一種智能家用自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫 輝 葉智林 劉鴻森 潘愉鍇 王佳瀅

（河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071002）

我國(guó)第七次人口普查結(jié)果顯示，我國(guó)人口向城市群的進(jìn)一步發(fā)展日益明顯，城市出現(xiàn)了越來越多的高層民用住宅建筑。高層住宅對(duì)居住環(huán)境的通風(fēng)換氣要求較為嚴(yán)格，目前我國(guó)民用住宅主要使用新風(fēng)系統(tǒng)和門窗兩種方式進(jìn)行通風(fēng)換氣。新風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)換氣效果較好，但前期安裝成本較高，后期使用和維護(hù)成本也相對(duì)較高，長(zhǎng)期開啟會(huì)耗費(fèi)大量資源。采用門窗進(jìn)行通風(fēng)換氣會(huì)帶來噪聲污染，影響室內(nèi)舒適性。同時(shí)，室外的灰塵、霧霾等也會(huì)進(jìn)入室內(nèi)，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量造成很大影響，而且在冬季時(shí)會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)熱量損失較大，影響室內(nèi)溫度。另外，進(jìn)入21世紀(jì)后，能源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，人類活動(dòng)使全球變暖的問題也日益顯著[1-3]。針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種智能家用自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)含有自然風(fēng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)與熱交換裝置，能夠通過利用自然風(fēng)驅(qū)動(dòng)完成引氣、排氣和熱交換，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的通風(fēng)換氣。該系統(tǒng)不僅能夠有效減少能源消耗，而且具有室內(nèi)外空氣的監(jiān)測(cè)功能，操作更加簡(jiǎn)單方便，使其更加智能化和人性化。

1 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)

智能家用自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)主要由引風(fēng)、熱交換、排風(fēng)及空氣質(zhì)量檢測(cè)等部分組成。該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)工作時(shí)，室外空氣在引風(fēng)扇作用下進(jìn)入通風(fēng)換氣系統(tǒng)，在熱交換管道內(nèi)與排出的室內(nèi)空氣進(jìn)行對(duì)流熱交換，從而降低室外空氣對(duì)室內(nèi)溫度的影響。室內(nèi)空氣完成與室外引入空氣的熱交換后，在排風(fēng)扇作用下排出室外。當(dāng)外界風(fēng)力不足，自然風(fēng)無法驅(qū)動(dòng)主軸扇葉時(shí)，可以通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證足量室外空氣進(jìn)入通風(fēng)換氣系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠不間斷地完成通風(fēng)換氣。

1.1 引風(fēng)和排風(fēng)裝置設(shè)計(jì)

通風(fēng)換氣系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口為圓柱形，自然風(fēng)可帶動(dòng)主軸風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使下方同軸的引風(fēng)扇隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在引風(fēng)扇的作用下室外空氣進(jìn)入系統(tǒng)管道，與室內(nèi)空氣完成熱交換，以大大降低引風(fēng)能耗。同時(shí)，系統(tǒng)加入了智能風(fēng)機(jī)模塊，當(dāng)檢測(cè)到自然風(fēng)力不足時(shí)，系統(tǒng)開啟主軸風(fēng)扇電機(jī)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)扇葉，以提高通風(fēng)換氣效率。

通風(fēng)換氣系統(tǒng)排風(fēng)時(shí)主要通過主軸風(fēng)扇帶動(dòng)上方同軸的排風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，使室內(nèi)空氣沿管道上升，排出室外。引風(fēng)和排風(fēng)裝置如圖2所示。

圖2 引風(fēng)和排風(fēng)裝置示意圖

1.2 顆粒物濃度檢測(cè)控制裝置設(shè)計(jì)

通風(fēng)換氣系統(tǒng)能夠通過外加PM2.5紅外傳感器電路比較內(nèi)外空氣顆粒物濃度。當(dāng)外界空氣比室內(nèi)空氣污濁時(shí)，控制風(fēng)閥關(guān)閉通風(fēng)換氣裝置；反之，控制風(fēng)閥開啟通風(fēng)換氣裝置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇兩塊PM2.5傳感器A和B，A放置于室外，B放置于室內(nèi)。當(dāng)空氣較污濁時(shí)，傳感器輸出高電位記為“1”，否則輸出低電位記為“0”，系統(tǒng)輸出值記為Y，其狀態(tài)表如表1所示。表達(dá)式為：

表1 顆粒物濃度檢測(cè)控制狀態(tài)表

式中：當(dāng)Y=1時(shí)，系統(tǒng)控制通風(fēng)換氣裝置開啟；當(dāng)Y=0時(shí)，系統(tǒng)控制通風(fēng)換氣裝置關(guān)閉。

