北京工業大學 劉曉霄  簡毅文  王旭  郭銳敏  田園泉  侯雨晨

       【摘  要】為了填補國內市場缺失IAQ相關計算軟件的空白，本研究開發了IAQ計算模塊。同時，針對北京某住戶進行室內PM2.5濃度的長期監測，用于驗證IAQ計算程序的可靠性。經過模擬與實測的對比驗證，本研究開發的IAQ模塊計算結果可靠。最后，應用IAQ程序進行模擬計算，初步分析了適用于北京地區的通風凈化策略，結果表明：當室外PM2.5濃度處于中度污染以上時開啟室內空氣凈化器并關閉門窗，可以將室內PM2.5濃度控制在可接受范圍內。

      【關鍵詞】室內空氣品質；模擬；PM2.5濃度；通風凈化策略

      【基金項目】國家重點研發計劃項目“居住建筑室內通風及室內空氣質量營造”（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濃度超標使得全球范圍內的人們越來越關注室內空氣品質問題^[1-5]。與發達國家相比，我國住宅室內空氣污染情況尤為嚴重。我國傳統的烹飪方式易造成大量顆粒物和多環芳烴的散發，形成“內憂”；此外還有“外患”——中國是世界上大氣PM2.5污染最嚴重的國家之一。這些“內憂”和“外患”造成建筑室內空氣質量差，嚴重威脅我國居民的身體健康。

      為了有效控制室內污染、改善室內空氣質量，目前我國多采用通新風和空氣凈化的方法^[6]。然而，不管是采用何種方法，為了改善室內空氣品質，都需要付出建筑能耗增加的代價。因此，建筑室內空氣環境的控制和建筑節能措施的實行，應綜合考慮室內熱濕環境、空氣品質、通風策略和建筑能耗等多方面因素，對于建筑室內環境的評價也應綜合各因素的影響，力求全面。

      運用建筑模擬的方法可以準確便捷地預測和評價建筑室內環境，從而指導設計人員和住戶采用合適的通風凈化策略，改善建筑室內環境，降低能耗。然而，以EnergyPlus為代表的國外建筑環境模擬軟件， 主要著眼于室內熱濕環境，對于室內通風狀況及空氣品質問題多采用簡化處理；我國本土的建筑環境模擬軟件DeST，僅僅實現了通風與熱環境的耦合計算，仍沒有室內空氣品質相關計算的能力；針對通風計算、室內污染物分布及空氣品質的模擬軟件，如CONTAM、COMIS及各種CFD模擬軟件等，將建筑熱濕環境采取簡單處理的方式，因此通常需要同其他建筑熱模擬軟件結合使用，較為不便。^[7]

      綜上所述，只有將建筑熱濕環境同通風狀況、污染物擴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環境，而當前的模擬軟件仍不能實現這一目標，因此，有必要開發建筑熱濕環境、通風、污染物擴散及空氣凈化模塊的聯合模擬軟件。本文選取國內普遍關注的PM2.5濃度作為模擬對象，嘗試提出了IAQ模擬軟件的理論框架，建立了IAQ計算程序，同時選取北京市某一戶住宅對其室內PM2.5濃度、開關窗行為和凈化器使用情況進行了長期監測，用于驗證IAQ程序。此外，應用IAQ計算模塊初步分析了適用于北京地區的通風凈化策略。

2 程序理論框架

      2.1 IAQ模塊基本計算思路

      本研究已經完成了IAQ計算模塊的開發，其基本計算思路為：將房間參數及室內溫濕度、污染源散發速率、通風換氣情況等作為輸入條件帶入IAQ計算模塊中，通過設置IAQ計算模塊各凈化設備的作息進行室內空氣品質的相關計算。目前IAQ模塊可實現室內CO2與PM2.5濃度計算、凈化器、機械通風系統的運行模擬，本文主要針對室內PM2.5濃度和凈化器開啟狀況進行模擬研究。

      2.2 IAQ程序計算模型

      以建筑內的單個房間為研究對象，建立污染物的質量平衡方程式（1）。其中，V為區域i的體積，m³；ρ為污染物z的密度，kg/m³；G_f,z,i為區域i內污染物z的散發量，kg/s；R_i,z為區域i內的排風量或凈化風量（本研究中對應凈化器的CADR值），kg/s；m_j為區域j經由某空氣流通路徑流入區域i的空氣質量流量，kg/s；C_f,z,i為區域j內污染物z的濃度，μg/m³。C^t_f,z,i為t時刻區域i內污染物z的濃度，μg/m3；為單位時間區域i內污染物z的質量變化；為上一時間步長室內污染源和匯的綜合作用結果，可用式（2）計算。
       

