北京工業(yè)大學(xué) 劉曉霄  簡(jiǎn)毅文  王旭  郭銳敏  田園泉  侯雨晨

       【摘  要】為了填補(bǔ)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)缺失IAQ相關(guān)計(jì)算軟件的空白，本研究開發(fā)了IAQ計(jì)算模塊。同時(shí)，針對(duì)北京某住戶進(jìn)行室內(nèi)PM2.5濃度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，用于驗(yàn)證IAQ計(jì)算程序的可靠性。經(jīng)過模擬與實(shí)測(cè)的對(duì)比驗(yàn)證，本研究開發(fā)的IAQ模塊計(jì)算結(jié)果可靠。最后，應(yīng)用IAQ程序進(jìn)行模擬計(jì)算，初步分析了適用于北京地區(qū)的通風(fēng)凈化策略，結(jié)果表明：當(dāng)室外PM2.5濃度處于中度污染以上時(shí)開啟室內(nèi)空氣凈化器并關(guān)閉門窗，可以將室內(nèi)PM2.5濃度控制在可接受范圍內(nèi)。

      【關(guān)鍵詞】室內(nèi)空氣品質(zhì)；模擬；PM2.5濃度；通風(fēng)凈化策略

      【基金項(xiàng)目】國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“居住建筑室內(nèi)通風(fēng)及室內(nèi)空氣質(zhì)量營(yíng)造”（2016YFC0700500）

Abstract:In order to fill the gap of missing IAQ related computing software in the domestic market, this study developed an IAQ computing module. Meanwhile, long-term monitoring of indoor PM2.5 concentration was carried out for a household in Beijing to verify the reliability of the IAQ calculation procedure. The calculation results of the IAQ module developed in this study are reliable after the comparison between simulation and actual measurement. Simulated calculation, and finally, the application of IAQ program preliminary analyzes the ventilation purification strategies suitable for Beijing area, the results show that when the outdoor concentrations of PM2.5 are in a moderate pollution above open indoor air purifier and close the doors and Windows, indoor PM2.5 concentration can be controlled within the acceptable range.
Key words:indoor air quality; Simulation; PM2.5 concentrations; Ventilation and purification strategy

1 研究背景

      近幾十年來，大氣PM2.5濃度超標(biāo)使得全球范圍內(nèi)的人們?cè)絹碓疥P(guān)注室內(nèi)空氣品質(zhì)問題^[1-5]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)住宅室內(nèi)空氣污染情況尤為嚴(yán)重。我國(guó)傳統(tǒng)的烹飪方式易造成大量顆粒物和多環(huán)芳烴的散發(fā)，形成“內(nèi)憂”；此外還有“外患”——中國(guó)是世界上大氣PM2.5污染最嚴(yán)重的國(guó)家之一。這些“內(nèi)憂”和“外患”造成建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量差，嚴(yán)重威脅我國(guó)居民的身體健康。

      為了有效控制室內(nèi)污染、改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，目前我國(guó)多采用通新風(fēng)和空氣凈化的方法^[6]。然而，不管是采用何種方法，為了改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，都需要付出建筑能耗增加的代價(jià)。因此，建筑室內(nèi)空氣環(huán)境的控制和建筑節(jié)能措施的實(shí)行，應(yīng)綜合考慮室內(nèi)熱濕環(huán)境、空氣品質(zhì)、通風(fēng)策略和建筑能耗等多方面因素，對(duì)于建筑室內(nèi)環(huán)境的評(píng)價(jià)也應(yīng)綜合各因素的影響，力求全面。

      運(yùn)用建筑模擬的方法可以準(zhǔn)確便捷地預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)建筑室內(nèi)環(huán)境，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員和住戶采用合適的通風(fēng)凈化策略，改善建筑室內(nèi)環(huán)境，降低能耗。然而，以EnergyPlus為代表的國(guó)外建筑環(huán)境模擬軟件， 主要著眼于室內(nèi)熱濕環(huán)境，對(duì)于室內(nèi)通風(fēng)狀況及空氣品質(zhì)問題多采用簡(jiǎn)化處理；我國(guó)本土的建筑環(huán)境模擬軟件DeST，僅僅實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)與熱環(huán)境的耦合計(jì)算，仍沒有室內(nèi)空氣品質(zhì)相關(guān)計(jì)算的能力；針對(duì)通風(fēng)計(jì)算、室內(nèi)污染物分布及空氣品質(zhì)的模擬軟件，如CONTAM、COMIS及各種CFD模擬軟件等，將建筑熱濕環(huán)境采取簡(jiǎn)單處理的方式，因此通常需要同其他建筑熱模擬軟件結(jié)合使用，較為不便。^[7]

