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建筑新风系统的探讨

发布时间:2019-07-04   浏览次数:0次

1 引言

 

近 20 年来,随着社会经济发展及人民生活水平的提高,人们对室内环境健康的认识和要求也日益提高。

上世纪末住宅装修带来的室内空气污染问题受到各方关注,促成了 GB/T18883-2002《室内空气质量标准》的颁布 [1]。本世纪 10 年代初,由某国驻京大使馆率先发布大气 PM2.5 浓度报告,使雾霾成为又一个环境热点问题,空气净化器一度被热炒到商场断供,GB3095-2012《环境空气质量标准》首次规定了 PM2.5 的大气环境指标 [2]。现代建筑为了节能提高了建筑的气密性,通过门窗缝隙的自然通风换气已经不能满足排除室内污染空气的要求,室外大气污染又使开窗通风换气也受到限制。所以,继空气净化器之后,新风系统近几年得到迅猛发展,形成了相当规模的产业和市场。至2017年底,投入市场的新风企业超过 1000 家。但在国家采取强力治理措施使大气 PM2.5 污染出现较明显改善趋势后,今年初新风市场有些萎缩,从而出现了一些对新风系统前景担忧的舆论。所以,虽然空气净化器和新风系统得到了大众的热切关注,但对其本质、功能、优缺点及发展前景还存在不少认识误区,本文就上述相关问题作一些基本阐述,供各界人士参考。

2 什么是新风系统

笔者对新风系统的定义是:将室外空气经适当处理后再引入室内的机械通风系统。此定义包括三个要点:1) 新风系统引入室内的是建筑周边的“室外空气”,是否“新鲜”完全取决于建筑所处的当地大气环境及建筑周围可能存在的污染源。所以国内外的主要标准都将其称为“室外空气(outdoor air)”而不是“新鲜空气(fresh air)”;2) 正是由于引入的室外空气可能不符合送风要求(例如不适合的温湿度、含有空气污染物等),所以需要经过一定处理(包括热湿处理和净化处理等),但所采用的处理措施应适度而不过度,所采用的技术应安全有效;3) 新风系统是一个机械通风系统,即采用通风机提供空气流动动力,而打开门窗或通过建筑预留通风口的自然通风,不在本文所讨论的新风系统范畴内。

新风系统属于暖通空调专业的通风范畴,暖通空调包括供暖、通风与空气调节。我国的暖通空调专业创建于上世纪 50 年代初,在当时的社会经济条件下,暖通空调主要为工业生产及科学研究提供合适的室内环境,极少应用于民用场合,所以高等院校关于通风的教材直接定名为“工业通风”。对于工业通风的定义是:在局部地点或整个车间把不符合卫生标准的污浊空气排至室外,把新鲜空气或经过净化符合卫生要求的空气送入室内 [3]。从此定义可以明确看到,新风系统毫无异议属于通风系统。在某些工业生产车间内,高温、高湿或粉尘、有害气体等极大地影响工艺过程、产品质量及工人健康。通风系统可以有效改善车间内空气环境,使其符合卫生标准。随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高,从上世纪 80 年代末开始,暖通空调逐步进入了民用领域,高等院校的相关教材也将其名称从“工业通风”改为“通风工程”。现在,通风系统已广泛应用于工业建筑和民用建筑。民用建筑可以分为公共建筑和住宅建筑两大类。在公共建筑中(如商场、影剧院、办公楼、宾馆、展厅、机场、车站等)新风系统早就得到广泛应用,所以近年来被炒热的“新风系统”其实就是通风系统在民用建筑范畴的住宅建筑中的一种具体应用形式,与工业建筑和公共建筑中一直应用的新风系统相比,无论是其规模还是其技术含量都难以相提并论。图 1 展示了应用于工业洁净厂房新风系统的新风空调箱,包含了多级空气热湿处理及净化处理设备。它不仅可以相当精确地调节新风的温湿度,而且所采用的淋水室和多级空气过滤器可以高效净化室外空气中的颗粒物和有害气体,与现在应用于住宅的新风箱在技术含量等方面有着天壤之别。

