基于通风与空气净化的住宅室内空气质量控制策略

Residential buildings in China are heavily polluted due to very high PM concentration in outside air and out-gassing emissions from building materials and furniture. In order to create a healthy indoor environment and to reduce energy consumption and costs by ventilation, this investigation will solve two key scientific problems: (1) transport mechanism of wind from suburban weather stations to city center and (2) energy-efficient, economic and effective strategies for controlling indoor air by cleaning and ventilation. As a world leader with solid theoretical basis, experimental facilities, and computing resources, the applicant and his team will conduct research in three areas: (1) To use measured wind parameters around a residential building to enhance the modelling accuracy of wind transport from the weather stations in suburban to city center; (2) To develop a standard method for setting boundary conditions by using the wind field around the building when calculating natural ventilation through an apartment; and (3) To study different ventilation and air cleaning methods by analyzing outdoor climate conditions and indoor pollution level and to propose energy-efficient, economic and effective strategies for controlling indoor air pollution. The research will be conducted for different climate zones and regions with different pollutant level. The research project will provide guidelines and technical support for creating healthy, comfortable, and energy-efficient indoor environment.

我国住宅室内环境受到严重的室外空气颗粒物污染和室内装修材料以及家具散发的有害气体污染。为了提高室内环境的健康性，并且降低通风能耗和费用，本项目拟解决两个关键的科学问题：（1）郊区气象站风环境向市区迁移的机理；（2）节能经济高效的室内空气净化通风策略。申请人作为世界级领军人物，基于坚实的理论基础、实验条件和计算机资源，将带领团队进行三方面的研究：（1）把小区实测的风物理参数引入动态的风环境模拟模型，从而正确地把郊区气象站数据向市区数学迁移；（2）研究如何利用小区风流场，发展建筑室内自然通风计算边界条件的标准方法，确定室内自然通风量；（3）分析室外气候环境及室内空气污染程度，研究不同的通风方式和空气净化技术，提出节能、经济和高效的室内污染物控制策略，进一步把研究成果推广到全国不同气候区和不同污染状况的地方。本课题将为我国创造健康、舒适并且节能的室内环境提供合理的指导及理论和技术支持。

本研究主要进行了以下几个内容的研究：1）提出了将郊区气象站风环境合理迁移至市区的全尺度模型，并确定了在目标建筑自然通风设计时需要保留的最小其他建筑范围。2）本研究提出了将小时平均的郊区气象站数据转化为每分钟甚至每秒钟瞬态气象数据的方法，进一步计算以穿堂风形式进入住宅的自然通风量，通过与实验数据的对比，验证该方法的准确性。3）针对自然通风无法满足保证厨房空气品质和热舒适的状况，本研究进一步对中国家用厨房环境存在的问题和解决措施开展了全面、系统的调研，提出了一套解决厨房内热舒适和空气品质的机械送风、补风和排风以及空调集成系统。.主要结论：1. 本研究提出了一个详细全尺度模型，该模型能通过11 km处郊区气象站的数据计算出市区的流场，和屋顶实验数据对比计算误差为20%。2. 简化全尺度模型计算出的平均风速仅比详细全尺度模型的计算结果高5.5%，而简化模型的网格数仅为详细模型的69%，可以节省至少三分之一的计算时间。3. 在对目标建筑进行室外风场计算时，目标建筑周围至少需要保留R = 3L的建筑，其中L为目标建筑的最大几何尺寸。4. 基于修正后的每分钟气象数据，可以通过非稳态的CFD数值模拟合理计算出室内外自然通风，屋顶风速和穿堂风量，CFD模拟结果与实验测试数据之间的平均相对误差分别为24.4%和14%。5. 本研究提出在灶台周边用上送风幕补风限制污染物扩散，在灶台下用置换空调通风提供热舒适，通过油烟机排风排污的集成系统，实测厨房污染物排除效率为96.2%至97.1%，室内空气温度适宜，保证厨房内空气品质和热舒适。