世环通小程序 扫码打开小程序
万家优质供应商一键触达

【HVAC】《暖通空调》| 殷平:疫情下新风机组的技术研究

   日期:2022-07-12     来源:暖通空调    

摘要

近年来我国新风机组的产量呈现爆发式增长趋势,住宅和学校使用量大增,新冠肺炎疫情加速了这一产品的发展。为顺应形势,我国陆续颁布了50余项新风机组和新风系统的标准规范和文件,但各自独立。指出:新风机组只能通过通风换气稀释建筑物中的污染物,而不能灭活病毒、杀灭细菌、清除气态污染物和室内发生的颗粒物;同一参数在不同标准中不统一,不利于标准的实施;抗疫新风机组称谓不规范,不宜作为招标设备。建议尽快确定各种建筑物的新风量指标,包括控制室内房间的呼吸道感染风险的新风量指标。认为真空膜除湿机的研发成功扩展了新风机组的应用。

 

关键词

新风机组;新风系统;市场;标准;新冠肺炎疫情;新型冠状病毒;新风量;真空膜除湿机

作者殷平  湖南大学

0 引言

COVID-19疫情暴发后,病毒多次变异,尤其是德尔塔病毒和奥密克戎病毒的出现,使得疫情防控变得异常严峻。在防范COVID-19疫情的措施中,除了戴口罩、勤洗手、常通风、少聚集,保持社交距离和注射疫苗外,还出现了各种空气净化和消毒的技术和设备,其中新风机组(新风系统)被当成应对COVID-19的重要设备,不仅被称之为抗疫新风机组广为宣传,而且相继进入市场,参与招标。新风机组是否可以作为抗疫设备?以及迅速推广的新风机组产品应该如何提高其性能和质量应对疾病的大流行?本文从市场、标准、存在的问题和未来展望多个视角进行探讨。

1 市场

2012年开始,大气污染形成的雾霾和细颗粒物PM2.5对人体健康造成的危害受到广泛的重视,新风净化机组成为国内一种高速增长的空调产品。由于新风机组(或称新风系统)的生产厂家一般均生产多种空调产品,加上国内尚无权威机构对新风机组的生产厂家及其新风机组的产量进行调查统计,所以迄今为止国内新风机组生产厂家数量和年产量均不清楚。据国内几家机构的不完全统计,2020年我国新风机组的产值约200亿元,且呈明显上升趋势。根据中国环境保护产业协会调查,国内新风机组用于住宅占比约为45%,公共建筑(学校、医院、办公楼、商场等)约占39%,旅馆约占16%

住宅使用新风机组主要的原因是:1)随着国民经济的高速发展,人民生活水平不断提高,人们开始关注居住环境的空气质量,新风机组逐渐成为一种家电产品;2)疫情期间,通风已成为防范新冠肺炎疫情流行的重要措施之一,新风机组应用范围得以扩大;3)由于国家相继出台诸多建筑节能的标准法规,居住建筑气密性明显提高,引进一定量的新风已成为改善室内空气质量的重要措施;4)为了迎合市场的需求,提高居住建筑的档次,房地产商在新建住宅中配套了新风机组;5)多地出台了居住建筑的地方标准,要求在居住建筑中配套新风系统。

在诸多公共建筑中,由于学校建筑是教育教学活动的载体,是师生工作学习的场所,校舍室内空气质量和抗疫直接关系到师生的身体健康,受到普遍重视。当前全国各类公办学校约52万所,幼儿园27万所,初中16万所,高中15.4万所,高校2 663所;初中校区建筑面积6.4亿m2,高中建筑面积5.4亿m2,高校建筑面积8.7亿m2(以上数据不包含特殊教育);民办学校从幼儿园到高校18万所。如果校舍都安装新风机组,新风机组的产值将会超过百亿元,这是一个非常大的市场。

为了应对如此之大的市场需求,近年各地陆续颁布了多项新风机组和新风系统的标准,下发了相关通知,成立了相关协会,举办了系列展览、会议和活动。其中最引人注目的是20214月在湖北启动的万校抗疫新风系统进校园活动2021419日,某公司公示了湖北18座城市校园新风系统招标公告。此次招标按每座城市新风机组的数量大于等于2 000台、每台新风机组产品预算金额为6 000元、单台新风机组5年维保(含耗材费)预算为4 000元,总金额超过3.6亿元进行招标。一种空调产品一次招标总金额超过3.6亿元较为罕见,因此招标公告一出,震惊国内空调界,引起了广泛关注。如此庞大的市场需求,新风净化机组的研发、生产、宣传、销售势必形成新的高潮。

2 标准和法规

2002年开始,截止到20218月,国内颁布的涉及新风机组和新风系统的相关标准、规范、文件达50余项,且主要集中在2016年以后,其中包括国家标准18项,与学校有关的新风机组和新风系统的标准17项,见表1

