分利用這部分增大的體積是未來的研究工作之一。