一种智能家用自动通风换气系统的设计

孙 辉 叶智林 刘鸿森 潘愉锴 王佳滢

（河北大学 质量技术监督学院，保定 071002）

我国第七次人口普查结果显示，我国人口向城市群的进一步发展日益明显，城市出现了越来越多的高层民用住宅建筑。高层住宅对居住环境的通风换气要求较为严格，目前我国民用住宅主要使用新风系统和门窗两种方式进行通风换气。新风系统通风换气效果较好，但前期安装成本较高，后期使用和维护成本也相对较高，长期开启会耗费大量资源。采用门窗进行通风换气会带来噪声污染，影响室内舒适性。同时，室外的灰尘、雾霾等也会进入室内，对室内空气质量造成很大影响，而且在冬季时会导致室内热量损失较大，影响室内温度。另外，进入21世纪后，能源紧缺和环境污染问题日益严峻，人类活动使全球变暖的问题也日益显著[1-3]。针对这些问题，本文设计了一种智能家用自动通风换气系统。该系统含有自然风驱动进风、排风与热交换装置，能够通过利用自然风驱动完成引气、排气和热交换，实现室内的通风换气。该系统不仅能够有效减少能源消耗，而且具有室内外空气的监测功能，操作更加简单方便，使其更加智能化和人性化。

1 系统工作原理及设计

智能家用自动通风换气系统主要由引风、热交换、排风及空气质量检测等部分组成。该系统的整体设计图如图1所示。

图1 系统整体设计图

系统工作时，室外空气在引风扇作用下进入通风换气系统，在热交换管道内与排出的室内空气进行对流热交换，从而降低室外空气对室内温度的影响。室内空气完成与室外引入空气的热交换后，在排风扇作用下排出室外。当外界风力不足，自然风无法驱动主轴扇叶时，可以通过电机驱动主轴扇叶转动，以保证足量室外空气进入通风换气系统，使系统能够不间断地完成通风换气。

1.1 引风和排风装置设计

通风换气系统的进风口为圆柱形，自然风可带动主轴风扇转动，从而使下方同轴的引风扇随之转动，在引风扇的作用下室外空气进入系统管道，与室内空气完成热交换，以大大降低引风能耗。同时，系统加入了智能风机模块，当检测到自然风力不足时，系统开启主轴风扇电机，通过电机驱动扇叶，以提高通风换气效率。

通风换气系统排风时主要通过主轴风扇带动上方同轴的排风扇转动，使室内空气沿管道上升，排出室外。引风和排风装置如图2所示。

图2 引风和排风装置示意图

1.2 颗粒物浓度检测控制装置设计

通风换气系统能够通过外加PM2.5红外传感器电路比较内外空气颗粒物浓度。当外界空气比室内空气污浊时，控制风阀关闭通风换气装置；反之，控制风阀开启通风换气装置。系统设计时，选择两块PM2.5传感器A和B，A放置于室外，B放置于室内。当空气较污浊时，传感器输出高电位记为“1”，否则输出低电位记为“0”，系统输出值记为Y，其状态表如表1所示。表达式为：

表1 颗粒物浓度检测控制状态表

式中：当Y=1时，系统控制通风换气装置开启；当Y=0时，系统控制通风换气装置关闭。

1.3 仿真分析

为进一步完善和细化设计，通过查阅相关装置标准并参考保定市面上单体新风系统的相关参数，用MATLAB计算出系统的设计参数。现以保定市作为计算实例，给出系统设计参数分别如表2～表6所示。

表2 引风装置设计参数表

表3 板翅式换热器设计参数表

表4 太阳能储能装置设计参数表

表5 送风装置设计参数表

表6 排风装置设计参数表

对引风和排风装置的主要受力部件（主轴风扇）进行应力分析如图3所示。通过添加80 Pa的压强，模拟主轴风扇处于5级风吹过的环境时所发生的变形状态。此时主轴扇叶转动，并与连接轴之间产生扭转变形，但变形量很小，变形状态并不明显，如图3（a）所示。对主轴风扇进行静应力分析，在5级风载的条件下，根据云图显示，最小应力产生于扇叶外边缘处，最大应力产生于轴与扇叶连接处，如图3（b）所示。轴与扇叶连接处承受扭力，最大应力小于扇叶材料的许用应力，主轴风扇可以正常工作。

图3 主轴扇叶受力分析图

为衡量产品通风换气的效率，使用MATLAB软件建立灰色预测模型[5]，以预测产品在110 m2的住宅中通风换气一次所需要的时间。按照《公共场所卫生检验方法 第1部分：物理因素》（GB/T 18204.1—2013）有关要求对本产品进行评分，如表7所示。

表7 产品评分表

根据表7中的数据可得初始序列为：

式中：r(0)为初始数列，即对通风换气模型完全换气4次所得到的测量值。

通过r(0)进行一次累加得到新的数据数列，累加生成序列为：

由此，可构造数据矩阵：

令：

式中：T表示转置。

再令：

则：

时间响应方程为：

图4 计算所得拟合值

对该计算结果进行精度检验，结果如表8所示。

表8 计算结果精度检验表

由表8可知，该灰色预测模型的计算精度非常高。因此，本通风换气系统具有良好的通风换气效果。

2 系统特点

该智能家用自动通风换气系统与传统换气方式相比，突破了原有换气方式在效率和能源消耗等方面的不足，系统的实用性显著提高，且更为智能高效，其主要特点有：

（1）采用智能化控制，可监测空气温度和质量，实现智能通风换气；

（2）增加了热交换模块，利用热交换技术能够降低室外空气对室内温度的影响；

（3）利用自然风驱动风扇进行引风与排风，大大降低了能耗。

3 结语

针对目前常见室内通风换气方式存在的问题，设计了智能家用自动通风换气系统。一方面该系统可以通过PM2.5等传感器监测室外空气的质量，及时过滤有害气体，向室内提供新鲜空气，从而降低室内各种有害物的浓度，保证室内空气的清新；另一方面，通过温度传感器判断室内外温差，并利用热交换技术，能够在进行换气的同时进行热量的交换，以维持舒适的室温，提供健康、舒适的生活环境，提高家庭生活品质。另外，本系统具有能耗低、效率高、无污染、智能化等优点，体现了碳中和的理念，具有广阔的应用前景。