高效新型通風窗的最佳運行策略

楊清泉 金梧鳳 張寧寧

（1.天津商業大學 天津 300400； 2.天津市制冷技術重點實驗室 天津 300400）

引言

傳統住宅建筑依靠墻體、門、窗等縫隙自然滲風或開窗自然通風來實現室內、外空氣的交換[1]。為了節約能耗降低負荷，人們增加了建筑的密閉性，而減小了自然滲風量，使得室內污染物無法完全清除、室內空氣品質下降[2,3]。

為了創造一個良好的室內環境，國內外學者做出了很多研究。許鐘麟[4]等人研究得出提高新風過濾器效率對提高室內空氣品質的作用比提高設備上和風口上的過濾器效率的作用更大。徐春艷[5]模擬分析了住宅負壓新風系統氣流組織，得出了在排風風速為3.5 m/s時，設置在窗戶下方高寬比為0.3的送風口，可以使室內空氣分布環境更好的新風方案。魏景姝[3]等人模擬分析了住宅建筑內自然滲風和雙向通風窗通風對室內CO2濃度的影響，結果表明應用雙向通風窗之后室內空氣品質得到了明顯改善。Wei[6]等人通過實驗研究了雙向通風窗不同設計參數在節能中的重要性。

目前國內對通風窗研究多是在能耗方面的研究，關于室內空氣品質方面的研究甚少，且針對室內空氣品質的影響也多是對單一污染物濃度的分析。本研究主要針對影響新型通風窗性能的通風器過濾效率和通風量進行模擬，探究了PM2.5和CO2同時存在時該新型通風窗對它們的改善效果，得出不同過濾效率條件下和高效過濾效率在不同通風量條件下對室內空氣品質的改善效果，并提出既能降低室內PM2.5濃度，又能滿足室內人員呼吸要求的通風器運行策略。

1 模擬內容

1.1 物理模型

根據天津市某住宅客廳結構建立如圖1所示數值模擬模型，其長，寬，高分別為8.9 m，4.2 m，2.9 m；模擬中的通風窗根據某公司研發的一種內置通風器的新型通風窗建立模型。通風窗的長，寬分別為2.2 m，2 m；在通風窗的中間位置（距地1.2 m高度處）內嵌一個長，寬，高分別為2.2 m，0.15 m，0.1 m的通風器。通風窗的通風量包含32 m3/h、43 m3/h、53 m3/h三個檔位。通風器進風口，排風口在模型中分別被簡化為長寬為1 m，0.01 m的長方形送風口和邊長為0.05 m的等邊三角形風口。送風口開口垂直于地面，且在其同側下方設置排風口。假設室內設置一個人作為污染源，釋放二氧化碳，人坐在沙發正對電視的位置。

1.2 模型參數和條件設置

1.2.1 模型參數

污染物的擴散是三維的非穩態過程，因此本文選用κ-ε湍流模型，以SIMPLEC的壓力-速度耦合算法進行模型的數值模擬計算。為了對建立的數學模型進行問題簡化，本文做了以下假設：

1）不考慮玻璃上的太陽輻射熱；

2）不考慮室內某些內壁面以及內部輻射熱之間的影響；

3）室內空氣假設為非穩態流動的不可壓縮流體，其密度是會隨溫度的變化而受到影響；

4）忽略房間污染物對室內氣流產生的影響；

5）假設房間沒有的內熱源且考慮重力。

1.2.2 邊界條件

表1為模型的邊界條件參數設置。

表1 邊界條件表

1.3 模型工況

本文選取通風窗送風量和通風器過濾效率作為影響因素，主要做了三個工況的模擬，具體如表2所示。實驗非穩態時間為300 mins，每5 mins保存一次。

表2 模擬工況表

2 模擬結果分析

本文模擬了通風量分別為53 m3/h、43 m3/h和32 m3/h，通風器過濾效率分別為90.3 %、70.8 %和40 %條件下，室內不同時刻的平均的PM2.5和CO2濃度變化情況。鑒于上述的模擬結果，對不同通風器過濾效率、和高過濾效率下通風量兩個方面進行分析，得出了該新型通風窗在高過濾效率下的最佳運行時間以及運行策略。

2.1 新型通風窗對室內PM2.5濃度的影響

2.1.1 不同過濾效率

利用fluent軟件分別對通風器過濾效率為90.3 %、70.8 %和40 %的條件下，不同通風量下室內的濃度分布進行非穩態模擬，每隔5 mins記錄一次，共記錄了300 mins時間內的濃度變化過程，即工況1、2、3的對比。表3列出了在不同送風量時，三種過濾效率下，室內PM2.5平均濃度達到一級限值（35 μg/m3）和二級限值（75 μg/m3）的時間，以及其在兩個時間段（180 mins，300 mins）內PM2.5濃度的變化速率。