1.3 仿真分析

為進(jìn)一步完善和細(xì)化設(shè)計(jì)，通過查閱相關(guān)裝置標(biāo)準(zhǔn)并參考保定市面上單體新風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，用MATLAB計(jì)算出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)?，F(xiàn)以保定市作為計(jì)算實(shí)例，給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分別如表2～表6所示。

表2 引風(fēng)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)表

表3 板翅式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)表

表4 太陽能儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)參數(shù)表

表5 送風(fēng)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)表

表6 排風(fēng)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)表

對(duì)引風(fēng)和排風(fēng)裝置的主要受力部件（主軸風(fēng)扇）進(jìn)行應(yīng)力分析如圖3所示。通過添加80 Pa的壓強(qiáng)，模擬主軸風(fēng)扇處于5級(jí)風(fēng)吹過的環(huán)境時(shí)所發(fā)生的變形狀態(tài)。此時(shí)主軸扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，并與連接軸之間產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，但變形量很小，變形狀態(tài)并不明顯，如圖3（a）所示。對(duì)主軸風(fēng)扇進(jìn)行靜應(yīng)力分析，在5級(jí)風(fēng)載的條件下，根據(jù)云圖顯示，最小應(yīng)力產(chǎn)生于扇葉外邊緣處，最大應(yīng)力產(chǎn)生于軸與扇葉連接處，如圖3（b）所示。軸與扇葉連接處承受扭力，最大應(yīng)力小于扇葉材料的許用應(yīng)力，主軸風(fēng)扇可以正常工作。

圖3 主軸扇葉受力分析圖

為衡量產(chǎn)品通風(fēng)換氣的效率，使用MATLAB軟件建立灰色預(yù)測(cè)模型[5]，以預(yù)測(cè)產(chǎn)品在110 m2的住宅中通風(fēng)換氣一次所需要的時(shí)間。按照《公共場(chǎng)所衛(wèi)生檢驗(yàn)方法 第1部分：物理因素》（GB/T 18204.1—2013）有關(guān)要求對(duì)本產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)分，如表7所示。

表7 產(chǎn)品評(píng)分表

根據(jù)表7中的數(shù)據(jù)可得初始序列為：

式中：r(0)為初始數(shù)列，即對(duì)通風(fēng)換氣模型完全換氣4次所得到的測(cè)量值。

通過r(0)進(jìn)行一次累加得到新的數(shù)據(jù)數(shù)列，累加生成序列為：

由此，可構(gòu)造數(shù)據(jù)矩陣：

令：

式中：T表示轉(zhuǎn)置。

再令：

則：

時(shí)間響應(yīng)方程為：

圖4 計(jì)算所得擬合值

對(duì)該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

表8 計(jì)算結(jié)果精度檢驗(yàn)表

由表8可知，該灰色預(yù)測(cè)模型的計(jì)算精度非常高。因此，本通風(fēng)換氣系統(tǒng)具有良好的通風(fēng)換氣效果。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

該智能家用自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)與傳統(tǒng)換氣方式相比，突破了原有換氣方式在效率和能源消耗等方面的不足，系統(tǒng)的實(shí)用性顯著提高，且更為智能高效，其主要特點(diǎn)有：

（1）采用智能化控制，可監(jiān)測(cè)空氣溫度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)換氣；

（2）增加了熱交換模塊，利用熱交換技術(shù)能夠降低室外空氣對(duì)室內(nèi)溫度的影響；

（3）利用自然風(fēng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行引風(fēng)與排風(fēng)，大大降低了能耗。

3 結(jié)語

針對(duì)目前常見室內(nèi)通風(fēng)換氣方式存在的問題，設(shè)計(jì)了智能家用自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)。一方面該系統(tǒng)可以通過PM2.5等傳感器監(jiān)測(cè)室外空氣的質(zhì)量，及時(shí)過濾有害氣體，向室內(nèi)提供新鮮空氣，從而降低室內(nèi)各種有害物的濃度，保證室內(nèi)空氣的清新；另一方面，通過溫度傳感器判斷室內(nèi)外溫差，并利用熱交換技術(shù)，能夠在進(jìn)行換氣的同時(shí)進(jìn)行熱量的交換，以維持舒適的室溫，提供健康、舒適的生活環(huán)境，提高家庭生活品質(zhì)。另外，本系統(tǒng)具有能耗低、效率高、無污染、智能化等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了碳中和的理念，具有廣闊的應(yīng)用前景。