      綜上所述，只有將建筑熱濕環(huán)境同通風(fēng)狀況、污染物擴(kuò)散情況及空氣凈化裝置綜合考慮，才能較為完整地描述建筑室內(nèi)環(huán)境，而當(dāng)前的模擬軟件仍不能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，因此，有必要開發(fā)建筑熱濕環(huán)境、通風(fēng)、污染物擴(kuò)散及空氣凈化模塊的聯(lián)合模擬軟件。本文選取國(guó)內(nèi)普遍關(guān)注的PM2.5濃度作為模擬對(duì)象，嘗試提出了IAQ模擬軟件的理論框架，建立了IAQ計(jì)算程序，同時(shí)選取北京市某一戶住宅對(duì)其室內(nèi)PM2.5濃度、開關(guān)窗行為和凈化器使用情況進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，用于驗(yàn)證IAQ程序。此外，應(yīng)用IAQ計(jì)算模塊初步分析了適用于北京地區(qū)的通風(fēng)凈化策略。

2 程序理論框架

      2.1 IAQ模塊基本計(jì)算思路

      本研究已經(jīng)完成了IAQ計(jì)算模塊的開發(fā)，其基本計(jì)算思路為：將房間參數(shù)及室內(nèi)溫濕度、污染源散發(fā)速率、通風(fēng)換氣情況等作為輸入條件帶入IAQ計(jì)算模塊中，通過設(shè)置IAQ計(jì)算模塊各凈化設(shè)備的作息進(jìn)行室內(nèi)空氣品質(zhì)的相關(guān)計(jì)算。目前IAQ模塊可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)CO2與PM2.5濃度計(jì)算、凈化器、機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行模擬，本文主要針對(duì)室內(nèi)PM2.5濃度和凈化器開啟狀況進(jìn)行模擬研究。

      2.2 IAQ程序計(jì)算模型

      以建筑內(nèi)的單個(gè)房間為研究對(duì)象，建立污染物的質(zhì)量平衡方程式（1）。其中，V為區(qū)域i的體積，m³；ρ為污染物z的密度，kg/m³；G_f,z,i為區(qū)域i內(nèi)污染物z的散發(fā)量，kg/s；R_i,z為區(qū)域i內(nèi)的排風(fēng)量或凈化風(fēng)量（本研究中對(duì)應(yīng)凈化器的CADR值），kg/s；m_j為區(qū)域j經(jīng)由某空氣流通路徑流入?yún)^(qū)域i的空氣質(zhì)量流量，kg/s；C_f,z,i為區(qū)域j內(nèi)污染物z的濃度，μg/m³。C^t_f,z,i為t時(shí)刻區(qū)域i內(nèi)污染物z的濃度，μg/m3；為單位時(shí)間區(qū)域i內(nèi)污染物z的質(zhì)量變化；為上一時(shí)間步長(zhǎng)室內(nèi)污染源和匯的綜合作用結(jié)果，可用式（2）計(jì)算。
       

      采用差分法對(duì)平衡方程進(jìn)行處理，考慮到數(shù)值穩(wěn)定性的因素，運(yùn)用后退Eular公式對(duì)方程組進(jìn)行求解。以t+δt時(shí)刻作為當(dāng)前計(jì)算時(shí)刻，用均差代替導(dǎo)數(shù)，并將含C^t_z的項(xiàng)移至右側(cè)，得到隱式方程（3）。利用迭代法求解隱式方程：首先利用式（3）以t時(shí)刻作為當(dāng)前時(shí)刻得到顯式方程（4），根據(jù)上一時(shí)刻的污染物濃度值計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的初值，然后帶入隱式方程（3）迭代計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻C^t+δt_i的終值，當(dāng)前后兩次迭代結(jié)果的差值滿足精度要求時(shí)進(jìn)入下一時(shí)刻，如此循環(huán)迭代直至所有時(shí)刻計(jì)算完畢。

