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开放办公环境下净化器和新风机的替代研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2022-01-17

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李艺群1, 范钰杰2,职承强1, 叶蔚1,3, 张旭1
1.同济大学机械与能源工程学院暖通空调研究所;2. 清华大学建筑技术科学系;3.同济大学工程结构性能演化与控制教育部重点实验室

       【摘  要】 “室内循环净化”是否可以在一定程度上替代传统“通风稀释”来保障室内空气品质,是当前“双碳”背景下发展健康建筑尚未解决的重要问题。本文以上海某100m2实际使用的开放式办公室为对象,于2019和2020年冬季开展了两期以空气净化器替代机械新风系统的随机双盲实验。期间,一方面,共收集771份来自23位办公人员对空气品质主观评价的有效问卷;另一方面,监测了约3400小时室内外温湿度、CO2和PM2.5浓度、人员在室率等数据。分析表明:首先,两种模式下室内人员的心率、室内空气品质满意度、困倦度的差异均不超过4%;其次,分别开启机械新风或净化器时,PM2.5的I/O均能控制在0.65以下,且浓度满足≤75μg/m3的小时时间占比(T)为97%,均高于无空气改善措施时的空气质量(T=82%)。但净化器滤料一年后效率下降近50%;最后,新风和净化器CADR折算的换气次数分别为2.2h-1和2.0h-1,尽管室内99.5%的CO2小时平均浓度<1000ppm,但净化器工况可在稍高的CO2浓度下实现和新风工况相似的室内空气质量。综上,验证了在该开放式办公场所中用空气净化器替代机械新风的可行性。

1 研究背景

       建筑室内新风量一直是室内空气品质(IAQ)领域的焦点问题[1-2]。以人员密集的办公场所为例,该类场所中的主要空气污染物包括颗粒物、挥发性有机物(VOCs)和CO2(人体散发物的指示剂)等[2-7]。研究表明,较差的空气品质会降低办公人员的工作效率、提升病假率[8];长期处于不良空气品质环境中时人的阅读等认知能力也可能受到一定程度的损伤[9]。尽管提高机械新风量可以通过“稀释”原理降低污染物浓度,但随之增加的新风能耗与我国建筑领域“双碳目标”的实现形成矛盾[10]。 

       以“室内循环净化过滤”为原理的空气净化器因其使用灵活逐渐在民用建筑中普及。现有的空气净化器一般以去除颗粒污染物为主。近年来,改进和研发可以同步净化颗粒物和甲醛等气态VOCs的空气净化器成为新的热点,由此也引发了以国际能源组织IEA Annex78项目组为代表的“用空气净化器替代(部分)机械新风系统”的讨论,以期探索保证IAQ前提下降低建筑新风能耗的潜力。&nbsp;

       基于此,本文以上海某开放式办公室为研究目标,在近两年内通过对室内空气品质的主观问卷调查和现场监测(选取PM2.5和CO2浓度),比较了机械新风系统和空气净化器在保证室内空气品质上的差异,旨在就“用空气净化器替代(部分)机械新风系统”这一问题的可行性进行探讨。

2 实验方案设计、测点布点与问卷设计

       如图2.1所示,选取了上海某约100m2开放式办公室作为研究对象。房间净高约4m,上部东西两侧各设有两个新风送风口。实验期间共(曾)有23人在此办公(为调研对象)。根据房间内部通风情况,将两台净化器放置在远离外窗的两个角落,并且在门窗附近分别放有传感器监测开启率,并统计人员进出。参照《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2002),按梅花型布置了A、B、C、D四个室内测点和两个室外测点测量PM2.5和CO2浓度(室内测点如图2.2所示,传感器高度为1.2m左右,接近人坐姿时的呼吸区高度)。


图2.1 办公室实景

图2.2 办公室测点示意图

       其中,主观评价的数据通过每天定时发放问卷收集,如图2.3所示,客观数据通过“伯虎空气监测仪”记录,如图2.4所示,其传感器相关参数如表2.1所示。


图2.3 问卷

图2.4 传感器
表2.1 传感器参数

       为记录该办公室内的人员行为,除实验仪器外,在门窗处分别安装了两对传感器以记录其开启状态;在前后门上方安装了客流统计器,以监测人员流动情况,如图2.5所示。


图2.5 室内检测仪器

       在2019年末和2020年末,开展了两期实验,设置了空白对照工况(简称“空白工况”)、空气净化器工况(简称“净化工况”)、机械新风系统工况(简称&ldquo;新风工况”),随机开启情况如图2.6所示。


图2.6 实验工况设置(单位:天)

