《ENERGY AND BUILDINGS》：Ventilation performance of standalone ERV retrofit strategies for existing buildings under VRP and IAQP design approaches
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•在VRP和IAQP标准下，对三种独立式ERV配置进行了数值模拟分析。•基于IAQP标准的ERV改造措施可将呼吸区内的二氧化碳浓度从1257 ppm降低到800 ppm以下。•在所有改造案例中，由空调驱动的混合通风方式仍占据主导地位。•作为一种可灵活调整的通风策略，独立式ERV有
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在VRP和IAQP标准下，对三种独立式ERV配置进行了数值模拟分析。
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基于IAQP标准的ERV改造措施可将呼吸区内的二氧化碳浓度从1257 ppm降低到800 ppm以下。
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在所有改造案例中，由空调驱动的混合通风方式仍占据主导地位。
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作为一种可灵活调整的通风策略，独立式ERV有助于提升污染物稀释效果。
引言
随着现代建筑为提升能效而采用更密闭的结构设计，室内空气污染问题日益严重[1]。新冠疫情进一步凸显了通风不良的室内空间所带来的风险，这使得人们更加关注密集场所中的空气传播问题，也加快了提升现有建筑通风性能的步伐[2]。因此，维持良好的室内空气质量变得愈发困难，尤其是在人口密集的区域，污染物浓度可能迅速上升，而不足的空气交换则会增加人们接触污染物的风险。为此，建筑们越来越多地依赖机械通风系统来引入室外空气并稀释室内污染物。然而，在炎热潮湿的气候条件下，对室外空气进行调节和控制会带来巨大的能源消耗，因为这类气候下的室外空气需要经过持续的热处理和湿度调节[3]。在这种情况下，无需对现有空调系统进行大规模改造即可实施的灵活通风策略，成为改善建筑内空气质量的有效手段。能量回收通风机（ERV）改造就是其中一种方法，它通过从排风中回收热量和水分，降低了与室外空气通风相关的能耗[4]。根据ASHRAE标准62.1，室外空气通风需求通常通过规定的通风率计算方法（VRP）或基于性能的室内空气质量评估方法（IAQP）来确定[5]。不过，室外空气通风的效果还取决于供气在呼吸区域内的分布情况[6]。
室内空气的分布主要取决于送风口的设置位置及其气流特性，通常可分为混合通风和分层通风两种类型[5]。在现有建筑中，混合通风仍是最常见的形式，因为它具有成熟的的设计和安装方案，通过顶部的送风装置能够实现快速混合，从而使室内环境相对均匀[7]。相比之下，其他空气分配方式往往需要更为复杂的送风设计，增加了安装难度，从而限制了其应用范围。尽管送风口设计和室内空气分布对气流行为有着重要影响，但相比空调系统中的其他组件，如冷水机组、空气处理设备甚至风管系统，它们往往受到较少的重视[8]。先前的研究已经表明，送风口的几何形状和出风特性会显著影响呼吸区域内的气流分布[4]。在ASHRAE研究项目RP-1546中，刘某[9]指出了针对旧式高负荷建筑所制定的扩散器选择指南的局限性，并证明过时的室内空气分布设计在现代室内环境下会导致较差的通风效果。
多项研究表明，有效的通风措施能够在保持良好室内空气质量的同时，大幅降低空气中有害物质的传播速度[10]、[11]。污染物清除能力是衡量通风效果的重要指标，因为它反映了室外空气在稀释和去除呼吸区域污染物方面的效率[12]。二氧化碳是常用的通风指标，其浓度通常以百万分比表示，在通风不足的情况下，该浓度会随着室内人员活动产生的排放物而上升[13]。由于室内人员持续产生二氧化碳，其浓度通常高于室外水平，不过室外空气中也含有背景二氧化碳浓度。杜根和达米亚诺[14]认为，在最低活动强度下，若二氧化碳生成率为0.005升/秒，而每人所需的室外通风量为7.5升/秒，那么室内二氧化碳浓度将会上升约700 ppm，这一数值通常被视为适宜的通风标准。如果室外二氧化碳浓度约为300 ppm，那么室内浓度则可能接近1000 ppm，这一数值被许多国家作为评估室内空气质量的标准，包括马来西亚的MS1525标准[15]。虽然ASHRAE标准62.1并未规定统一的室内二氧化碳浓度限值，但室内外二氧化碳浓度差仍被视为衡量通风效果的实用指标。