 

图 1 洁净厂房用新风空调箱示例

 

应用于工业及公共建筑的新风系统通常由建筑设计研究院的暖通专业进行设计,并由专业机电设备安装公司进行安装调试,本文不作详细介绍。以下主要讨论当前“热门”的住宅新风系统。

3 新风系统的功能是什么

我国国家标准《供暖通风与空气调节术语标准》第5.3.9 条在定义新风系统的同时也指出了它的功能:为满足卫生要求、弥补排风或维持房间正压而向空调房间供应经集中处理的室外空气的系统 [4]。这条术语是针对所有新风系统的,提及“空调房间”是因为在传统的工业建筑和公共建筑中,新风系统通常是与空调系统共存的,当然也有例外。

定义说明新风系统的功能包括三个方面:1) 满足室内卫生要求。这在前文解说通风系统的定义时已经作了清晰分析;2) 弥补排风。当室内存在排风时,一定同时会发生进风。如果没有新风系统,若通过门窗或建筑开口的无组织自然进风可能会干扰室内环境,无法满足室内卫生标准;3) 维持房间正压。当房间需要维持相对邻室或室外一定正压时,通过建筑缝隙自然渗透到室外的风量是依靠新风系统提供的。

普通住宅的新风系统主要解决第一项需求:使室内空气环境符合空气质量标准。事实上住宅也存在排风,例如卫生间排风和厨房排油烟机排风等。从这一点考虑,新风系统的风量计算还应考虑排风需求。但目前市场上排油烟机的排风量相当大,远超新风系统设计风量。另外,维持住宅室内对室外一定的微正压是有利于保持室内环境免受室外干扰的。所以,对于要求高的住宅,可以从以上三方面综合考虑来设计和安装新风系统。

住宅室内的卫生要求目前主要依据 GB/T18883-2002《室内空气质量标准》,该标准规定了室内的物理、化学及微生物指标。由于室外大气污染物可以通过建筑缝隙和孔洞进入室内,室内的人员、设备和建筑装修材料也在持续散发空气污染物。所以,解决室内空气污染成为当前住宅建筑面临的迫切问题。

国内外通风界公认的治理空气污染包含三项策略:1) 源头控制。消除污染源或控制污染源的污染物散发量无疑是最有效的、治本的措施,但实际上在目前的经济技术水平条件下很难做到。例如大气雾霾不是短期可以解决的,室内人员及宠物的活动会产生 CO2、粉尘、气味等,日常烹饪产生许多污染物,建筑装修材料散发甲醛、TVOC、苯等……,源头控制是应努力去做的事,即便将来所有建筑装修材料都能做到零污染,但人员、设备的污染也不可能彻底消除。所以仅靠源头控制不能解决室内空气污染问题;2) 通风换气。采用通风方式引入室外相对清新的空气(若室外空气达不到送风要求,则可采取适当处理措施)来稀释或置换室内被污染的空气,是目前情况下解决室内空气污染问题最简单、安全、有效的技术措施。这就是新风系统最主要的功能;3) 空气净化。采用安全、有效的空气净化技术净化空气中的某些污染物。对于新风系统来说,采用空气净化措施是针对室外空气,使送风达到要求。若要净化室内空气,则必须有回风功能或采用空气净化器。关于新风系统与空气净化器的比较,后文再简述。在上述三项策略中,任何空气净化措施都不能取代源头控制和通风换气,而只能作为前两项的补充。

4 新风系统的前景

虽然新风系统是随着室外大气雾霾问题受到关注而炒热起来的,但必须指出,新风系统不是用来治理雾霾的,所以它不会因为雾霾消失而消亡。雾霾本质上是大气环境问题,指望新风系统来改善大气环境是文不对题的。上文已经说明新风系统的主要功能是改善室内空气环境,而室内空气环境问题还将长期存在。