3 实验结果分析

       实验数据的处理涉及多仪器共同工作,故为减少时间延迟所带来的差异,选取小时中位数来增加数据的鲁棒性,二期实验共收集有效小时数为3426。

       3.1 两种工况下人员对室内空气品质主观评价的差异

       两期实验中,室内人员对室内空气品质和热舒适的反应、困倦程度以及心跳差异如图3.1至图3.2所示。

    
图3.1 人员困倦程度                          图3.2 人员心跳

       由图 3.1 可知,首先,从均值来看,净化工况下人员对室内空气品质的满意度稍低但对热舒适的评价要高于新风工况。其次,对于困倦程度,中位数反应了人员在净化工况下更为清醒,评分与新风工况相差为一分。最后,由于心率数据较易受到某一刻的偶然因素影响,取中位数作为比较对象,室内人员在净化工况下的心跳稍高于新风工况,差异为2次/min,如图3.2所示。

       从人员评分及生理数据的角度,室内人员的心率、室内空气品质满意度、困倦度的差异均不超过4%,热舒适差异为7%,可认为机械新风系统和空气净化器没有差异(p>0.05)。

       3.2 两种工况下室内PM2.5浓度的差异

       由于该开放办公室内少有强颗粒物散发活动,室内PM2.5主要来自于室外渗透。由于冬季灰霾污染频发,空气质量不佳,因此选取两期实验中冬季相同时间段为样本进行分析,并选取35μg/m³和75μg/m³作为一级、二级限值标准,分析结果如图3.3所示。该段时间内,满足二级限值标准的小时时间占比(T)为97%,满足一级限值标准的T=75%,室内浓度超标的情况仅发生在室外浓度大于135μg/m³时,可以看出室内浓度变化受室外浓度变化影响极大。此外,与空白工况下的T=82%相比,两种工况都可以更好地控制室内颗粒物浓度水平。


图3.3 两期实验中相同时间内PM2.5的变化

       同时为得到一个归一化参数,选取室内外PM2.5浓度的比值(I/O)来评价两种工况的净化效果。图3.4比较了两期实验中冬季一整月不同工况下的I/O,均小于0.65。

&nbsp;      图3.5比较了两期实验中该段时间的I/O比,发现2020年净化器工况下的I/O较新风量相对偏小,但一年后两种工况的差异性则并不显著,除环境不受控所带来的渗透风量过大这一原因外,净化器滤料过滤效果下降也将产生影响。


图3.4 PM2.5的I/O变化

图3.5 两期实验相同天数的I/O

       3.3 两种工况下室内 CO2浓度的差异

       CO2主要来自室内人员的散发,与季节关联性不大,选取二期实验中冬季内一段时间进行分析,如图3.6所示。可以看出,峰值出现在12:00-22:00之间,两种工况均未能阻止CO2浓度差升高至同一量级,但机械新风工况下峰值的出现稍微延缓。


图3.6 CO2浓度差异随时间变化的热力图

       此外,对CO2浓度和人员在室率(当前时刻人数与室内总承载量的比值)的关系进行分析,如图3.7所示。可见99.5%的小时浓度<1000ppm,85%的小时<800ppm,且其浓度变化与在室率的变化具有较好的一致性。


图3.7 CO2浓度和人员在室率的关系 
表3.1 CO2浓度比和人员在室率

       假设可接受的极限情况为CO2浓度达到1000ppm以及室内满员,将室内小时浓度和人数积分,分别除以极限情况相应的积分,以“天”为单位,求得浓度限值比和人员24h在室率以衡量不同工况的平均控制水平,见表3.1。按新风机新风量和净化器CADR(洁净空气量)值折算的换气次数约为2.2h-1和2.0h-1。本例中,当在室率最高时,新风机仍可将CO2浓度控制在限值内;采用净化器时,净化器在人数减少的情况下浓度还要高出前者近60ppm。但综合主观评价和PM2.5浓度控制结果可知,即便采用净化器使得室内有稍高的CO2浓度,仍可实现与新风工况相似的室内空气品质

4 结论

       本文通过近两年在室人员的主观评价调研和空气质量的监测数据(室内外PM2.5和CO2浓度),对&ldquo;是否可以用空气净化器替代(部分)机械新风系统”这一命题进行了探讨,主要结论如下:

       (1) 从主观评价来看,两种工况下人员可感知的空气品质、热舒适的可接受程度、困倦程度以及心率均无显著差异;

       (2) 比较两年的PM2.5浓度可知,净化器过滤效率下降近50%,但二者均能将I/O控制在0.65以下且保证满足二级限值标准的小时时间占比(T)为97%,均好于对照空白工况(T=82%);99.5%的CO2小时浓度低于1000ppm。采用新风机能更有效地降低室内CO2浓度;但开启净化器时,即便有稍高的CO2浓度下室内人员对空气品质的主观评价与采用机械新风时的结果无显著差异。

       综上,通过比较室内人员主观评价和对室内PM2.5浓度和CO2浓度控制结果分析,在该开放式办公室采用净化器来替代(部分)机械新风量以降低建筑新风能耗具有可行性。

参考文献

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       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2021年10月刊 总第48期(第二十二届全国通风技术学术年会论文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。