当为维持良好室内空气质量而需要更高的室外通风量时，ERV系统所带来的节能优势就显得尤为重要，因为这样的条件会带来较高的风机和制冷能耗[16]。多项研究显示，无论在何种气候条件或何种类型的建筑中，采用ERV系统都能实现显著的节能效果。张某和牛某[17]指出，在炎热潮湿的气候条件下，ERV系统通过回收显热和潜热，可使室外空调系统的能耗降低约58%；而麦克诺顿等人[18]则预测，在办公建筑中，将室外通风量提高一倍时，ERV系统可减少约60%的额外能耗。范某等人[19]进一步发现，在日本的一栋办公建筑中，将ERV系统与二氧化碳需求控制通风系统结合使用，可降低20–30%的制冷能耗，同时减少60–70%的通风负荷。在被动式住宅和托儿机构中，也观察到了类似的节能效果[20]、[21]，在这些场所中，ERV系统能够在降低通风相关能耗的同时，维持良好的室内环境。ERV设备可以以集成式、单元式或独立式等形式安装[22]。在现有建筑的改造项目中，独立式ERV系统是一种实用且灵活的解决方案，因为它可以通过专门的通风通道引入室外空气，而无需对原有的空调系统进行大规模改动。
鉴于现有建筑提升通风性能的迫切需求，有必要开发能够在原有空调系统和建筑结构限制条件下运行的独立式ERV改造方案。在这样的应用场景中，送风口的布置方式会显著影响呼吸区域内的气流分布和污染物扩散情况。因此，人们通常以污染物清除效率作为评估通风效果的标准，而室内二氧化碳浓度则是这一标准的核心指标。不过，尽管ERV系统具有明显的节能优势，但目前尚不清楚，仅通过增加室外通风量，是否就能在考虑到现有室内气流分布和系统限制的情况下，实现有效的污染物稀释效果。在人员密集的场所，这一问题尤为突出，因为室外空气在呼吸区域内的分布方式会直接影响通风效果。为了研究这些相互作用，本研究采用了基于计算流体动力学方法的数值模拟技术，对一台装有机械通风设备的教室中的独立式ERV配置进行了分析，因为在实际安装条件下，准确预测气流行为对于理解各种气流相互作用至关重要[23]。研究共分析了三种不同的改造方案，分别基于VRP和IAQP两种通风标准进行评估。基准方案对应的是在实际的高密度使用教室中采用的传统VRP通风设计，而基于IAQP标准的方案则是为满足更高的室外通风需求而设计的替代性通风方案。通过分析改造后的通风系统与原有空调系统之间的气流相互作用，本研究不仅考虑了通风量这一因素，还重点研究了在实际改造条件下的呼吸区域内污染物稀释效果。
章节要点
教室结构与环境条件
本研究中所分析的教室本身并不具备室外空气通风功能，因此必须通过独立的通风通道来引入新鲜空气。为在不改动原有空调系统的情况下实现这一功能，该教室配备了一台独立式的ERV设备。如图1所示，这种设计在同一个空间内形成了两个独立的气流系统。ERV设备通过专用的通风通道来控制室外空气的交换。
网格独立性验证
为评估案例1的数值结果对空间分辨率的敏感度，研究人员对其进行了网格独立性测试。此次测试采用了非均匀网格结构，在流动边界附近进行了局部细化处理，全局网格尺寸为0.10米，墙面网格尺寸为0.05米。这种网格划分方法曾在[24]中通过一系列四面体网格（TM1–TM4）得到验证，相关结果见表6，该表显示了网格收敛性已达到要求。在本研究中，所选的四面体网格（TM3）被转换成了另一种格式。
流速分布情况
图9中x=3.08米处的流速等值线展示了改造后的ERV气流与原有空调系统气流模式的相互作用情况，呼吸区的上界则位于z=1.8米处。由于改造过程中并未改动原有的空调送风和回风结构，因此天花板安装的空调送风装置依然主导着整个教室的气流分布。在案例1中，安装在天花板上的ERV风管与天花板上的其他送风装置相互配合，共同影响着教室内的气流分布。
结论
本研究分析了在VRP和IAQP两种室外通风标准下，机械通风教室中独立式ERV改造方案的通风性能。研究重点探讨了在涉及天花板风管以及不同送风方式的实际安装条件下，改造后的通风气流与原有空调系统气流之间的相互作用。在所研究的较高室外通风量场景下，
作者贡献说明
Yat Huang Yau：负责文本撰写与修改、项目监督、项目管理、方法设计、资金筹集以及研究构思工作。Mohd Azhari Mohd Rodzi：负责初稿撰写、结果验证、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析以及研究构思工作。Nik Nazri Nik Ghazali：负责文本撰写与修改、项目监督、方法设计以及实验研究工作。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
作者衷心感谢Daikin奖学金项目对项目PV018-2016的资助。同时，也感谢马来亚大学通过RMF基金及RMF0500-2021激励基金所提供的部分资金支持。
人工智能辅助工具的使用情况
在撰写本论文的过程中，作者使用了ChatGPT和Gemini工具来提升英文表达质量。所有内容最终均由作者亲自审阅和修改，他们对最终稿的内容负全责。
Yat Huang Yau|Mohd Azhari Mohd Rodzi|Nik Nazri Nik Ghazali
