一种PM2.5和CO2联控的智能新风机及新风处理方法与流程

本发明属于空气净化领域，涉及一种适用于教室、办公室等空气品质要求较高场合的降低PM_2.5和CO₂浓度的智能新风机技术。

背景技术：

近年来，我国大气污染形势十分严峻，华北、华东、西南等地多次遭遇严重雾霾天气，其中主要污染物来源为细颗粒物PM_2.5。PM_2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物。空气中的PM_2.5易携带大量有毒有害物质，经呼吸道进入人体肺部深处及血液循环，对人体产生危害。

目前国内外关于室内空气净化可采用的主要方法包括开窗通风、移动式空气净化器和独立新风机。

开窗通风是最简单易行的室内空气净化方法，但存在室外污染空气恶化室内空气品质的可能。当室外PM_2.5浓度较高时，开窗通风不仅无法改善室内空气品质，反而会进一步恶化室内空气环境。

采用移动式空气净化器是降低室内空气中PM_2.5浓度的另一种常用手段。移动式空气净化器的工作原理是将其放置于相对密闭的室内环境中，空气循环通过净化器，环境中的污染物浓度随空气循环次数增加而逐渐衰减。但移动式空气净化器需要在相对密闭的室内环境中工作，由此导致室内CO₂不断积累，使其不适合用于人员密度较大、需要空气流通的场合。

现有独立新风机主要利用过滤段净化新风，从而稀释室内PM_2.5浓度。室内潜热负荷由新风承担，而显热负荷由空调设备承担。但是，现有新风机仅考虑PM_2.5浓度，缺乏对CO₂浓度的监控，且风量大多恒定，运行模式单一，无法智能调节。

因此，本发明将自然通风、室内空气循环过滤和新风过滤结合起来，提出了一种PM_2.5和CO₂联控的智能新风机，并通过六种工作模式的切换最大限度地降低新风机能耗，节能效益显著。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种保证PM_2.5和CO₂浓度均满足规范要求，且在实现室内空气净化的同时，最大限度降低风机和空调运行能耗的PM_2.5和CO₂联控的智能新风机及新风处理方法。

技术方案：本发明的PM_2.5和CO₂联控的智能新风机，包括新风口、送风口、回风口、排风口、全热交换器、设置于全热交换器新风入口与新风口之间的第一风道、设置于全热交换器新风出口与送风口之间的第二风道、设置于全热交换器回风入口与回风口之间的第三风道、设置于全热交换器回风出口与排风口之间的第四风道；全热交换器上方设置有连通第一风道和第二风道的上部风道，全热交换器下方设置有连通第三风道和第四风道的下部风道。所述第一风道按照新风流向依次设置有电动风阀a、一级过滤器a、电动风阀b；所述第二风道中按照新风流向设置有电动风阀c、电动风阀f、二级过滤器、送风风机；所述第三风道中按照回风流向依次设置有一级过滤器b、电动风阀d；所述第四风道中按照回风流向依次设置有排风风机；所述第二风道和第三风道之间设置有中央隔板和安装在所述中央隔板上的电动风阀e。

进一步的，本发明智能新风机中，所述新风口设有检测PM_2.5浓度和室外温度的传感器，所述一级过滤器a紧邻电动风阀a设置，所述电动风阀b位于全热交换器上方风道入口，所述全热交换器连同箱体中央隔板将新风机箱体分隔成两部分。所述送风口设有检测PM_2.5浓度的传感器，所述电动风阀c和电动风阀f并排设置，且电动风阀c位于二级过滤器前侧。所述回风口设有检测室内CO₂浓度、温度和PM_2.5浓度的传感器，所述一级过滤器b紧邻回风口设置，所述电动风阀d位于全热交换器下方风道入口。

进一步的，本发明智能新风机中，所述一级过滤器a和一级过滤器b的外框均为镀锌铁框，滤料采用无纺布、尼龙网、活性碳滤材或金属孔网。

进一步的，本发明智能新风机中，所述二级过滤器为强电场介质模块。

本发明的一种PM_2.5和CO₂联控的新风处理方法，基于上述的PM_2.5和CO₂联控的智能新风机，根据室内外PM_2.5浓度传感器、温度传感器以及室内CO₂浓度传感器所检测的数据，分别采用以下六种工作模式：新风过滤模式一、新风过滤模式二、新风过滤模式三、内循环过滤模式、自然通风模式和待机模式；