新风系统和新风机组的定义不同。根据GB/T 50155—2015《供暖通风及空气调节术语标准》,新风机组是指:专用于处理室外空气的空气处理机组;新风系统是指:为满足卫生要求、弥补排风或维持空调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。国际上一般不采用新风机组称谓,也没有专门的标准,与新风系统相关的是独立新风系统(dedicated outdoor air system DOAS),指使用单独的设备来调节室外新风用于建筑物通风,并送到每个房间,或者是直接送入,或者是与这些房间内的分散式或集中式暖通空调系统联合运行。

国内新风机组大致可以分成以下几类:

1)热回收新风机组(ERV)。以显热或全热回收装置(ERC)为核心,通过风机驱动空气流动实现新风对排风能量的回收和新风过滤的设备。亦称双向流新风机。

2)新风净化器。由风机和过滤器等组成,用于引入并过滤室外空气的设备,亦称单向流新风机。

3)具有消毒功能新风净化机。利用化学、物理等方法杀灭或去除室内空气中微生物,可带有内循环的新风净化机。

4)双冷源新风机组。采用不同温度的冷源对新风进行热湿处理的一种空气处理设备。

5)热泵式热回收型溶液调湿新风机组。以电能作为驱动能源,热泵循环和溶液式空气处理设备相结合,集溶液式全热回收段、溶液式调温调湿段为一体,具备对新风全热回收、降温除湿、加热加湿等处理功能。

6)独立新风空调设备。一种将新风单独处理使其负担室内全部潜热负荷和部分(或全部)显热负荷的空调设备。

7)蒸发冷却式新风空调设备。采用蒸发冷却的方法集中处理新风的空调设备。

虽然相关标准、规范繁多,但主要涉及新风量、空气热湿处理、空气净化等方面,具体如下。

1)新风量。学校建筑、居住建筑和公共建筑的新风量在多个标准中均有规定,但取值不同。表2显示了有关学校建筑设计新风量的规定。

由表2可以看出,不同标准给出的学校设计新风量并不相同。GB 50736—2012参考ASHRAE Standard 62,同时考虑了人员污染和建筑污染,所以给出的新风量指标更贴近实际。

2)空气热湿处理。目前应用最广的是热回收新风机组。GB/T 21087—2020《热回收新风机组》的起草单位多达83个,可见这一产品受关注的程度。表3给出了GB/T 21087—2020对热回收新风机组和热回收装置交换效率限值。

目前全热交换器的热质交换材料主要采用纸和高分子聚合膜,GB/T 21087—2020对热质交换材料没有规定。

3)空气净化。对于新风净化,按作用对象可分为颗粒物型、气态污染物型和微生物型。

4列出了主要标准给出的新风净化机组颗粒物过滤效率。除了QB/T 5580—2020《家用和类似用途新风净化机》标准给出的过滤效率针对的是粒径大于等于0.3 μm的粒子外,其他标准给出的过滤效率针对的都是细颗粒物PM2.5

5给出了主要标准规定的抑菌率和防霉等级,目前只有T/CAQI 180—2021《具有消毒功能的新风净化机技术要求和试验方法》附录C规定了对甲型流感病毒、肠道病毒EV71、冠状病毒具有杀灭功能的车载消毒机的要求和方法,但是,实际上附录C并未给出对冠状病毒具有杀灭功能的车载消毒机的要求和方法,而且附录C也只适用于车载消毒机,并非新风机组。

6给出了主要标准中对气态污染物浓度的限值。一般是从以下几种污染物中选择一种作为试验目标污染物:甲醛、苯、甲苯、总挥发性有机物、二氧化碳、一氧化碳和氨,或者根据试验目的选择气态污染物。

3 讨论

新风机组的构成简单,单向流新风机组是由空气过滤器、风机、控制器和箱体组成;双向流新风机组除上述组件外增加了新风对排风能量的回收装置。由于风机、空气过滤器及新排风能量回收装置均有专业化工厂生产,所以面对国内新风净化机组存在的巨大潜在市场,国内外企业趋之若鹜,不同行业的企业争相进入这一领域,开发出各种类型的新风净化机组,出现了优劣并存的局面。