新风系统应当成为建筑的标配,可以从以下几个方面来说明:

(1)随着我国国民经济的发展和生活水平的提高,人民对健康的认识和需求也日益提高。人类的基本需求是遵循“生存——温饱——舒适——健康”规律发展的。现阶段我国基本已经解决了“生存”和“温饱”需求,因此生活“舒适”“健康”自然成为当前的热点,特别是在经济文化发达地区。中共中央与国务院于 2016 年10 月 25 日发布并实施的《“健康中国 2030”规划纲要》指出:“健康是促进人的全面发展的必然要求,是经济社会发展的基础条件,是民族振兴的重要标志,也是全国各族人民的共同愿望”。现代工作与生活方式使人们绝大部分时间处于室内,室内环境对人体健康的影响极大,所以解决室内空气环境污染、提高室内空气质量是当务之急。

(2)建筑标准不断提高,对建筑通风提出了更高的要求。当前我国民用建筑的运行能耗已经占到我国总能耗的四分之一以上。从上世纪末起,建筑与建筑设备系统的节能就受到各方关注。从节能建筑、绿色建筑、生态建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑到被动式建筑,除了采用其他不同的节能技术措施和提出不同的节能率外,都强调了加强建筑围护结构的气密性,这就使建筑自然通风换气能力大大降低甚至趋于零,所以必须要设立新风系统来提供室内人员呼吸所需的新鲜空气并及时排除室内污染空气。2015 年,国际健康建筑研究院IWBI(International Well Building Institute)发布了世界上首项《健康建筑建筑标准》[5],目前已经改进为健康社区标准。我国团体标准 T/ASC 02-2012《健康建筑评价标准》也于 2017 年发布 [6]。健康建筑要求在满足建筑功能的基础上,为建筑使用者提供更加健康的环境、设施和服务,促进建筑使用者身心健康、实现健康性能提升。国内外的健康建筑标准在其评价体系中,一致将建筑室内的空气环境列在所有指标的第一位并占有主要比例,新风系统是必不可少的。

(3)新风系统是治理室内空气污染、提高室内空气质量最安全有效的措施,前文已经叙述,不再展开说明。

(4)社会经济与科学技术的发展为新风系统的普及提供了坚实基础。随着国民经济的发展,人民收入水平也不断提高,在住宅中配置一套新风系统的投入与住宅的售价相比微不足道,所以主流的房地产开发商在新建住宅中配置新风系统已经成为惯例。新风系统所需的技术、材料、产品并不存在大的技术瓶颈,其在室内空气污染的形成机理、控制标准与方法,系统设计、施工与调试方法,空气净化的技术措施与设备,室内环境质量的检测与评价等许多领域的科学研究也在持续开展并已获得不少成果,从技术角度规范新风系统已不成问题。

(5)发达国家的示范与引领。发达国家总体上已经度过了我国伴随经济发展而带来环境污染的阶段,室外大气环境质量要优于我国,但是新风系统在住宅建筑中的应用率远高于我国。许多国家和地区的规范、标准甚至在法律中明确规定了住宅建筑的通风要求,并且要求是 24 小时持续通风。

所以,新风系统的存在与发展同室外大气是否有雾霾没有必然联系。即便将来我们能将大气雾霾控制到极低的浓度,只不过是降低了新风系统对引入室内的室外空气中颗粒物的净化装置配置而已,而室内空气污染物仍然需要新风系统的正常运行。

