高效新型通风窗的最佳运行策略

杨清泉 金梧凤 张宁宁

（1.天津商业大学 天津 300400； 2.天津市制冷技术重点实验室 天津 300400）

引言

传统住宅建筑依靠墙体、门、窗等缝隙自然渗风或开窗自然通风来实现室内、外空气的交换[1]。为了节约能耗降低负荷，人们增加了建筑的密闭性，而减小了自然渗风量，使得室内污染物无法完全清除、室内空气品质下降[2,3]。

为了创造一个良好的室内环境，国内外学者做出了很多研究。许钟麟[4]等人研究得出提高新风过滤器效率对提高室内空气品质的作用比提高设备上和风口上的过滤器效率的作用更大。徐春艳[5]模拟分析了住宅负压新风系统气流组织，得出了在排风风速为3.5 m/s时，设置在窗户下方高宽比为0.3的送风口，可以使室内空气分布环境更好的新风方案。魏景姝[3]等人模拟分析了住宅建筑内自然渗风和双向通风窗通风对室内CO2浓度的影响，结果表明应用双向通风窗之后室内空气品质得到了明显改善。Wei[6]等人通过实验研究了双向通风窗不同设计参数在节能中的重要性。

目前国内对通风窗研究多是在能耗方面的研究，关于室内空气品质方面的研究甚少，且针对室内空气品质的影响也多是对单一污染物浓度的分析。本研究主要针对影响新型通风窗性能的通风器过滤效率和通风量进行模拟，探究了PM2.5和CO2同时存在时该新型通风窗对它们的改善效果，得出不同过滤效率条件下和高效过滤效率在不同通风量条件下对室内空气品质的改善效果，并提出既能降低室内PM2.5浓度，又能满足室内人员呼吸要求的通风器运行策略。

1 模拟内容

1.1 物理模型

根据天津市某住宅客厅结构建立如图1所示数值模拟模型，其长，宽，高分别为8.9 m，4.2 m，2.9 m；模拟中的通风窗根据某公司研发的一种内置通风器的新型通风窗建立模型。通风窗的长，宽分别为2.2 m，2 m；在通风窗的中间位置（距地1.2 m高度处）内嵌一个长，宽，高分别为2.2 m，0.15 m，0.1 m的通风器。通风窗的通风量包含32 m3/h、43 m3/h、53 m3/h三个档位。通风器进风口，排风口在模型中分别被简化为长宽为1 m，0.01 m的长方形送风口和边长为0.05 m的等边三角形风口。送风口开口垂直于地面，且在其同侧下方设置排风口。假设室内设置一个人作为污染源，释放二氧化碳，人坐在沙发正对电视的位置。

1.2 模型参数和条件设置

1.2.1 模型参数

污染物的扩散是三维的非稳态过程，因此本文选用κ-ε湍流模型，以SIMPLEC的压力-速度耦合算法进行模型的数值模拟计算。为了对建立的数学模型进行问题简化，本文做了以下假设：

1）不考虑玻璃上的太阳辐射热；

2）不考虑室内某些内壁面以及内部辐射热之间的影响；

3）室内空气假设为非稳态流动的不可压缩流体，其密度是会随温度的变化而受到影响；

4）忽略房间污染物对室内气流产生的影响；

5）假设房间没有的内热源且考虑重力。

1.2.2 边界条件

表1为模型的边界条件参数设置。

表1 边界条件表

1.3 模型工况

本文选取通风窗送风量和通风器过滤效率作为影响因素，主要做了三个工况的模拟，具体如表2所示。实验非稳态时间为300 mins，每5 mins保存一次。

表2 模拟工况表

2 模拟结果分析

本文模拟了通风量分别为53 m3/h、43 m3/h和32 m3/h，通风器过滤效率分别为90.3 %、70.8 %和40 %条件下，室内不同时刻的平均的PM2.5和CO2浓度变化情况。鉴于上述的模拟结果，对不同通风器过滤效率、和高过滤效率下通风量两个方面进行分析，得出了该新型通风窗在高过滤效率下的最佳运行时间以及运行策略。

2.1 新型通风窗对室内PM2.5浓度的影响

2.1.1 不同过滤效率

利用fluent软件分别对通风器过滤效率为90.3 %、70.8 %和40 %的条件下，不同通风量下室内的浓度分布进行非稳态模拟，每隔5 mins记录一次，共记录了300 mins时间内的浓度变化过程，即工况1、2、3的对比。表3列出了在不同送风量时，三种过滤效率下，室内PM2.5平均浓度达到一级限值（35 μg/m3）和二级限值（75 μg/m3）的时间，以及其在两个时间段（180 mins，300 mins）内PM2.5浓度的变化速率。