表3 PM2.5 濃度變化表

表3為不同工況下PM2.5值濃度變化表。無論送風量為何值，當通風器效率為40 %時，室內空氣無法滿足健康濃度要求且有且僅有在通風器過濾效率為90.3 %時室內空氣才能達到一級限值；隨著過濾效率的增加，室內PM2.5的凈化時間呈下降趨勢。當通風器效率為70.8 %時，開啟通風窗70～120 mins才能達到大多數人的健康PM2.5濃度要求；當通風器效率為90.3 %時，開啟通風窗40～70 mins就能夠滿足大多數人的健康PM2.5濃度要求。在相同風量下達到二級限值的凈化時間，90.3 %過濾效率對比起70 %過濾效率分別快了 50 mins，35 mins，20 mins。在 180 mins時的速率相比于過濾效率為70.8%時分別增加了49.67 %、47.03 %和45.73 %；在300 mins時的速率相比于過濾效率為70.8 %時分別增加了62.5 %、50 %、70 %，明顯更加優于過濾效率70.8 %。

因此對于室外環境污染物濃度在中度污染以上時，優先選取高效過濾濾料，縮短人體暴露在不健康污染物濃度下的時間。

2.1.2 不同通風量

圖2為不同風量下室內平均PM2.5濃度隨時間變化圖。從圖2可以看出，室內PM2.5濃度隨著時間的增加呈下降趨勢。從時間上看，在通風窗運行的300 mins內，送風量為32 m3/h工況下室內PM2.5平均濃度一直高于35 μg/m3，未低于室內空氣PM2.5一級標準濃度值。送風量為43 m3/h和53 m3/h的工況室內PM2.5平均濃度分別在運行235 mins和185 mins后低于35 μg/m3。通風量為53 m3/h的通風模式相比于通風量為43 m3/h的通風模式，達到一級濃度限值的時間提前了50 mins；以二級濃度限值為標準時，通風量為53 m3/h、43 m3/h和32 m3/h分別在40 mins、50 mins和70 mins達到限值要求，通風量為53 m3/h僅比通風量為43 m3/h和32 m3/h時提前了10 mins和30 mins。從濃度上看，通風量為53 m3/h和43 m3/h的通風模式相對于通風量為32 m3/h的通風模式，在60 mins時，分別降低了15.42 %和8.78 %；在180 mins時，達到了濃度差最大值，分別降低了30.99 %和19.18 %；180 mins后濃度差開始降低，但相對降低百分比卻仍有增加，在300 mins時相對降低量分別為34.34 %和22.43 %。

圖2 PM2.5濃度變化圖

綜上，可以看出三種通風量都能滿足人員所需新風量要求，都對室內空氣品質有改善效果，只是改善的程度不同，通風量較高的53 m3/h無論從達到濃度限值的時間還是改善效果來看，都要優于其他兩種通風量。

2.2 新型通風窗對室內CO2濃度的影響

由于過濾效率在40 %和70.8 %時，室內PM2.5濃度無法下降至一級限值以下，因此本節主要分析工況3不同通風量室內CO2平均濃度隨時間的變化情況。本節所有分析均在室外CO2濃度為400 ppm，通風器過濾效率為90.3 %條件下。實驗非穩態時間為300 mins，每5 mins保存一次。

2.2.1 不同通風量

本節是對工況3的不同通風量下的CO2平均濃度的分析，圖3是室內存在一個人體CO2污染源時，不同通風量下，室內CO2濃度隨時間的變化曲線，CO2濃度限值為1 000 ppm。

圖3 CO2濃度變化圖

圖3為不同風量下室內平均CO2濃度隨時間變化圖，從圖中可看出，通風量為53 m3/h和43 m3/h的通風模式相對于通風量為32 m3/h的通風模式，在60 mins時，分別降低了4.12 %和2.29 %，差距很??；60120 mins時，出現了明顯的差距，但都在限值濃度以下；在120～180 mins時，送風量32 m3/h的室內CO2濃度在160 mins后就超出了限值濃度；在180 mins后，送風量43 m3/h的室內CO2濃度在200 mins后超出限值濃度，在模擬的300 mins內，送風量53 m3/h的室內CO2濃度都未超出限值濃度。隨著時間的增加，不同通風量間的濃度差不斷增大。

由于CO2的污染源位于室內，隨著時間的增加，室內CO2濃度也在增加，較高的送風量只能推遲室內CO2濃度達到限值濃度的時間，因此可以根據人在室內停留的時間來選取合適的送風模式。

3 結論

本文主要利用數值模擬的方法研究通風器效率和送風量對室內PM2.5和CO2濃度的影響，根據模擬得出以下結論：

1）隨著通風器過濾效率的提高，室內PM2.5濃度降低明顯，且過濾效率90 %明顯優于其他兩種過濾效率，在室外環境處于中度污染（110～150 μg/m3）范圍時開啟通風窗40～70 mins后就可以滿足大多數人群的健康要求。

2）當室外環境在中度污染（110～150 μg/m3）范圍，室內環境質量較差時開啟該新型通風窗，對室內空氣品質具有改善作用。送風量越大，室內平均PM2.5濃度越低，室內到達標準限值的時間也越短；室內CO2上升速率越慢，超過標準限值所需的時間越長。

3）32 m3/h和43 m3/h的通風模式，無法同時滿足室內CO2存在時的PM2.5濃度一級限值，對于53 m3/h的通風模式，最佳開啟時間為185～300 mins。若 PM2.5濃度取二級限值，32 m3/h、43 m3/h和53 m3/h的通風模式的最佳開啟時間分別為70～160 mins、50～200 mins和40～300 mins。