      將凈化器模型作為匯項(xiàng)，采用風(fēng)量修正模型，充分考慮積灰和縫隙旁通對(duì)于凈化效率和CADR值的影響，得到其實(shí)際的凈化效率及對(duì)應(yīng)的CADR值，帶入上式（3）和（4），可求得凈化器開啟狀態(tài)下室內(nèi)的PM2.5濃度值。、

3 程序驗(yàn)證

      本研究選取北京市的一戶住宅作為實(shí)測(cè)對(duì)象，運(yùn)用QD-W1 PM2.5濃度自記儀對(duì)其室內(nèi)PM2.5濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)用WGLZY-1智能功率儀監(jiān)測(cè)空氣凈化器的瞬時(shí)功率和耗電量，由此得知設(shè)備的開啟時(shí)間和瞬時(shí)能耗。

      監(jiān)測(cè)住戶的戶型平面圖如圖2所示，體積為182m³，戶內(nèi)人員構(gòu)成是一家三口，包括兩位成年人和一位未成年人。在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，房間內(nèi)門處于開啟狀態(tài)，外門關(guān)閉。

      選取2017年冬季的兩日（1月22日和2月16日），分別對(duì)室內(nèi)PM2.5濃度進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖3所示。

      從圖3可知，IAQ程序模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的凈化器運(yùn)行狀況可知，2月16日室內(nèi)空氣凈化器從凌晨0:00到早上9:20處于開啟狀態(tài)，故在室外PM2.5濃度較高的情況下室內(nèi)PM2.5濃度仍保持在100μg/m³以下，模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果均體現(xiàn)了這一點(diǎn)（圖a）。在1月22日，通過詢問被測(cè)戶主得知17:20至17:50戶內(nèi)進(jìn)行了30min的廚房炊事活動(dòng)，導(dǎo)致室內(nèi)產(chǎn)生PM2.5散發(fā)源，使得室內(nèi)PM2.5濃度激增，隨后在室內(nèi)通風(fēng)換氣的作用下PM2.5濃度開始下降（圖b）。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相同，誤差在可接受范圍內(nèi)。

       進(jìn)一步分析圖a誤差的產(chǎn)生原因可知，早上7:20存在廚房炊事活動(dòng)的可能性，或由于人員活動(dòng)（如清掃等）導(dǎo)致室內(nèi)沉降的污染物重新懸浮于空氣中，被監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)并記錄下來，而在模擬計(jì)算的過程中難以充分考慮各種污染源散發(fā)的可能性。而圖b產(chǎn)生誤差的原因可能是實(shí)際廚房污染物散發(fā)速率與模擬時(shí)設(shè)定的參數(shù)有所差別，且廚房炊事活動(dòng)較為復(fù)雜難以準(zhǔn)確定義導(dǎo)致。

      綜上所述，IAQ計(jì)算程序的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，誤差在可接受范圍內(nèi)，計(jì)算程序有較好的可靠性。

4 程序應(yīng)用

      在驗(yàn)證IAQ計(jì)算模塊結(jié)果可靠的前提下，應(yīng)用該程序模擬北京地區(qū)不同凈化策略下的室內(nèi)空氣環(huán)境，初步分析適用于北京地區(qū)的經(jīng)濟(jì)合理的通風(fēng)及凈化策略。

      4.1 模擬工況

      模擬地點(diǎn)為北京，凈化器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：初始風(fēng)量為0.1m³/s；初始凈化效率為90%；濾料初始填充率為0.04，過濾面積為4.1m²，濾料厚度為0.08m，纖維直徑為10μm，模擬時(shí)間為2016年一整年，時(shí)間步長(zhǎng)為1小時(shí)，室外PM2.5濃度取自室外氣象站。