5 当前新风行业应关注的问题

目前我国的新风企业很多,其中一部分原本就从事空调通风设备制造和工程安装,新风设备与系统本来就是其业务经营范围的一部分,因此对暖通空调专业比较熟悉,了解相关的法规、设备和系统原理、系统设计方法、施工要点及调试方法等,进而能比较规范地做好新风系统工程。但是也有相当数量的企业原来与暖通空调专业并不相关,只是看到市场前景不错就一窝蜂涌入,期望在这一波高潮中赚一笔。由于缺乏基本的专业知识和工程基础,在实际工程中出现了许多问题。有些企业为了获得市场、推销产品,毫无科学依据地夸大新风系统的功能和虚标产品性能参数,对社会进行误导和欺骗,极大地损害了新风行业的社会信誉。所以,新风行业当前面临的关键问题是如何实事求是地认识、宣传、评价新风系统,让新风系统回归其本质。功夫不要下在宣传炒作上,而要用在科学规划、设计、施工、调试(调适)、运管与保修上,为老百姓改善室内空气质量、提高生活质量的健康追求提供实实在在的服务。

为了新风行业的健康发展,建议新风行业要关注以下问题:

(1)结合工程实际需求合理确定新风量

我国相关规范对新风量已经有明确规定,例如 GB/T18883-2002《室内空气质量标准》采用 “30m3/h.p”的人员新风量指标 [1],GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》对住宅采用换气次数指标“次/h”(根据人均占用面积在 0.45~0.7 之间)[7]。但目前我国标准确定的新风量主要着重于控制以 CO2 为代表的人员污染,对普遍存在的建筑室内装修污染缺乏必要的考虑,按照上述方法确定的系统新风量可能有效控制了室内空气中的 CO2 浓度,但无法有效控制如甲醛、苯及TVOC 等建筑装修污染。

美国采暖制冷空调工程师学会ASHRAE的标准《满足可接受室内空气品质的通风》提出了如下新风量确定方法 [8][9]:呼吸区新风量 = 人员需求新风量(人员新风量指标 × 人员数)+ 建筑需求新风量(单位地板面积新风量指标 × 地板面积),后者就是针对建筑装修污染的。规范比较详尽地给出了不同功能建筑的单位地板面积新风量指标以供选用。同时还考虑不同室内气流组织方式采用空气分布效率对计算所得呼吸区新风量进行修正,最后获得系统新风量。这种思路值得我们借鉴。

在考虑用新风控制室内建筑装修污染时,必须掌握建筑装修污染的散发量。DB31/T 1061-2017《室内装修装饰材料挥发性有机污染物散发率测试及评价方法》给出了相关数据,可以应用于工程设计 [10]。应用新风系统控制室内同时存在多种有害物时,可能要用到性能计算方法求得系统新风量,限于篇幅不再展开说明,可参见参考文献 [11]。

无论采用什么方法,在实际工程中还会遇到各房间的新风量与系统总风量的关系问题。各房间之间的气流流向组织不同及新风量是否可变等都会影响系统总风量。依据人员数或换气次数确定新风量,再依据经验加以扩大的方法是不科学的,应当结合实际需求及系统形式进行设计计算。

(2)合理确定新风的处理方式

在引入室外空气的同时,也会引入室外空气所携带的污染物,所以要考虑在新风系统中采用适当的空气净化措施。所谓“适当”是指需要净化哪些空气污染物以及需要净化到什么程度。实际工程必须考虑技术经济综合效益,并不是净化措施越多、净化效率越高就好。新风系统要净化的是室外空气,所以没有必要采用针对室内空气污染物的净化措施,除非该系统兼设了室内回风功能。

