被动房新风机内循环工艺优化分析

1 前言

随着我国城市化进程的加快和经济的快速发展，室外空气污染状况持续加重，而住宅建筑内部空气状况也不容乐观，现阶段传统的自然通风已不能满足人们对高品质居住环境的要求，越来越多的家庭开始使用空气净化装置或者新风设备，被动式建筑更是必备新风系统，且从使用效果来看，新风系统更适合现代人的需要。现今市场上涌现出大量新型通风净化装置，即新风机，它不仅能够去除室内污染物而且可以向室内送入大量新鲜空气 [1]。目前已出现大量有关新风系统的技术和产品，如松下全热交换新风机系统，采用双向换气，把室外新鲜空气送入室内的同时，把室内污浊空气排向室外；又如博乐新风机，该新风机内设置有新风旁通阀，在过渡季节自动打开，新风不经过换热器，直接过滤送入室内，博乐倡导全新风原则，不混合回风，这样做虽然杜绝了建筑内部的交叉污染，但当室内外温差很大时，如在我国东北地区的冬季，室内的高温空气被排出室外，室外的寒冷新风送入室内，增加室内空调（暖气）的热负荷，增加冬季采暖能耗。因此，在极端寒冷天气下，如何在保证室内空气品质的同时，实现能耗最低是本技术领域技术人员面临的难题。另外，当室内氧气含量充足仅细颗粒物浓度偏高时采用全新风也会增加室内空调负荷 [2]。由此可知，简单的全新风送风只关注空气品质要求，忽视了能耗要求。

基于此，本文设计一种利用双阀门控制的内循环工艺的新型住宅新风机，并采用数值模拟与实验相结合的方法确定内循环的相关参数，研究不同阀门开度设置方式、新风机的不同处理风量对通过回风阀回风量的影响。从而实现在保证室内空气品质的同时最大限度减少能量损失，达到节能减排的目的。

2 内循环工艺的数值模拟

2.1 数值计算模型的建立

图1 内循环工艺模型图

图 1 为新风机内循环结构示意图，主要由轴流风机、褶型过滤器、新风及回风流道、回风阀门、排风阀门等部件组成。图1 中左侧为排风通道，排风由轴流风机上端进入流道，由下部异形管道排出；右侧为室外新风通道，底部为室外新鲜空气入口，从上部开口送入室内。模型的高度为407.5mm， 左侧排风通道的宽度为167.6mm，右侧新风通道宽度为189mm。

2.1.2 数学模型

本研究主要采用标准 k-ε 模型求解气体流动，控制方程包括连续性方程、动量方程、k 方程、ε 方程。

设定收敛参数，离散方程组的求解方法采用有限体积法中常用的 SIMPLE 算法，二阶迎风格式。设定显示残差图和出口的质量流量监视图，当出口流量达到稳定时可认为计算已收敛。选择从进口计算，初始化流场。

2.2 模拟工况设计

2.2.1 回风阀位置

为确定回风阀位置，如图 2 所示，本文对比研究如下五种工况， 即 H=40mm、80mm、120mm、160mm、200mm，新风机处理风量为 160m³/h，排风量是新风量的 70%，为112m³/h，过滤介质穿透率参数设置为 6.5×10 -5 。改变回风阀距离底端的高度 H，进行数值计算，比较通过回风阀的回风情况来确定最优位置 H0 。

图 2 回风阀的位置设计

2.2.2 阀门的设计

本研究设计双阀门结构，阀门尺寸根据机体结构确定，尺寸大小及开度设置如表 1 所示。

表 1 阀门开度设计

在已确定的回风阀位置 H 0 的基础上开始研究双阀门的不同开度对回风量的影响，总共分为如表 1 所示的六种工况。在送风量为 160m³ /h，排风量为 112m³/h 的条件下，对这六种工况的数值计算结果进行分析，分析不同阀门开度设置方式对回风阀回风量的影响。

2.2.3 送风量及排风量的设计

在阀门开度设置为回风量最大的状态，研究不同送排风条件下回风阀回风量的大小。其中排风量设置为送风量的 70%。具体设置如表 2 所示。

表 2 送风量及排风量的设置

2.3 网格划分

建立几何模型后，进行网格划分，如图3 所示，对建立的内循环模型划分非结构化四边体网格，设置边界条件，定义网格参数，设置内循环模型中网格最大尺寸，经过不断地探索和修改，寻求符合计算精度和计算成本的最优网格，经过网格独立性分析，不同结构模型划分后的网格总量为 770000 左右时网格最佳，且网格质量较好，如图 3 所示。