      為初步分析適于北京地區(qū)的通風(fēng)凈化策略，設(shè)置如下3種模擬工況（表1），以房間換氣次數(shù)表征通風(fēng)策略，凈化器開啟作息表征凈化策略。其中，工況三根據(jù)室外大氣狀態(tài)確定凈化器是否開啟，凈化器開啟原則分為兩類：1、室外PM2.5濃度≥75μg/m³時(shí)開啟凈化器，即室外有污染即開啟凈化器；2、室外PM2.5濃度≥150μg/m3時(shí)開啟，即室外大氣處于中度污染以上時(shí)開啟凈化器。

      4.2 模擬結(jié)果

      分別模擬上述三種工況下室內(nèi)外的PM2.5濃度。由工況一的模擬結(jié)果（圖5），對(duì)比凈化器開啟和關(guān)閉狀態(tài)下室內(nèi)PM2.5濃度可知，在未開啟凈化器時(shí)，由于門窗縫隙滲透的作用，室內(nèi)PM2.5濃度雖較之室外有所降低但仍處于較高水平，完全不能滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求。此外，對(duì)比兩通風(fēng)換氣次數(shù)的結(jié)果可知，門窗密閉性越好，滲透風(fēng)量越小，室內(nèi)PM2.5濃度越低，但僅僅依靠關(guān)閉門窗難以滿足室內(nèi)PM2.5濃度的要求。

      工況一在兩種換氣次數(shù)下的室內(nèi)PM2.5濃度分布結(jié)果如圖6所示。當(dāng)凈化器每日的作息固定時(shí)，室內(nèi)PM2.5濃度的不滿足率（＞35μg/m3）較高。分析原因可知，當(dāng)室外PM2.5濃度水平較高時(shí)，由于凈化器作息固定，該時(shí)段可能并未開啟凈化器，使得室內(nèi)PM2.5濃度較高。

      工況二的模擬結(jié)果如圖7所示。分析結(jié)果可知，當(dāng)凈化器全年不間斷運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)PM2.5濃度可控制在較低水平，當(dāng)換氣次數(shù)為0.5ACH時(shí)，室內(nèi)PM2.5不滿足率（＞35μg/m3）為17.4%；當(dāng)換氣次數(shù)為0.12ACH時(shí)，室內(nèi)PM2.5不滿足率僅為0.2%。與工況一相比，室內(nèi)PM2.5濃度狀況有明顯改善。

      然而考慮到節(jié)能，住戶不可能全年不間斷開啟凈化器，該工況與實(shí)際不符。因此，將該工況作為理想工況，對(duì)比分析工況三的模擬結(jié)果，如圖8所示。

      由圖8可知，當(dāng)住戶依照室外PM2.5濃度確定凈化器的開關(guān)模式時(shí)，室內(nèi)空氣可基本控制在優(yōu)良水平（PM2.5濃度≤75μg/m³）。若室外一有污染即開啟凈化器（≥75μg/m³開啟），室內(nèi)PM2.5濃度的不滿足率（＞35μg/m³）僅為6%；若室外中度污染以上時(shí)開啟凈化器（≥150μg/m³開啟），室內(nèi)PM2.5濃度的不滿足率為45%，但除去室內(nèi)處于“良”（35~75μg/m³）的時(shí)間，不滿足率只有7.7%。

5 結(jié)論

      本研究實(shí)現(xiàn)了IAQ模塊的程序計(jì)算，通過程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了程序計(jì)算的可靠性，進(jìn)而應(yīng)用IAQ程序初步分析了適用于北京地區(qū)的通風(fēng)凈化策略，得到以下結(jié)論：

      1）IAQ計(jì)算模型的模擬結(jié)果可靠性較好；

      2）在自然滲透的條件下，門窗密閉性越好室內(nèi)PM2.5濃度越低，但僅僅依靠關(guān)閉門窗難以滿足室內(nèi)PM2.5濃度的要求；

      3）初步分析可知，當(dāng)室外PM2.5濃度處于中度污染以上時(shí)開啟室內(nèi)空氣凈化器并關(guān)閉門窗，可以將室內(nèi)PM2.5濃度控制在可接受范圍內(nèi)。

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      備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)文集）。
                版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。