其中，新风过滤模式一的工作流程为：电动风阀a开启，电动风阀f开启，电动风阀b关闭，电动风阀d关闭，新风依次经过新风口→电动风阀a→一级过滤器a→全热交换器→电动风阀f→送风风机，由送风口送入室内，回风依次经过回风口→一 级过滤器b→全热交换器→排风风机，由排风口排至室外；新风过滤模式二的工作流程为：电动风阀a开启，电动风阀c开启，电动风阀f关闭，电动风阀d关闭，新风依次经过新风口→电动风阀a→一级过滤器a→全热交换器→电动风阀c→二级过滤器→送风风机，由送风口送入室内，回风依次经过回风口→一级过滤器b→全热交换器→排风风机，由排风口排至室外；新风过滤模式三的工作流程为：电动风阀a开启，电动风阀b开启，电动风阀c开启，电动风阀f关闭，电动风阀d开启，新风依次经过新风口→电动风阀a一级过滤器a→电动风阀b→电动风阀c→二级过滤器→送风风机，由送风口送入室内，回风依次经过回风口→一级过滤器b→电动风阀d→排风风机，由排风口排至室外；内循环过滤模式的工作流程为：电动风阀e开启，电动风阀c开启，电动风阀f关闭，电动风阀a关闭，回风依次经过一级过滤器b→电动风阀e→电动风阀c→二级过滤器→送风风机，由送风口送入室内；自然通风模式的工作流程为：开窗引入新风，降低风机能耗；待机模式为在室内空气品质达标的条件下，新风机待机，不进行任何操作。

进一步的，本发明方法中，新风过滤模式一在如下情况时采用：非过渡季节，室外空气PM_2.5浓度达标时。

进一步的，本发明方法中，新风过滤模式二在如下情况时采用：非过渡季节，室外空气PM_2.5浓度超标时。

进一步的，本发明方法中，新风过滤模式三在如下情况时采用：过渡季节，室外空气PM_2.5浓度达标时。

进一步的，本发明方法中，内循环过滤模式在如下情况时采用：室内PM_2.5浓度超标而CO₂浓度未超标时。

进一步的，本发明方法中，自然通风模式在如下情况时采用：过渡季节，室外空气PM_2.5浓度达标时。

本发明中，所述全热交换器与上、下两个风道耦合在一起，根据电动风阀b和电动风阀d的启闭切换不同风道。具体执行为：当电动风阀b和电动风阀d开启时，新风和排风分别从上、下两个风道内流过，此时相当于对全热交换器旁通，反之，新风和排风进入中间全热交换器内进行热交换之后再分别进入各自风道。

电动风阀c和电动风阀f的启闭可对二级过滤器起到旁通作用。具体执行为：当电动风阀c开启而电动风阀f关闭时，新风经过二级过滤器进行深度过滤和净化后由送风风机送入室内，当电动风阀c关闭而电动风阀f开启时，新风绕开二级过滤器直 接经送风风机送入室内，此时风阻大大减小。

电动风阀e的开启可将智能新风机切换至内循环过滤模式。当电动风阀e开启时，回风经二级过滤器高效过滤后由送风口送入室内，由此可避免室外污染更为严重时，过滤新风而增加更多风机能耗，反之，室内回风经排风通道排至室外。

针对现有移动式空气净化器无法保证CO₂浓度满足规范要求、定风量新风机运行模式单一且能耗较大的主要问题，本发明综合考虑CO₂浓度和PM_2.5浓度，采用自然通风、室内空气循环过滤和新风过滤这三种室内空气净化方法相结合，设计了具有六种不同工作模式的新风机，在实现室内空气净化的同时，最大限度降低风机和空调的运行能耗。在非过渡季节，对排风进行热回收，使新风进入室内之前得到预冷/预热，从而降低空调系统能耗；在过渡季节，由于室外空气的热湿负荷较小，不需要考虑热回收来降低空调能耗，因此对新风机内全热交换器进行旁通，降低系统风阻，从而节约风机能耗；对新风进行过滤时，根据室内外空气品质，使新风有选择地通过二级过滤器，节约不必要的风机能耗；当室内CO₂浓度达标时，适时地开启内循环过滤模式。

有益效果：本发明与现有新风机(带全热回收)相比，具有以下优点：

1)现有定风量新风机仅考虑PM_2.5浓度对新风进行过滤，不仅运行模式单一，还存在不合时宜的恒定新风量所造成的不必要风机能耗损失。本设计提出的一种PM_2.5和CO₂联控的智能新风机，综合考虑PM_2.5和CO₂浓度，依据室内外温度、PM_2.5和CO₂浓度传感器检测的数据，智能开启六种不同工作模式，并依据将两者浓度在一定时间内降到限定值来选取新风量，有效避免现有新风机运行模式单一、能耗较大的弊端。