图 3 内循环结构网格

2.4 数值模拟结果与分析

2.4.1 回风阀位置的确定

图 4 为对比研究五种设计工况：H=40mm、H=80mm、H=120mm、H=160mm、 H=200mm，通过回风阀的风量 G h 随回风阀位置的变化关系，G h 包括由排风通道流向新风通道的风量以及新风穿过回风阀进入排风通道的风量。从该图可以看出，随着回风阀位置的上移，回风量呈增长趋势，风量最大对应的阀门位置在 200mm 处，此时风量为 87.30m³/h；图 5（a）、图 5（b）分别为 H=160mm 和H=200mm 时通过回风阀平面空气的流线图，由图 5（a）和图 5（b）的对比可以看出，当 H=160mm 时，空气均是由排风通道通过回风阀进入新风通道，气流均匀，风量 G h 的值即为通过阀门的回风量。而 H=200mm 时，不仅排风通道的空气进入新风通道，而且有部分新风通过回风阀进入排风通道，通过回风阀的气流不均匀。此时，数值计算所得 G h 值不完全是回风量，还包括新风进入排风通道的风量。基于上述分析，本文回风阀高度 H0 取 160mm。

图 4 不同回风阀位置时的回风量

图 5 通过回风阀平面空气流线图

2.4.2 不同阀门开度对回风量的影响

本文将阀门开度设置方式进行编号，在回阀门安装高度 H0 为 160mm，送风量 G s 为 160m³ /h 工况下计算不同阀门开度时回风量 G h 大小，结果如表 3 所示。

表 3 不同阀门设置对应回风量大小

2.4.3 不同送风量对回风量的影响

根据模拟结果，不同送风量、排风量对应回风量的大小如表 4 所示。

表 4 不同风量设置对应回风量大小

数值模拟结果显示的不同阀门开度设置方式对应回风量的值，以及不同送风量作用下回风量的值可为内循环系统控制方案设计提供依据。

3 新风机内循环工艺的实验测试

3.1 实验内容

实验样机如图 6 所示。具体实验内容包括：将送风风机和排风风机连接至直流稳压电源；测试送风风机风量、排风风机风量与电源电压的关系；测试不同阀门开度工况下回风阀的回风量，阀门开度的变换通过纸板调节；测试不同送风量作用下回风阀的回风量。

图 6 实验样机

3.2 测试方法及测点布置

本实验采用测量平均风速的方法计算风口风量，即在风口合理布置测点，住宅新风机送风口测点的分布为，共设置 15 个测点，每排平均布置 5 个测点。新风机回风阀位置测点布置时平均分为 18 个测点，每排平均布置 6 个测点。当回风阀全开时测 18 个测点，开度设置为 2/3 时，测量前两排即测点 1 到测点 12，设置为 1/3开度时测量前一排即测点 1 到测点 6。系统运行时分别测量每个测点的速度，计算平均风速和通过风口的风量。计算方法如公式（7）和（8）所示：

3.3 实验结果与分析

3.3.1 不同阀门开度对回风量的影响

在送风量为160m³ /h、室内排风量为112 m³ /h 的情况下，得出不同阀门开度对应回风量值，并将实验值与模拟值对比，结果如图 7 所示。

图 7 不同阀门开度设置对回风量的影响

从图 7 可以看出，模拟值与测试值变化的基本趋势相同，在六种阀门开度设置状态下回风量都有所增加，根据实际测试结果，工况 1 和 2、3 、4 回风量基本相同，可以看出排风阀开度的变化对回风量的影响较小，对比工况1 和 3 以及工况 3 和 5，可以看出回风阀开度变化对回风量的影响更明显。因此，可考虑内循环系统只采用一个回风阀控制，排风阀部分不设置电动阀门，保持通道截面全开状态，这样的单阀门控制不仅满足设计需要还能够简化新风机系统组成，降低制作成本。

3.3.2 不同送风量对回风量的影响

测试不同送风量时回风量的大小，其中排风量为送风量的 70%，排风阀半开，回风阀全开，并比较模拟值和测试值，结果如图 8 所示。

图 8 不同送风量对回风的影响

从图8 可以看出，模拟值与测试值变化基本趋势一致，随着送风量的增加回风量也增加；实验测试回风量的大小与模拟值的相对误差为 13.75%；回风量最大可达65m³/h，若在新风机制造过程中完善制作工艺，采取良好的密封措施，使各流道之间相互独立，减少空气的相互渗透，那么回风量与目前测试结果相比还会有所增加。

3.4 误差分析

造成上述模拟值与实验值存在误差的原因可能有以下几个方面：

（1）由计算模型设置本身引起的误差

风机实际转速与模拟设置的风机转速可能存在一定差别；另外，内循环模型只是住宅新风机之间一部分，在数值模拟时直接定义内循环新风流道出口的流量为送风量，而实验中是调节住宅新风机送风口风量，送风口与模拟定义的出口之间还有较长流道，并且中间穿过全热换热器，由于流动阻力增加，造成内循环新风流道出口实际风量比模拟定义值小。

