演讲实录 | 李振海:净化新风系统技术发展的若干问题
2018-01-04 16:52:59
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同济大学机械与能源工程学院暖通空调研究所副所长/教授 李振海

 

   12月22日,“科罗迪托杯”第四届中国新风净化产业高峰论坛在北京九华山庄三楼101会议室盛大举行!同济大学机械与能源工程学院暖通空调研究所副所长/教授李振海发表了主题为《净化新风系统技术发展的若干问题》的精彩演讲,内容主要包括四个方面:一个是净化新风系统发展的背景以及发展历程,第二个新风发展面临的问题,第三个是关于新风系统运用评价的问题,第四个是产业要面临的挑战性问题。

 

   以下是李振海教授的演讲实录:

 

一、净化新风系统需求与行业发展背景以及发展历程

 

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   首先,阐述新风的需求与行业发展背景。我国新风需求与行业发展背景有三个方面:一个是建筑节能引起的,因为建筑节能要求保温、气密少换气,换气就要使用能源,但是这样做新风就很明显的少了,室内的空气就不“友好”了。第二个是由于经济、技术、市场的变化。曾经有人说,我们现在的文明,实际上也可以说是大量的化学物质消费的文明。离开了化学物质,我们就没法生活,所以不可避免地造成了化学污染的问题。第三个是大气污染,这实际上是一个非常短时期的问题,但是它会导致我们导入新风来解决室内空气问题时候,会同时导入室外的污染物。众多的研究成果表明,我们室内的PM2.5污染百分之70~80左右由外气带入。这样一来,室内的空气品质跟节能的要求是互相矛盾的。从2002年开始,我们在多数的城市住宅做了一些测试,比如北京、上海这些大城市,大体上推算了一下,特别是九〇年以后,自然换气大概在0.1~0.3回/h左右,根本达不到我们室内空气新鲜程度的要求。所以必然要使用通风系统。

 

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   新风系统的发展。实际上,我刚刚已经谈了主要是由建筑气密而引起换气不足。实际上,在最早的七二、七八年两次石油危机的时候,当时发达国家已有学者开始提出要如何进行节能,就是不能毫无限制的消耗能源,那么实际上这个时候我们建筑领域里面就提出了两个概念:一个是建筑保温,一个是建筑气密性。保温是已经彻底贯彻了,但是我国没有特别提“气密”这个概念。气密后再用机械通风装置去换气,到底是得还是失?所以就没有提。但是由于建筑技术的发展及相关产业的发展,实际上九〇年以后的建筑是越来越气密了,门和窗都造得非常好,如果不好好进行人工开口,它就是高气密化的。

 

   实际上我们所说的新风换气机,是可以带能量回收的,这个原型最早大概七几年,由日本三菱电机的研发部提出并申请了专利,当时研发者被很多人嘲笑了,说你研究这个东西能值多少钱,但是恰恰就是这个东西在很多年前就开始,给三菱电机每年带来两百多亿日元的产值,也就十几个亿。所以新风系统不是雾霾提出而发展的,它只不过是在我们国家的状况下因严重的雾霾,加速了它的发展历程。我们不必担心新风行业发展的前景。

 

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   室内污染主要有三类:一类是颗粒物的污染,第二类就是化学物质的污染,第三类是微生物污染。所以说换气、通新风,它不是一个短期的行为。上图说的是发达国家挪威、瑞典、芬兰、丹麦、比利时、法国、美国、英国等,他们的换气次数要求,各个国家状况不同,大体上在0.4~1回/h之间,大部分在0.5回/h左右。我们国家也有新风标准,我不再赘述。根据不同情况,换气次数不是0.5回/h,而是0.45~0.7回/h。我们是根据居室面积来的,实际上应该是根据需求来定,我们需要这么多换气量是为了解决二氧化碳的稀释以及供氧,加上化学物质污染的问题。

 

二、新风系统发展面临的问题

 

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   当我们通过机械的办法,或者通过其他什么样的办法来实现,如何确保换气量,这里面有几种,我刚才说了自然通风,实际上建筑都是气密了,靠自然通风是行不通的。在新风产业,确保新风量的关键有两条:一个是全热交换换气机,第二个是系统保证,所以说换气机性能的提高和风量分配技术非常关键。

 

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   提高系统性能的主要技术关键。对于交换机器主机来说,它的性能关联参数确定、结构设计优化、净化组件、压力平衡等都很重要。几年前我曾在一个论坛上讲了,说新风加了净化以后出现新的问题。压力不平衡对系统主机造成了比较严重的漏气现象。另外一个就是核心部件,它里面的交换膜材料选取、膜材料后处理的工艺非常重要。实际上还有一个,不同地区的适用技术的选择,不是所有的技术都能够通用不同地区,它的确存在着不同的适用技术的问题,应该研究给产业界一个参考。还有就是控制的策略,也就是我们究竟如何来控制新风系统。

 

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   目前新风系统发展中的主要问题,第一个是系统设计问题,也就是主机总体的风量跟各个区域、各个房间的风量所需要的风量,它们之间到底如何确定,理论上是根据标准要求来确定风量,确定好了如何实现,怎么能保证风量把它送进去,这是一个问题。第二个是关于主机设计制造问题,实际上存在很多的问题,包括整机性能参数与结构参数的关联确定、结构设计与流道设计优化、噪声控制、净化组件与压力平衡(动态),以及芯体的热湿交换膜材料选取方法欠缺、流道结构优化、高性能膜材料、芯体设计方法欠缺等。第三个是风量分配装置与高性能的风管系统。如果是单体机,安全风管这个问题还比较容易实现。但对于通风系统,就非常需要风量可调的分配装置,我是一直在提,那么如何来分配,你要拿什么东西来实现这个分配,这是需要考虑的。第四个是评价体系,在评价体系里面,目前我们整机的评价有了,整体的系统的评价也有,但是材料的性能的评价方法,目前还是欠缺的。第五个是施工规范,第六个是验收规范,这两个问题,我们要注意,然后去制定规范方法就可以解决。最后一个问题是运行维护,这里面有两个问题是比较重要的,就是净化组件以及芯体,净化组建我们还可以借鉴现有的过滤器评价办法来实现,但是芯体寿命的问题是一个致命的问题。

