建筑通风最简单的定义是室内外空气的交换,是借助换气稀释或排除室内污染物的手段,用来实现室内空气环境质量保障的一种建筑环境控制技术。通风量就是室内外空气的交换量,如图2-1所示。建筑通风的主要意义为:①排除室内污染物和余热余湿,保证室内良好的空气品质。②减少空调系统的开始运行时间,降低建筑能耗。
图2-1 通风与通风量示意图
从历史发展来看,人类是从自然空气环境中进化而来的,因此天然就与自然有密切的关联;从人的生理角度看,呼吸自然环境中的空气是人体生存的第一需要;从现代人类活动来看,人们80%以上时间生活在建筑中。因此通风对建筑的意义非常重大,没有通风的建筑,不能生存;通风不良的建筑,有损健康;通风良好的建筑,才有舒适感可言。这里需要特别强调的是,由于室内空气污染物众多,还有很多从科学上尚未明晰,因此所谓“净化”的室内空气不能完全替代室外空气。
通风的基本任务是保障室内空气质量,通风系统的形式主要有新风系统和排风系统,两者构成通风系统。下面就通风中的污染物质量平衡进行分析,如图2-2所示。
图2-2 通风污染物质量平衡图
其中, G j 为进风量; G P 为排风量; G s 为渗透风量; n j 为进风中的污染物浓度; n 0 为室内空气中污染物浓度; N 0 为室内污染物散发量; G 为通风量。
对于建筑中某种空气污染物 N ,可以从进风量和排风量的两种关系进行分析。
第一种情况是:进风量 G j >排风量 G p ,如图2-2a所示。
根据空气质量平衡公式 G p + G s = G j ,因此通风量就是进风量,或者说是排风量与房间渗透风量之和。
基于此关系式,再结合空气污染物质量平衡方程可得:
进而可以推导出室内污染物浓度:
即:
第二种情况是:进风量 G j <排风量 G p ,如图2-2b所示。
根据空气质量平衡公式 G j + G s = G p ,因此通风量就是排风量,或者说是进风量与房间渗透风量之和。
同样可以推导出室内污染物浓度:
即:
从这两种情况推导出的室内污染物浓度公式可知,室内污染物浓度与进风的污染物浓度、室内污染物散发量和通风量有关。这构成了室内空气质量的三大影响因素。以进风的污染物浓度进行分析可知当 n j 超标, n 0 超标;当 n j 不超标, n 0 仍可能超标。因此进风的污染物浓度对室内污染物浓度具有基础性的影响。
进一步,可以推导出以下几个结论:
第一点,进风浓度不超标是保障室内空气质量的必要条件。
第二点,新风系统的基本功能是向室内提供不超标的室外空气。
第三点,新风系统不能单独承担保障室内空气质量的全部责任。
第四点,室内产生的污染源 n 0 ,依靠排风系统直接排除或通风量 G 稀释后排出。
因此可得知新风系统对室内空气污染物浓度影响之大,新风系统在通风系统中具有核心作用,需要重点关注,做好运行。同样也存在着局限,所以必须与排风系统联合运行。
建筑需要健康舒适的环境,这种健康舒适需求又对新风系统提出了功能需求。主要体现在以下几点:
1)全年为建筑保持提供新风量,这是人员健康呼吸的基本需求。
2)当室外空气污染时提供符合空气质量标准的新风。
3)在潮湿季节提供干燥的新风。
4)在干燥季节提供湿润的新风。
5)在寒冷季节提供温暖的新风。
6)在炎热季节提供凉爽的新风。
这些需求具体表现在不同气候区域存在着差异,进而对新风系统空气处理提出了功能需求。表2-1为不同气候区新风处理需求表。
表2-1 不同气候区新风处理需求表
我国气候分区分为寒冷地区、严寒地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区,不同的区域新风系统空气处理功能需求显然不同。对于严寒地区,需要加热、加湿;对于寒冷地区,需要加热、降温、加湿和除湿;对于夏热冬冷地区和夏热冬暖地区,则需要加热、降温和除湿;对于温和地区,需要加热、除湿。这些需求,有时候是联合需求,有时候是单个的需求,随着各地区的气候变化而变化。这里尤其需要说明的是,对于大城市和城市群区域,由于室外空气质量的特点,各个气候区均需要对新风进行净化处理。由此可以看出,各区域的新风系统功能构成不同。这对新风系统的运行调控奠定了基础。
所以说,通风是建筑的重要需求,在建筑运行时需要秉持通风优先的室内空气环境营造理念,并根据气候区的气候特点及环境空气质量特点,制订适宜的新风系统的功能构成,并根据具体的动态气候条件和室外空气质量条件进行良好的调控。
前面分析到,健康舒适对新风系统的功能需求与区域存在着差异。具体来说就是存在加热、降温、加湿、除湿和净化的功能需求,存在着严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区的区域差异。这些差异要求建筑通风系统在不同的地理区域的运行应根据各自区域的特点进行调节;要求在同一区域一天中的不同时间和不同季节进行动态调控。当然也存在着新风系统空气处理功能需求的同时性问题,即加热、降温、加湿、除湿和净化的功能需求是否同一时间存在,还是同一时间存在几种?只有研究清楚了这些,才能更好地进行建筑通风系统的运行调控。