1)标准。

如前所述,与其他暖通空调设备不同,涉及新风机组和新风系统的相关标准50余项,且主要集中在2016年以后颁布,其中包括18项国家标准。如此之多的标准是否有必要,值得商榷,因为标准过多往往会让设计师和用户不知所措,还可能引发以下问题。 由于新风机组是专门用于处理室外空气的设备,因此其功能应该与空气净化器和集中式空调净化系统不同,如果只有新风而无循环风引入新风机组内进行净化处理,室内产生的污染物只能通过通风稀释,而无法通过新风机组内设置的空气净化装置去除。如表56所示,国内有多个标准所列新风机组并无内循环,却要求新风净化机组能达到多项室内空气质量标准的规定,显然不现实。利用新风换气来改善室内空气质量并非是一项新技术,从19世纪末开始国际上一直在研究。COVID-19的暴发使得新风和新风机组再度成为研究的重点。世界卫生组织(WHO)组织多国科学家在20216月制定了《WHOCOVID-19疫情下改善和确保室内良好通风的路线图》,该文件指出:通风是有意将新鲜空气引入房间,去除室内污浊空气。如果当地室外条件特殊,例如室外存在有高浓度颗粒物,在将其引入建筑物之前,则需要对新风进行处理。建筑物通风的一般目的是确保建筑物内的空气对呼吸是健康的,目前,这主要是通过稀释建筑物中的污染物来实现。对于居住建筑和非居住建筑(包括学校、办公建筑、商场等)应采用MERV 14/ISO ePM1 70%80%空气过滤器。ASHRAE《在大流行中的准备,学校如何实施空气质量措施保护居住者免受COVID-19》和《开学指南》文件中要求独立新风系统换气次数最小为3 h-1,空气过滤器MERV 13是推荐的最小值,MERV 14是首选,上述文件并未要求新风机组安装其他空气净化设备。 设计新风量是新风系统设计的重要参数,目前不同标准规定的设计新风量指标不一,如表3所示,对于学校国标就有3种不同的规定,且差异明显,同时也没有考虑控制室内房间的呼吸道感染风险所需要的新风量。国内有专家建议,对于国标没有明确给出设计新风量的建筑,可以参照GB 51039—2014《综合医院建筑设计规范》第7.1.13条的规定取值:集中空调系统的新风量每人应不低于40 m3/h, 或新风量不小于2次换气。设计师同时也应关注国际上新的通风指南,关注设计新风量、换气次数的取值,以及新风与空气净化器对COVID-19净化效果的研究。 现有新风机组标准中采用的专业术语应该规范,不宜自行定义。 相关标准虽然多达50余项,但是诸多标准在编写时并未参考已经实施的其他标准的内容,尤其是国家标准的内容,结果导致内容重复,各行其是,不尽合理。

2)技术。

WHO在《全球空气质量指南》中指定的需要控制的空气污染物为:颗粒物(PM2.5PM10)、臭氧、NO2SO2CO,由于臭氧、NO2SO2CO的污染与新风采集点有关,所以目前《全球空气质量指南》规定需要控制的主要污染物是颗粒物。国际上新风机组的主要功能是净化颗粒物,而清除细菌的空气净化装置为带杀菌功能的阻隔式空气过滤器,以及带杀菌功能的新排风能量回收装置。国内生产的新风净化机组采用的技术多种多样,有很多技术就是通用技术,只是为了商业需要,采用了新的称谓,其中很多技术在新风净化机组中设置有无必要值得讨论。 国内多个涉及新风机组(新风系统)的标准、文件中出现了对新风机组臭氧浓度增加量和紫外线泄漏量的限值,之所以规定臭氧浓度增加量限值,应该是机组内安装了非阻隔式空气净化装置(包括高压静电过滤器、IFDintense field dielectric)过滤器、负离子过滤器、低温等离子过滤器);规定紫外线泄漏量限值,应该是机组内设有紫外线装置(或是采用紫外线灯,或是与光催化空气净化装置配套),在新风机组中安装这些空气净化装置是否合理值得商榷。 除了国家标准给出的术语外,目前国内市场上出现了诸多新风机组的新称谓,例如,抗疫新风机组、抗(除)霾新风机组、高效抗菌新风机组、洁净新风机组、消毒(杀菌)新风机组、除醛新风机组等,这些称谓是否合理值得商榷。如前所述,在定义新风机组时,应该根据净化对象(室外污染物还是室内污染物)和净化功能进行分类。

3)招标。

由于新风机组(新风系统)标准繁多,加上专业上的认知不足,新风机组在招标中出现这样或那样的误解并非罕见。一个典型的例子就是2021年湖北18座城市校园新风系统招标,该招标的名称为万校抗疫新风系统进校园活动,在招标文件中注明招标的产品是采用双向流全热交换器新风机。由于是抗疫新风系统,所以要求具有三级以上净化消毒杀菌装置,采用高效级过滤材料,并具有在有效期内的整机3C认证证书,或CQC认证证书,或CE认证证书。中标单位为达到上述要求,除了采用了三级空气过滤器之外,还采用了多种消毒杀菌装置。如前所述,新风机组除了可以过滤室外新风中的颗粒物、稀释建筑物中的污染物外,并不能灭活室内的COVID-19,所以按抗疫新风系统的要求进行招标实际上是对新风机组(新风系统)功能的一种误解。