      采用差分法對平衡方程進行處理，考慮到數值穩定性的因素，運用后退Eular公式對方程組進行求解。以t+δt時刻作為當前計算時刻，用均差代替導數，并將含C^t_z的項移至右側，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時刻作為當前時刻得到顯式方程（4），根據上一時刻的污染物濃度值計算當前時刻的初值，然后帶入隱式方程（3）迭代計算當前時刻C^t+δt_i的終值，當前后兩次迭代結果的差值滿足精度要求時進入下一時刻，如此循環迭代直至所有時刻計算完畢。

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

3 程序驗證

      本研究選取北京市的一戶住宅作為實測對象，運用QD-W1 PM2.5濃度自記儀對其室內PM2.5濃度進行連續監測，同時用WGLZY-1智能功率儀監測空氣凈化器的瞬時功率和耗電量，由此得知設備的開啟時間和瞬時能耗。

      監測住戶的戶型平面圖如圖2所示，體積為182m³，戶內人員構成是一家三口，包括兩位成年人和一位未成年人。在監測期內，房間內門處于開啟狀態，外門關閉。

      選取2017年冬季的兩日（1月22日和2月16日），分別對室內PM2.5濃度進行模擬，計算結果同實測數據的對比如圖3所示。

      從圖3可知，IAQ程序模擬結果與實測結果基本一致。由實時監測的凈化器運行狀況可知，2月16日室內空氣凈化器從凌晨0:00到早上9:20處于開啟狀態，故在室外PM2.5濃度較高的情況下室內PM2.5濃度仍保持在100μg/m³以下，模擬和實測結果均體現了這一點（圖a）。在1月22日，通過詢問被測戶主得知17:20至17:50戶內進行了30min的廚房炊事活動，導致室內產生PM2.5散發源，使得室內PM2.5濃度激增，隨后在室內通風換氣的作用下PM2.5濃度開始下降（圖b）。模擬結果與實測結果基本相同，誤差在可接受范圍內。

       進一步分析圖a誤差的產生原因可知，早上7:20存在廚房炊事活動的可能性，或由于人員活動（如清掃等）導致室內沉降的污染物重新懸浮于空氣中，被監測儀器檢測并記錄下來，而在模擬計算的過程中難以充分考慮各種污染源散發的可能性。而圖b產生誤差的原因可能是實際廚房污染物散發速率與模擬時設定的參數有所差別，且廚房炊事活動較為復雜難以準確定義導致。

      綜上所述，IAQ計算程序的結果與實測數據吻合較好，誤差在可接受范圍內，計算程序有較好的可靠性。

4 程序應用

      在驗證IAQ計算模塊結果可靠的前提下，應用該程序模擬北京地區不同凈化策略下的室內空氣環境，初步分析適用于北京地區的經濟合理的通風及凈化策略。

      4.1 模擬工況

      模擬地點為北京，凈化器的相關參數設置為：初始風量為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，模擬時間為2016年一整年，時間步長為1小時，室外PM2.5濃度取自室外氣象站。

      為初步分析適于北京地區的通風凈化策略，設置如下3種模擬工況（表1），以房間換氣次數表征通風策略，凈化器開啟作息表征凈化策略。其中，工況三根據室外大氣狀態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時開啟，即室外大氣處于中度污染以上時開啟凈化器。

      4.2 模擬結果

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

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

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

      然而考慮到節能，住戶不可能全年不間斷開啟凈化器，該工況與實際不符。因此，將該工況作為理想工況，對比分析工況三的模擬結果，如圖8所示。

      由圖8可知，當住戶依照室外PM2.5濃度確定凈化器的開關模式時，室內空氣可基本控制在優良水平（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PM2.5濃度的不滿足率（＞35μg/m³）僅為6%；若室外中度污染以上時開啟凈化器（≥150μg/m³開啟），室內PM2.5濃度的不滿足率為45%，但除去室內處于“良”（35~75μg/m³）的時間，不滿足率只有7.7%。

5 結論

      本研究實現了IAQ模塊的程序計算，通過程序計算結果與實測數據的對比，驗證了程序計算的可靠性，進而應用IAQ程序初步分析了適用于北京地區的通風凈化策略，得到以下結論：

      1）IAQ計算模型的模擬結果可靠性較好；

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

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

參考文獻

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      [7] 江億. 建筑環境系統模擬分析方法——DeST [M]. 北京：中國建筑工業出版社，2006.

      備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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