（2）由样机制作工艺引起的偏差

由于本住宅新风机样机制作条件简陋，制作工艺粗糙，各个部件之间采用机械连接，前盖板与机体之间采用简单的螺钉固定，且整机无密封处理，盖板与机体内部组件之间仍然存在较大孔隙，使得实验测试的回风量普遍小于模拟值。因此，在新风机的生产过程中需提升工艺制造水平，做好机体内部各区域的密封，避免由机体制造方法的不足造成的回风量的减少。

（3）由实验过程引起的误差

在风速测量过程中，由于风机旋转作用，空气湍流强度大，测点速度波动较大，测量所得结果可能与实际风量有偏差[4~5]。

4 内循环工艺的节能分析

图 9 为住宅新风机内循环系统开启状态下冬季空气处理过程的 h-d 图。W 为室外状态点，W´ 为经过全热换热器与室内排风换热后状态点，W´ 到 O 为新风机再热装置对新风加热的过程，从 W 到 W´ 到 O 过程为冬季全新风状态下新风机空气处理过程；N 为室内状态点，N´ 为经过全热换热器后状态点，当回风阀开启时，室外新风与通过回风阀的室内排风混合至 L，再经全热换热器到 L′，L´ 到 O′ 为新风机再热装置对新风加热的过程，O 和 O′ 分别为内循环关闭和开启状态下的送风状态点。假设新风机送风G s （kg/s）相等，若不开启内循环系统，全新风送入室内，新风机承担的热负荷 Q0 可由（9）计算；当内循环开启时，新风机承担热负荷 Q1 如式（10）所示。

式中 hO 、hO′ 、hW 、hL 分别为 O 点、O′点、W点、W´ 点的焓值，Q0 与 Q1 的差值即为冬季有内循环系统新风机节约的能量。显然，当 L 点越靠近 N´，hO′与 hL 的差越小，Q0 与 Q1 的差值越大。

以某北方城市为例，假设室外温度为 -20℃，室外空气相对湿度为53%，供暖室内温度为20℃，室内空气相对湿度为42%。针对某一典型住宅建筑，若室内安装本文提出的有内循环工艺的新风机，并开启内循环模式，新风机送风量为 160m³/h，根据上文研究结果，会有 65m³/h 的回风与 95m³/h 新风混合，查h-d 图，按公式（2）计算此时新风机承担热负荷为 1.04kW，如果新风机无内循环送风，按公式（3）新风机承担的热负荷为2.29kW，在上述状态下，相对于无内循环的新风机有内循环工艺的新风机可降低54.6% 的能耗，可以看出有内循环工艺的新风机可以节约更多的能量 [6-7] 。

图 9 冬季处理过程h-d 图

5 结论

（1）由模拟结果可得，回风阀安装高度 H 为160mm，空气均是由排风通道通过回风阀进入新风通道，气流均匀，此时回风量为 82.33m³/h；

（2）阀门按如下顺序设置，回风量逐渐增加：排风阀全开回风阀 1/3、排风阀半开回风阀 2/3、排风阀全开回风阀全开、排风阀半开回风阀 1/3、排风阀全开回风阀 2/3、排风阀半开回风阀全开；且排风阀开度的变化对回风量的影响是非常小的，回风阀开度变化对回风量的影响更明显；

（3）得出不同阀门开度设置、不同风量下穿过回风阀回风量的实验测试值与模拟值，其变化趋势基本相同，但实验值普遍小于模拟值，其误差主要与计算模型设置、样机制作工艺以及实验操作过程有关，应改善设备制造工艺，加强系统密封性；

（4）在室内外温差较大的情况下，有内循环的住宅新风机比没有内循环的更节能。

作者

博乐环境系统（苏州）有限公司  尤军

参考文献

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[3] 王福军 . 计算流体动力学分析 —CFD 软件原理与应用[M]. 北京 : 清华大学出版社 , 2004.

[4] 余晓平 , 刘丽莹 , 李文杰 . 室内外空气 CO2 浓度对最小新风量标准的影响分析 [J]. 暖通空调 , 2015, 45(5):21–26.

[5] Rasouli M, Ge G, Simonson C J, et al. Uncertainties inenergy and economic performance of HVAC systems and en-ergy recovery ventilators due to uncertainties in building and HVAC parameters[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,50(1):732–742.

[6] Chen A X, Chen Z, Ran C Y, et al. Application analysis ofthe recovery fresh air heat pump units in energy saving reform of air conditioning in the severe cold regions[J]. AdvancedMaterials Research, 2015, 1092–1093(11):12–16.

[7] 王立峰 , 曹阳 . 公共建筑中新风能量回收系统节能量计算和控制方法研究 [J]. 暖通空调 , 2016,46(4):66–72.