2)与现有新风机相比，增加了对全热交换器的旁通选择。通过全热交换器与上下两个风道的耦合，即可实现非过渡季节的全热回收，降低空调系统能耗，又可实现过渡季节旁通全热交换器，降低风阻，节约风机能耗。

3)与现有新风机相比，增加了对新风过滤程度的选择。根据室内外空气品质，利用电动风阀对二级过滤器的旁通可使新风有选择性的通过二级过滤器，降低风阻，进一步节约风机能耗。

4)根据南京地区2015年3月至2016年2月室外气象实测数据，以东南大学中山院某教室为例对本设计新风机进行效益分析。分析室外气象数据，可得本设计新风机全年在不同模式下的运行天数，如表1所示。

表1.新风机不同模式下运行天数

计算本设计新风机和传统新风机的能耗，结果如表2所示。

表2.本设计新风机与传统新风机全年能耗对比

由表2可知，本设计新风机依据室外气象条件，通过权衡室内外空气品质智能开启不同工作模式，与传统新风机相比，采用本设计新风机后全年可节约能耗277.04kW·h，占传统新风机总能耗的21.6％。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明新风机主体A结构示意图。

图3为全热交换器结构示意图。

图4为一级过滤器结构示意图。

图5为二级过滤器结构示意图。

图中有：A-新风机；B-控制面板；1-新风口；2-电动风阀a；3-一级过滤器a；4-电动风阀b；5-全热交换器；6-电动风阀c；7-二级过滤器；8-送风风机；9-送风口；10-回风口；11-一级过滤器b；12——电动风阀d；13-排风风机；14-排风口；15-电动风阀e；16——电动风阀f；17-PM_2.5浓度传感器a；18-温度传感器a；19-PM_2.5浓度传感器b；20-温度传感器b；21-CO₂浓度传感器；22-PM_2.5浓度传感器c。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

本实施例的整体结构示意图如图1所示，包括新风机A和控制面板B。PM_2.5浓 度传感器a17、PM_2.5浓度传感器b19、PM_2.5浓度传感器c22，温度传感器a18、温度传感器b20和检测CO₂浓度的传感器21按图1所示位置，布置于新风口1、送风口9和回风口10。其中，新风机主体结构示意图如图2所示。

所述新风机A包括新风口1、送风口9、回风口10、排风口14、全热交换器5、设置于全热交换器5新风入口与新风口1之间的第一风道、设置于全热交换器5新风出口与送风口9之间的第二风道、设置于全热交换器5回风入口与回风口10之间的第三风道、设置于全热交换器5回风出口与排风口14之间的第四风道；所述第一风道按照新风流向依次设置有电动风阀a2、一级过滤器a3、电动风阀b4；所述第二风道中按照新风流向设置有电动风阀c6、电动风阀f16、二级过滤器7、送风风机8；所述第三风道中按照回风流向依次设置有一级过滤器b11、电动风阀d12；所述第四风道中按照回风流向依次设置有排风风机13；所述第二风道和第三风道之间设置有中央隔板和安装在所述中央隔板上的电动风阀e15。

所述新风口1设有PM_2.5浓度a17和温度传感器a18，所述一级过滤器a3紧邻电动风阀a2设置，所述电动风阀b4位于全热交换器5上方风道入口，所述全热交换器5连同箱体中央隔板将新风机箱体分隔成两部分。

所述送风口9设有PM_2.5浓度传感器c22，所述电动风阀c6和电动风阀f16并排设置，且位于二级过滤器7前侧。

所述回风口10设有室内CO₂浓度传感器21、温度传感器b20和PM_2.519浓度的传感器b，所述一级过滤器b11紧邻回风口10设置，所述电动风阀d12位于全热交换器5下方风道入口。

其中全热交换器5与上、下两个风道耦合在一起，具体结构如图3所示，根据电动风阀b4和电动风阀d12的启闭切换不同的风道。具体执行为：当电动风阀b4和电动风阀d12开启时，新风和排风分别从上、下两个风道内流过，此时相当于对全热交换器5旁通，反之，新风和排风进入中间全热交换器5内进行热交换之后再分别进入各自风道。

一级过滤器a3，一级过滤器b11主要用于过滤新风和回风中的大颗粒物，对直径2.5μm以上的颗粒物去除率大于80％，具体结构如图4所示。所述一级过滤器a3，一级过滤器b11外框均为镀锌铁框，滤料可采用无纺布、尼龙网、活性碳滤材或金属孔网。