 

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   总体风量与各室风量确定方法,以及风量分配设计方法的问题。目前还没有一套专门方法提供。这里面就说几个问题,第一个是使用场合的多样性,因为场合不同,它在使用的时候不一样。还有是否热回收、换气方式的问题,早几年我们在研究通风系统的时候,还建议用集中排自然进风的方式,因为这种方式少了一套管道系统,但是不适合我们国家目前的状况,因为我们如果让自然进风以后,室外的空气污染就会要进入室内,所以目前我们还是推荐用机械送。另外还有一种就是无管通风系统,也就是一个机器,但是要选择合理的安装位置,然后在选择合理的室内的空间隔断、合适的开口,能够自然而然的按照我们设计的路径通风,这更加困难。

 

   关于家用换气系统的评价。上世纪90年代初开始,当时发达国家都参加了国际能源机构IEA国际合作项目,如Annex23住宅通风计算的软件开发、Annex27家用换气系统的评价与检证等。评价的内容就是几个方面,噪音怎么样,生命周期成本怎么样,舒适性的影响,能耗到底怎么样,性能怎么样……,所以说那个时候开始就有了评价方法的研究。  

                

   那么接下来要说的就是主机的设计制造的问题。那么这里面就是说,这个性能的参数跟结构参数如何把它关联起来?因为这个问题,由于设计的方法的缺乏,造成了很多的时候就把性能要求与尺寸要求都固定了,比如说效率要求百分之多少,百分之七十?尺寸又有限制,这个时候往往就造成设计意图实现不了。另外一个就是净化组建和压力平衡的问题,原来我们是送多少排多少,就是说基本上是平衡的。要保持室内的正压,防止自然的外界污染进来,这个压力差不很大。但是我们一旦装了新风的净化系统,两路的压力更是不平衡,那会造成机器内部压力不平衡,漏风问题就很大。

 

   再就是说芯体方面,芯体的核心材料选取的方法就是比较欠缺了。另外一个就说流道,其实内部的微流道、小微通道,现在我们有这么几种形式,下面我会再讲。但是它的优化确实拿不出一个结论来,这也是一个问题。

 

   高性能膜材料开发。事实上现在已经有一部分高性能材料出现,但是也存在问题,具体的设计方法还是欠缺的。至于功能的材料的现状,目前我们用的大多数都是纸机纤维的,另外一个就是高分子,还有其他各种各样的。但是这个就是说目前大家都在尝试,要提高这个性能。另外一个就是机体的结构和外形,比如流道到底用三角形的还是矩形的,还是我用几个点支撑它,到底哪个性能最好。另外一个是外形,到底我们选什么样的,是原来立方体的,还是六角形的,还有现在直角型的,这些都存在。双向性能如何一致?这个我们做了一些访问计算,做了一些模型,也做了一些实验和计算的验证。那么完成验证模型以后,对流道我们也做了一些优化,那么到底是用什么样形状的流道来做,流道是用来提高性能的,能够提高多少这也要做流道参数传热的分析。其实,做了前面几个内容就是为了解决这几个问题,要选参数来决定它。根据得到的结果,设计开发一个软件,让大家使用这个软件可以很方便的设计,比如你给我性能、风量,我就能设计出机体,或者给了我这些定位,我就能预测它的性能。

 

三、家用换气系统的评价

 

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   目前我们对现在这个做了整理如上图。全能交换的评价方法,各个国家都有这个标准。我特意说一下功能材料的评价方法。我前面提到它缺失了,现在我们在做,目前是没有传热性能的评价方法。其他的,比如说透气透湿这些都可以做。目前可以借鉴别的行业的标准来做。我现在在做的就是传热性能。另外,抗击也可以参照其他的行业标准来做,但是耐热性现在还是做不到。针对新风机的评价标准是没有的,可能也有人在做。另外一个评价室内的环境要求,我们就是参照卫生的角度,因为我们终极目标是要使得室内环境达到好的空气品质。这个要求,我们达到P7就可以了,符合要求。另外,对整机的影响,压力不平衡它是动态的,因为过滤器它的阻力一直在变化,一直变化就导致我们整机主机内部的压力结构在变化,所以这也是一个需要解决的问题。

 

   还有风量装置,怎样开发共同实际的标准系列,也就是我给你我设计好的,你设计是给我风量,我可以根据我的需要来进行调整。这个东西是必须要有的,没有的话我们就做不到了。最后一个问题是运行维护,压力不平衡导致的性能变化,对这个东西要做一些评估。因为不做评估,它将来到底能维持多长时间你也说不清楚。

 

四、产业要面临的挑战性的问题

 

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   最后,谈谈产业界将来要面临的几个挑战性的问题。主要包括标准的完整性、设计方法与预测评价方法等,我用红颜色把重要的几个要求标出来了。大家可以参考上图,事实上现在有的企业已经在提出这样的要求。但是究竟如何来实现它,对于系统的有效配置,怎么来配置,现在还没有出一个具体有效的方案。还有一一个是既有建筑的问题,也非常关键,大家考虑一下。

责编:小阳
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