住宅新风系统新风量及气流组织优化设计研究.pdf

摘要

近年来，室内装修采用大量的装饰材料，室内空气品质（IAQ）问题尤为突出。建

筑行业的迅速发展、人们生活水平的提高及室内装修的多样化，造成室内空气污染物种

类越来越多，室内污染严重。另外，中国北方城市近年来冬季面临较为严重的雾霾问题，

越来越多的新建住宅配备了机械新风系统。其应用效果如何，成为业界关注与讨论较多

的问题。西安地区是中国北方雾霾严重城市的典型代表，目前现有研究也有关于机械通

风系统在西安地区住宅建筑中应用效果的现场实测结果，但其所测试案例建筑的施工时

间为2007-2013年，不能代表机械新风系统近年来在新建住宅中的应用情况。调研及实

测发现，目前诸多住宅新风系统实际工程应用效果不佳，存在其气流组织设计不合理现

象，合理的新风量取值存在争议。为探究当前机械新风系统在西安地区住宅建筑的应用

效果，对住宅建筑新风系统的气流组织和新风量进行优化设计，本研究主要开展以下工

作：

首先，选取西安市三个典型新建住宅建筑，对其进行了不同的通风模式下的室内空

气品质的现场实测。考虑的通风方式包括自然渗透、开窗通风及机械通风。测得了不同

通风模式下的换气次数（ACH），并对不同通风方式下的室内空气品质进行了评价。结

果表明不同通风方式下室内通风量差异较大，自然渗透、开窗通风和机械通风低风量及

高风量四种工况下，实测ACH值分别为0.17-0.2h-1、1.43-3.74h-1、2.15-3.82h-1、2.78-

4.5h-1。不同通风工况下的室内HCHO、TVOC、CO、O3和NH3浓度均可控制在限值水

平以下。自然渗透工况下的室内CO2浓度严重超标，最高可达到3900ppm。根据居民

习惯的开窗通风仅可短时间降低室内CO2浓度。雾霾天气开窗会造成室内PM2.5严重

超标。机械新风系统可有效控制室内PM2.5浓度，但本研究的三个实测案例，即使是高

风量机械通风工况，也均无法将室内CO2浓度控制在限值以内。

为寻找实测案例机械通风下室内CO2浓度控制效果不佳的原因，采用CFD方法对

实测工况的气流组织进行了数值模拟研究，结果表明室内CO2浓度无法控制到限值以下

的原因是由于室内气流组织出现短路现象，新风未能与室内空气充分混合。为解决该问

题，采用响应曲面法与计算流体力学相结合的方法对室内气流组织开展了优化研究，分

析了不同气流组织设计参数对室内CO2浓度的影响，提出了室内气流组织优化设计方

案。研究结果表明ACH、送风角度、送风口半径、送风口位置对人员活动区平均CO2浓

度有显著影响，其中ACH的影响最为显著。参照本案例，各因素被考虑的优先顺序：

i

ACH、送风口位置、送风角度、送风口半径。设定室内人员活动区平均CO2浓度为1000

ppm，以最小送风量为最优目标，送风口设置在北墙、东墙、南墙、西墙时，最佳气流

组织设计方案的四个设计参数（送风量、送风角度、送风口半径、送风口位置）分别为

1.050h-1、2.003°、0.05m、1.777m；0.950h-1、2°、0.042m、3.278m；1.005h-1、2°、

0.05m、3.120m；0.959h-1、2.6°、0.05m、3.563m。

最后，利用EnergyPlus和GenOpt软件进行耦合模拟，在室内空气品质和能耗之间

寻优，基于双目标优化方法研究了住宅建筑的最佳通风量。结果显示：在室内CO2浓度

3-1

和通风能耗重要性均衡条件下，最佳通风量为168.32m/h，换气次数为0.665h。附加

去除新风负荷所引起的能耗后，室内CO2浓度和能耗（通风能耗和去除新风负荷引起的

3-1

能耗）均衡条件下，最佳送风量为160.13m/h，换气次数为0.633h。当室内CO2浓度

和能耗权重分别为0.4