目前市场上宣传的空气净化技术繁多、鱼龙混杂、真假难辨,存在比较严重的夸大和炒作。事实上所有空气净化技术都是有利有弊的,所以建议新风企业应按照如下六项基本要求来考虑和选用净化装置 [12] :目标准确、机制科学、技术合理、安全可靠、运管便捷和经济节能。至于净化效率,并不是越高越好,而应根据当地“室外空气污染物的设计浓度”及室内该污染物的控制标准合理确定。工程设计都不以室外偶发的最不利状况为设计依据,因为那样必然导致系统配置在绝大多数运行时间内是过余的,造成投资及运行费用的上升。所谓“当地室外空气污染物的设计浓度”,就是通过对历年记录数据的统计分析获得的合理数据。相关科研已经取得一定成果并进一步完善,将为制定相关设计标准提供依据。室内空气污染物控制标准就是室内空气质量标准或众多卫生标准规定的允许浓度。有了这两项数据,净化效率就很容易确定了。当前我国大气中最主要的空气污染物是 PM2.5,所以对新风中颗粒物的净化是各新风企业应首先考虑的问题。2016 年新发布的国际标准ISO/FDIS 16890-1,2,3,4《一般通风用空气过滤器》,对空气过滤器按照颗粒物粒径效率分级的方法为空气过滤器选择提供了极大方便 [13]。

目前绝大多数新风系统只承担控制室内空气污染物以改善室内空气质量的职责,少数新风系统也希望能兼顾改善室内热湿环境,所以需要调节送入室内新风的温湿度。采用空气 - 空气热回收装置回收排风中的能量可能在一定程度上改善新风的温湿度,但是否采用此项技术也必须先经过技术经济比较 [7] 并采用合理的方法评价其节能性和适用性 [14],并非如某些企业宣传的那样只要用了就一定节能。真正解决室内温湿度控制问题还需要与空调系统结合。

新风系统与空气净化器最大的不同在于前者可以引入室外空气,而后者只能净化室内循环空气。在肯定新风系统的同时并不排斥空气净化器,后者的换气次数一般都比新风系统大,可以作为急于入住的新装修住宅的应急净化措施,在室外空气污染物浓度超过新风系统设计采用的浓度时,可以与新风系统配合使用。空气净化器是一类家用电器,用户可以自行选购并直接使用;但新风系统是一项工程,需要专业人员设计与安装,要求上显然比前者高得多。

(3)新风系统与空调系统的关系

目前服务于工业和公共建筑的回风空调箱均有引入新风,独立的新风空调箱也包含对空气的热湿和净化处理。在住宅建筑内,由于先普及了空调系统,所以空调与新风基本是两套相互独立的系统。在工程应用中安装两套系统可能会在建筑装修、空间布置或施工顺序上发生矛盾,所以一些新风企业提出要开发适用于住宅建筑的新风空调合一系统,相关产品标准也已经立项开始编制了。

空调与新风系统合一有利有弊。有利的是一套系统可以简化设计、施工,同时实现对空气(包括新风和回风)的热湿和净化处理。从技术角度考虑没有任何难度,因为此类空调装置和系统已经在工业和公共建筑中得到广泛应用。可能存在的问题是:满足室内空调负荷的送风换气次数要远大于新风对应的换气次数、新风与室内回风要求的净化对象和净化效率明显不同,具备综合功能的设备体积会明显增大而需要更大的安装空间和高度,功能越多意味着可能发生故障的几率增大,等等。综合起来看,无论是对于设备制造,还是对于系统设计、安装及运行管理都提出了更高的要求。

(4)新风系统与其他工程专业的配合

新风系统是一项工程,工程是需要多种专业协作才能完成的。

与建筑专业配合主要应考虑以下几个问题:1) 室外新风口、排风口的位置与形式。对于公共建筑有规范明确规定了它们的相对位置、朝向、距离和高差 [7],但这些规定难以应用到独立式别墅以外的绝大多数住宅建筑上,因为住宅的建筑尺度满足不了规范要求的距离与高差。设置不当的新风、排风口会在同层或上下层之间造成空气短路,使排风被吸入新风口,大大降低了新风的效益;2) 室外新风口、排风口与建筑外立面的配合(包括视觉美观要求及对外墙装饰、保温材料的影响等);3) 室内送、排风口在保证室内气流组织的前提下与建筑装修的配合。