表2-2为新风处理需求的同时性,显示了不同新风处理功能存在的同时性情况,表中的0表示几乎不可能,1表示完全可能,“较大”和“较小”均表示出现的可能性程度,但不代表一定就出现或不出现。比如,对于加热和降温需求的同时性,则其出现的可能性很小,而对于加热与加湿的可能性就很大;对于加湿与除湿的同时可能性就几乎不存在,而降温除湿的同时可能性几乎肯定存在。这个需求同时性的关系可为通风系统的功能需求及调控奠定很好的基础。
表2-2 新风处理需求的同时性
注:表中数字前的“~”表示接近于。
新风系统具有多种功能的模块,有加热、降温、加湿、除湿和净化模块。既然实际建筑的功能需求是多重的,且还在不断变化中,因此在通风系统的运行中就会存在功能的转化。新风系统在实际运行时,取决于室外空气状态参数,比如当室外温度高、湿度大、空气PM2.5高的时候就需要开启降温除湿和净化功能模块。在夏秋过渡季节,白天温度较高,需要进行降温除湿,而晚间温度相对减低,则可能不需要降温除湿,仅需要把室外空气引入室内进行通风换气即可。这就要求新风系统的功能由在白天的降温除湿转到晚间仅需开启风机通风的转换,这样的转换是通风系统运行中可靠的基础。因此功能转换是新风系统必备的调控性能。
一年中多数时间需运行新风系统,当室外空气质量良好,热湿状态处于热舒适区时,具备开窗条件的建筑可停止运行新风系统,这是一年中维护保养新风系统的宝贵时间,也是保障新风系统持续良好运行的关键。没有这段时间的很好的维护保养,就不能够实现良好的通风系统功能。
新风系统承担冷热湿空气品质和洁净度的处理,但单个新风系统不能构成通风系统,新风系统必须融入通风工程联合运行。因为对于一个空间来说,有送风有排风才能形成通风。对于建筑来说,特别是住宅,厨、卫等排风系统已经普及,随着建筑节能发展、绿色建筑的普及,建筑的门窗气密性有了极大的提升。在这种情况下,若把新风系统、厨卫排风系统各自单独运行,则存在比较严重的后果。比如仅运行排风系统情况,随着排风系统的运行,室内气压下降,新风系统若不开启,由于围护结构的密闭性,没有进风的通路,排风系统也不能够很好地将污染气体排出室外;若新风系统开启而且不能够与排风系统运行风量匹配的话,排风量大于新风量,则有部分风量通过围护结构渗入室内,这部分的风量是未经过处理的,会使得室内空气质量下降。
完整的通风工程构成应包括新风系统、厨卫各种污染空间的排风系统、门窗缝隙等渗风系统和维持室内正压力的补风系统。这四大系统协调运行,构成了动力分布式通风网络,并在流体力学基本特性下运行。所以动力分布式通风网络是保障室内环境非常重要的通风系统,通风系统的运行必须融入这个网络之中。实际上,动力分布式通风网络的一种风量调控逻辑,主要体现在:
第一,根据防止室外污染空气、寒冷空气、热湿空气渗入的需求设定居室正压值。
第二,根据新风量需求和设定的居室正压值,确定新风系统风机的运行工况点。
第三,根据控制厨卫等室内空气污染物的需要,运行厨卫排风系统。
第四,当居室正压值小于设定值时,补风系统增大风量;当居室正压值大于设定值时,补风系统减小风量。
第五,补风位置应在排风区内。只有这样,通风系统不管是送风和排风才能协调有序运行,创造良好的室内环境,不会破坏居室的有序气流流向。
对于通风系统来说,除了良好正确地运行之外,系统地维护也是保障系统能持续良好运行的关键。对于新风系统来说,运行维护的关键是“及时”。这主要体现在:
第一,新风系统中的各种空气处理部件的功能寿命是短暂的,需要及时再生或更新。比如说,新风系统中的空气过滤净化器,随着新风系统的运行,过滤净化器上过滤了很多灰尘等杂物,如果不及时更换,则反而成了一个污染源,对新风造成二次污染。
第二,“及时”并不等于“定时”。不同建筑的新风系统具有自己的工程特性,具体体现在:①各建筑外的空气质量、热湿状态有明显差异。②各建筑的使用情况也有明显差异。③以上两种情况造成安装在不同建筑上的相同新风系统的功能衰减时间不同,定时再生或更新,极可能造成新风质量不能保证或浪费功能部件、增加人工。因此需要针对具体的新风系统进行及时维护保养方能达到预想的效果。
第三,需要“实时监测”新风系统的新风质量,监测数据将成为大数据,监测也能发现运行存在的问题,便于后期更智能运行。
第四,需用大数据进行分析,发现“及时”再生或更新的规律,更好地指导运行调控。
对于通风系统来说,运行不是简单地开关通风机的问题,不仅涉及基于流体力学的送风排风与补风的动力分布式系统协调控制,而且还需要高科技的手段来解决通风运行管理的各种问题。把之前通风系统中人工的部分转化成智能的智慧的运行管理,因此高新技术在通风中有很大的用武之地。主要体现在:①各净化与热湿处理的功能部件需要高新科技。②实时监测,物联网+大数据。③室外空气质量与热湿状态识别与功能转换。④及时服务,大数据分析与诊断。⑤智能化,减少运维、服务人工费。
所以通风系统是新风系统和排风系统的协调运行,只有这样方能实现健康舒适节能的通风需求;同时为了保证健康舒适的节能运行,需要对通风系统进行维护保养,除了传统的维护保养技术与手段,更呼唤新时代的大数据、物联网等高新技术。
新风系统需要进行加热、降温、加湿、除湿和净化,不同的气候区域,这些需求均有差异。对于通风系统来说,除了根据需求对空气进行处理外,还涉及风量的输配、末端气流组织等内容。从输配系统形式上来看,主要有动力集中式和动力分布式两种。