表3 PM2.5 浓度变化表

表3为不同工况下PM2.5值浓度变化表。无论送风量为何值，当通风器效率为40 %时，室内空气无法满足健康浓度要求且有且仅有在通风器过滤效率为90.3 %时室内空气才能达到一级限值；随着过滤效率的增加，室内PM2.5的净化时间呈下降趋势。当通风器效率为70.8 %时，开启通风窗70～120 mins才能达到大多数人的健康PM2.5浓度要求；当通风器效率为90.3 %时，开启通风窗40～70 mins就能够满足大多数人的健康PM2.5浓度要求。在相同风量下达到二级限值的净化时间，90.3 %过滤效率对比起70 %过滤效率分别快了 50 mins，35 mins，20 mins。在 180 mins时的速率相比于过滤效率为70.8%时分别增加了49.67 %、47.03 %和45.73 %；在300 mins时的速率相比于过滤效率为70.8 %时分别增加了62.5 %、50 %、70 %，明显更加优于过滤效率70.8 %。

因此对于室外环境污染物浓度在中度污染以上时，优先选取高效过滤滤料，缩短人体暴露在不健康污染物浓度下的时间。

2.1.2 不同通风量

图2为不同风量下室内平均PM2.5浓度随时间变化图。从图2可以看出，室内PM2.5浓度随着时间的增加呈下降趋势。从时间上看，在通风窗运行的300 mins内，送风量为32 m3/h工况下室内PM2.5平均浓度一直高于35 μg/m3，未低于室内空气PM2.5一级标准浓度值。送风量为43 m3/h和53 m3/h的工况室内PM2.5平均浓度分别在运行235 mins和185 mins后低于35 μg/m3。通风量为53 m3/h的通风模式相比于通风量为43 m3/h的通风模式，达到一级浓度限值的时间提前了50 mins；以二级浓度限值为标准时，通风量为53 m3/h、43 m3/h和32 m3/h分别在40 mins、50 mins和70 mins达到限值要求，通风量为53 m3/h仅比通风量为43 m3/h和32 m3/h时提前了10 mins和30 mins。从浓度上看，通风量为53 m3/h和43 m3/h的通风模式相对于通风量为32 m3/h的通风模式，在60 mins时，分别降低了15.42 %和8.78 %；在180 mins时，达到了浓度差最大值，分别降低了30.99 %和19.18 %；180 mins后浓度差开始降低，但相对降低百分比却仍有增加，在300 mins时相对降低量分别为34.34 %和22.43 %。

图2 PM2.5浓度变化图

综上，可以看出三种通风量都能满足人员所需新风量要求，都对室内空气品质有改善效果，只是改善的程度不同，通风量较高的53 m3/h无论从达到浓度限值的时间还是改善效果来看，都要优于其他两种通风量。

2.2 新型通风窗对室内CO2浓度的影响

由于过滤效率在40 %和70.8 %时，室内PM2.5浓度无法下降至一级限值以下，因此本节主要分析工况3不同通风量室内CO2平均浓度随时间的变化情况。本节所有分析均在室外CO2浓度为400 ppm，通风器过滤效率为90.3 %条件下。实验非稳态时间为300 mins，每5 mins保存一次。

2.2.1 不同通风量

本节是对工况3的不同通风量下的CO2平均浓度的分析，图3是室内存在一个人体CO2污染源时，不同通风量下，室内CO2浓度随时间的变化曲线，CO2浓度限值为1 000 ppm。

图3 CO2浓度变化图

图3为不同风量下室内平均CO2浓度随时间变化图，从图中可看出，通风量为53 m3/h和43 m3/h的通风模式相对于通风量为32 m3/h的通风模式，在60 mins时，分别降低了4.12 %和2.29 %，差距很小；60120 mins时，出现了明显的差距，但都在限值浓度以下；在120～180 mins时，送风量32 m3/h的室内CO2浓度在160 mins后就超出了限值浓度；在180 mins后，送风量43 m3/h的室内CO2浓度在200 mins后超出限值浓度，在模拟的300 mins内，送风量53 m3/h的室内CO2浓度都未超出限值浓度。随着时间的增加，不同通风量间的浓度差不断增大。

由于CO2的污染源位于室内，随着时间的增加，室内CO2浓度也在增加，较高的送风量只能推迟室内CO2浓度达到限值浓度的时间，因此可以根据人在室内停留的时间来选取合适的送风模式。

3 结论

本文主要利用数值模拟的方法研究通风器效率和送风量对室内PM2.5和CO2浓度的影响，根据模拟得出以下结论：

1）随着通风器过滤效率的提高，室内PM2.5浓度降低明显，且过滤效率90 %明显优于其他两种过滤效率，在室外环境处于中度污染（110～150 μg/m3）范围时开启通风窗40～70 mins后就可以满足大多数人群的健康要求。

2）当室外环境在中度污染（110～150 μg/m3）范围，室内环境质量较差时开启该新型通风窗，对室内空气品质具有改善作用。送风量越大，室内平均PM2.5浓度越低，室内到达标准限值的时间也越短；室内CO2上升速率越慢，超过标准限值所需的时间越长。

3）32 m3/h和43 m3/h的通风模式，无法同时满足室内CO2存在时的PM2.5浓度一级限值，对于53 m3/h的通风模式，最佳开启时间为185～300 mins。若 PM2.5浓度取二级限值，32 m3/h、43 m3/h和53 m3/h的通风模式的最佳开启时间分别为70～160 mins、50～200 mins和40～300 mins。