与结构专业配合主要涉及风管的穿墙与穿梁问题。目前我国主流的住宅建筑层高都很小,风管要从梁下通过用户基本无法接受,所以许多企业在过梁上打洞穿风管。从建筑规范上看,事后在梁上打洞(特别是走风管的大直径洞)是不允许的。住宅建筑的梁本来高度就小,打洞对结构强度造成的影响非常严重。过梁的主要配筋在下部,工程中发现许多洞已经将主要钢筋打断,实际上造成该梁报废,这是非常严重的隐患。按照规定,过梁留孔一定要在结构设计时就预留套管。

随着互联网、物联网、人工智能技术的迅猛发展,新风系统同样也引入了各种监控和运管措施,所以还需要与电气和自动化专业结合。

新风企业除了要熟悉暖通专业知识外,还要对建筑、结构和电气专业有所关注,在设计新风系统时应当征求相关专业的意见,相互密切配合,切忌“无知无畏”!

(5)新风系统的调试与运行维护

住宅新风系统虽然在暖通空调系统中属于比较简单的小系统,但建造完成后也需要经过调试才能达到各空间要求的送风量或通风换气次数。随着运行时间增加,风管系统内会积聚污染物而需要清洗,空气净化装置需要清洗或更换,运转设备可能发生故障而需要检修更换等维护工作。新风企业不是将系统设备销售或安装完就万事大吉了,特别是在系统设计和安装时就要与建筑装修配合留有必要的维修操作位置与空间。

(6)与装配式建筑及室内精装修配合

国家正大力推行装配式建筑及室内精装修,新风企业唯有前期介入才能适应市场需求。目前许多主流新风企业已经与房地产开发商建立战略合作,因而在建筑设计阶段配合室内精装修问题并不大,但对于如何在装配式建筑的建筑构件上考虑新风系统的需求还需要认真研究。

6 结语

上世纪末,一些国外企业将住宅新风系统引入我国,但开始规模化发展还是由雾霾引发的近几年的事情。一个行业在发展之初,无论是认识上、还是技术上难免存在许多问题,更何况有许多非相关专业人员和企业蜂拥而入。经过这几年的市场竞争,现在已经到了一个可以“大浪淘沙、水落石出”的阶段。住宅新风系统虽然小,但也是一个完整的工程项目,现在需要的不是初创期的概念炒作,而是扎实地在工程的设计、施工、调试与运维方面下功夫。还新风系统以通风换气的本来面目,为老百姓提供安全、可靠、经济、节能的系统性、个性化服务,真正营造一个健康的室内空气环境。

参考文献

[1] 室内空气质量标准 [S].GB/T18883-2002.

[2] 环境空气质量标准 [S].GB3095-2012.

[3] 孙一坚 . 工业通风(第三版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1994.

[4] 供暖通风与空气调节术语标准 [S].GB/T50155-2015.

[5] The Well Building Standard V1[S].IWBI. 2015.9.

[6] 健康建筑评价标准 [S]. T/ASC 02-2012.

[7] 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 [S].GB 50736-2012.

[8] Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality[S]. ANSI/ASHRAE Standard 62.1.2016.

[9] Ventilation and Acceptable Indoor Air Quality in Residential Buildings[S]. ANSI/ASHRAE Standard 62.2.2016.

[10] 室内装修装饰材料挥发性有机污染物散发率测试及评价方法 [S]. DB31/T 1061-2017.

[11] 徐志 . 住宅建筑新风系统风量设计方法 [J]. 制冷空调工程技术,2017,4:9-12

[12] 华.室内空气品质与通风[J].制冷与空调,2015,10(第15 卷):72-83

[13] Air filters for general ventilation[S].ISO/FDIS 16890-1,2,3,4.2016.

[14] 徐文华 . 空气 - 空气能量回收装置的节能效益 [J]. 暖通空调 ,2011,5(41 卷): 22-25

 

 

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