二级过滤器7为强电场介质模块，对直径0.3μm的颗粒物去除率达到99.9％，具 体结构如图5所示，其不仅具有高效过滤PM_2.5能力，又具有超低风阻损失的优点。电动风阀c6和电动风阀f16的启闭可对二级过滤器7起到旁通作用。具体执行为：当电动风阀c6开启而电动风阀f16关闭时，新风经过二级过滤器7进行深度过滤和净化后由送风风机8送入室内，当电动风阀c6关闭而电动风阀f16开启时，新风绕开二级过滤器7直接经送风风机机8送入室内，由此风阻大大减小。

下面，结合附图详细介绍本发明的工作原理。

1.当室内PM_2.5浓度及CO₂浓度均达标时，新风机不进行任何操作，通过控制面板B显示传感器检测的数据，包括室内空气的温度、PM_2.5浓度及CO₂浓度和室外空气的温度、PM_2.5浓度。

2.当室内PM_2.5浓度达标而CO₂浓度超标时，需要引入新风以稀释室内CO₂浓度。依据PM_2.5浓度传感器a17所监测的室外空气PM_2.5浓度以及温度传感器a18、温度传感器b20所检测的室内外温度进行具体分析：

(1)当室外空气PM_2.5浓度达标且室内外温差小于5℃时，新风机停止工作，控制面板B提示开窗通风，通过自然通风形式稀释室内CO₂浓度；

(2)当室外空气PM_2.5浓度达标而室内外温差大于5℃时，开启新风过滤模式一，工作流程为：电动风阀a2开启，电动风阀f16开启，电动风阀b4关闭，电动风阀d12关闭，新风依次经过新风口1→电动风阀a2→一级过滤器a3→全热交换器5→电动风阀f16→送风风机8，由送风口9送入室内，回风依次经过回风口10→一级过滤器b11→全热交换器5→排风风机13，由排风口14排至室外；

(3)当室外空气PM_2.5浓度超标且室内外温差大于5℃时，开启新风过滤模式二，工作流程为：电动风阀a2开启，电动风阀c6开启，电动风阀f16关闭，电动风阀d12关闭，新风依次经过新风口1→电动风阀a2→一级过滤器a3→全热交换器5→电动风阀c6→二级过滤器7→送风风机8，由送风口9送入室内，回风依次经过回风口10→一级过滤器b11→全热交换器5→排风风机13，由排风口14排至室外；

(4)当室外空气PM_2.5浓度超标而室内外温差小于5℃时，开启新风过滤模式三，工作流程为：电动风阀a2开启，电动风阀b4开启，电动风阀c6开启，电动风阀f16关闭，电动风阀d12开启，新风依次经过新风口1→电动风阀a2一级过滤器a3→电动风阀b4→电动风阀c6→二级过滤器7→送风风机8，由送风口9送入室内，回风依次经过回风口10→一级过滤器b11→电动风阀d12→排风风机13，由排风口14排至室外；

3.当室内PM_2.5浓度超标而CO₂浓度未超标时，根据室内、外PM_2.5的浓度比较来选择开启内循环过滤模式或新风过滤模式。若室内PM_2.5浓度大于室外则开启新风过滤模式，具体根据室外PM_2.5浓度是否超标以及室内外温差是否大于5℃选择开启新风过滤模式一、新风过滤模式二或新风过滤模式三，否则开启内循环模式，内循环过滤模式的工作流程为：电动风阀e15开启，电动风阀c6开启，电动风阀f16关闭，电动风阀a2关闭，回风依次经过一级过滤器b11→电动风阀e15→电动风阀c6→二级过滤器7→送风风机8，由送风口9送入室内；

4.当室内PM_2.5浓度和CO₂浓度均超标时，依据PM_2.5浓度传感器a17所检测的室外空气PM_2.5浓度以及温度传感器a18、温度传感器b20所检测的室内外温差，与第二种情况进行相同的比较分析。

本发明实施例中，依据中国环境保护部《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中日均PM_2.5浓度准则值75μg/m3和年均PM_2.5浓度准则值35μg/m3，将室内PM_2.5浓度控制值定为35μg/m3；依据《室内空气质量标准》(GB/T18883-2002)中CO₂浓度的标准值，将CO₂浓度限值定为1000ppm。

过渡季节在暖通领域通常指非空调使用季节，在本实施例中以室内外温差为5℃作为判断标准。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。