4 展望

COVID-19疫情暴发后,国务院两次下发通知,指出当空调通风系统为全空气系统时,应当关闭回风阀,采用全新风方式运行,很多专家也持此观点。但是,目前国内外空调净化界普遍认为,疫情期间不应关闭空调回风系统,而应增大新风量,减少回风量。虽然充足的室外新风和合理的气流组织是降低SARS-CoV-2传播风险的重要方式,但是迄今为止,尚无法确定究竟需要多少新风量才能大大减少COVID-19的空气传播。近年来,很多国际组织提出了COVID-19疫情下的通风指南,也有多篇有关防止COVID-19传播所需要新风量的文献,但是未见各种建筑内防止SARS-CoV-2传播的具体新风量值(specific ventilation rate)。2021年,欧洲多国科学家会同欧洲供暖通风空调协会提出了一种新的设计方法用于计算室外空气通风率,以控制室内房间的呼吸道感染风险,并建议在未来的通风标准中使用这种方法来弥补现有的基于控制室内空气质量和去除污染物的通风标准。这一新的设计方法值得我国学者研究和借鉴。如前所述,由于目前国内有关新风机组和新风系统的标准中新风量取值规定不统一,更谈不上考虑到疫情下的合理新风量,所以这方面的工作还有待深入研究,标准有待制定。

疫情期间,当加大供暖空调房间的新风量时,暖通空调系统的能耗将随之增加,CO2的排放量也相应增大,因此如何在新风量增加的同时降低能耗是一大难题。由于在空调能耗中,除湿能耗约占空调总能耗的1/3,而我国大部分地区夏季室外湿度偏高,如果增大新风量,除湿能耗还将进一步上升。常规的除湿技术是通过表冷器去除送风中的水蒸气,需要将空气温度降低到露点以下,因此能耗较大。近年来,真空膜除湿技术以其环保、低能耗的优点,在航天飞行器、暖通空调、压缩空气除湿等实际工程应用中受到越来越多的关注。其中真空膜除湿机、真空膜热泵和真空膜空调相继研发成功,并陆续进入市场,成为国际上制冷空调界一大热点。真空膜除湿机使用过的透湿膜有多种高分子聚合材料,目前效果最好的是石墨烯透湿膜。膜除湿热泵研究获得了美国能源署和国防部的赞助,2014年被美国能源署列为17项非蒸气压缩暖通空调技术节能率排名第三的新技术,我国已有多所大学开展了真空膜除湿课题研究,近年来在国际上已发表数篇论文。研究表明,当独立新风系统采用真空膜除湿新风机组时,与采用常规机械制冷的新风机组相比可节能57%,与采用转轮式除湿机的新风机组相比可节能89%,节能效果十分明显。如果将真空膜除湿新风机组与高效、低阻、可杀灭细菌的新型过滤材料相结合,将大大提高新风机组的功能,并实现低碳节能的目的,所以国内需要尽快开发此类产品。

结论

COVID-19仍然在肆虐,由于多种变异病毒的出现,在未来很长一段时间内,人类无法回到疫情前的生活状态。新风机组作为一种行之有效的空气净化装置需要深入研究,开发出更多性能和质量能满足要求的产品来。

1)为减少室外大气污染和雾霾对室内空气质量的影响,应对COVID-19疫情,我国新风机组(新风系统)产量近年明显增加,不过产品的性能和质量优劣并存,问题频现,应对新风机组的性能研究进一步深入,逐步提高产品的性能和质量。

2)从2016年开始,国内先后颁布了50余种新风机组(新风系统)的标准和文件,其中大多数标准、文件内容重复、各行其是,相同的新风空气净化的对象限值往往不同,同时存在这样或那样的问题,使得设计师、制造厂家和用户往往不知所措。

3)新风机组是专门用于处理室外空气的空气处理机组,因此其功能应该与空气净化器和集中式空调净化系统不同。如果只有新风而无循环风引入新风净化机组净化空气,室内产生的污染物只能通过通风稀释,而无法通过新风机组另外设置的空气净化装置去除。

4抗疫新风机组(系统)称谓不尽合理,无论对新风采用哪种净化措施,也无法灭活室内的SARS-CoV-2;同样除醛新风机组也只能稀释室内甲醛的浓度。

5)应尽快确立各种建筑的新风量标准,包括防止新冠肺炎病毒传播的具体新风量的标准。开展新风机组节能、新风协同空气净化器对SARS-CoV-2的净化效果的研究。

6)真空膜除湿机的研发成功大大地扩展了新风机组的应用,我国应该尽快填补这一空白。

 

本文引用格式:殷平.疫情下新风机组的技术研究[J].暖通空调,2022524):90-9641


 
 
更多>同类资讯

热门排行
预约
1
收藏
36
扫一扫打开小程序
021-33231363/1371/1336
关闭

x