低能耗空气净化器在被动式房屋设计中的应用 ——空气质量与能源效率的融合
曹春丽 周希颖 许秋妍
英国健康空气科技有限公司；
广东省深维智净科技有限公司；
广东省深维智净科技有限公司
摘要：本文探讨了一种创新低能耗空气净化器在被动式低能耗建筑中的作用，重点分析其作为室内空气质量（IAQ）系统和为建筑节能的双重功能。传统空气净化标准虽侧重污染物去除，却忽视能耗及建筑热环境影响，而这两者恰是被动式房屋设计中的核心考量。以英国健康空气科技有限公司（Healthy Air Technology Ltd.） HA500 和 HA800 型号为案例，本文评估了催化净化效率、计算流体动力学（CFD）气流优化及热分层消除效果。临床、住宅及商业部署的实地数据表明：污染物去除率超过 90% ,室内温度均匀性提升 1-2 ℃，节能效果达 14% 。本文提出了一种全新的评估框架，综合考量单位能耗净化效能、热混效应及自适应控制性能。研究结果表明，经合理设计的空气净化器应作为多功能系统融入建筑早期设计阶段，同时实现健康保障与能效提升目标。
关键词：被动式房屋；低能耗空气净化器；室内空气质量（IAQ）；能效；计算流体动力学（CFD）；热分层消除；催化过滤；智能建筑；暖通空调优化；建筑性能评估
1.引言
被动式房屋（Passivhaus）标准起源于 20 世纪 90 年代的德国，现已成为全球公认的超低能耗建筑基准。该标准对能耗设定了精确限制：供暖或制冷每年不得超过 15 千瓦时/平方米，总一次能源需求（含家电）每年低于 120 千瓦时/平方米。通过高性能保温层、气密性建筑围护结构、三层玻璃窗以及热回收功能的机械通风系统（MVHR）的协同作用，这些严苛标准得以实现。相较于同等规模的传统建筑，被动式建筑的供暖能耗通常可降低 90% 。
然而，这种气密建筑的潜在弊端在于室内污染物可能积聚，尤其在少开窗的季节更为显著。尽管热回收系统能控制二氧化碳浓度并调节湿度，但通常不具备过滤细颗粒物（PM2.5）、挥发性有机化合物（VOCs）或空气中微生物的能力，这些污染源可能来自家具、清洁产品或人类活动等室内环境。
在这种环境中，空气净化器的使用成为重要补充。然而许多传统的净化系统，尤其是那些依赖紫外线 UV-C 、等离子或高风速的设备往往存在一个矛盾，即耗电量大、释放臭氧或随时间推移性能衰退，这些特性在被动式房屋这类能源受限的环境中适得其反。
为解决此问题，近期研究聚焦于低能耗、高效率的净化技术上，这类技术可在不突破被动式房屋能耗限制的前提下持续运行。英国健康空气科技有限公司（Healthy Air Technology Ltd.）研发的D-轨道纳米氧化物（DNO）催化剂便是此类创新成果，该技术能够在常温下实现污染物的化学分解且不产生二次副产物。经独立认证，该技术集成于先进空气净化系统后，可清除99.9%以上的空气中病毒、细菌及挥发性有机化合物（VOCs），能耗仅相当于家用灯泡。
此外，这些系统还能通过改善室内环境热混合实现附加节能效益。基于计算流体动力学（CFD）原理设计的空气净化器可促进温度更均匀分布，减少对局部供暖或制冷设备的依赖。智能家居试点研究的初步数据显示，此类设计可将室内温差降低1-2℃，某些情况下节能效果高达14%。
本文旨在：
（1）评估现有净化技术在被动式房屋中的能效适用性；
（2）分析低能耗创新方案，重点关注基于 DNO 的催化系统与气流优化技术；
（3）针对被动式房屋运行环境，提出定制化空气净化器能效评估框架。
2.技术现状综述
空气净化市场提供多种技术方案，旨在清除颗粒物、挥发性有机化合物（VOCs）及生物污染物。然而，多数系统在评估与优化时未考虑被动式或低能耗建筑的特殊约束条件。此类建筑中，任何辅助设备必须在严格的能耗限制下运行，同时确保长期稳定性，并与建筑通风及热力学特性保持兼容。
2.1传统过滤与消毒技术
高效微粒空气（HEPA）过滤器在住宅及公共场所广泛应用，可去除≥ 0.3 微米空气颗粒物的 99.97% 。但 HEPA 系统通常需要高压降气流和持续风机运行，能耗可能超过100W，对被动式建筑构成显著负荷。
活性炭过滤器用于吸附气体污染物，特别是挥发性有机化合物（VOCs）。虽然能有效控制短期异味，但其性能随时间推移往往会下降，尤其在湿度变化条件下。需要频繁更换，从而增加运营成本和环境足迹。
紫外线 UV-C 波段辐射系统与光催化氧化（PCO）技术常用于微生物及化学降解处理。这些系统能灭活生物污染物并分解VOCs，但往往需要高强度紫外线或基于 TiO2 的光催化剂，且仅在特定条件下才能高效运行。值得注意的是，部分配置可能产生臭氧和甲醛等二次污染物。
2.2传统系统的能耗与控制局限
尽管这些技术能有效去除污染物，但普遍难以满足被动式房屋环境的低能耗要求。多数系统按实验室条件设计，如 AHAM 或 GB/T 18801 标准规定都未考虑以下因素：
（1）实际环境中的气流死角或分层空间；
（2）与低能耗或自然通风系统的集成；
（3）基于室内空气质量波动的自适应运行。
此外，缺乏智能气流设计的风机驱动设备往往存在两种极端：
（1）过度混合空气，造成不必要的湍流和能源浪费；
（2）混合不足，导致空间覆盖不佳。
2.3新型多功能系统
上述局限性表明，亟需开发新型空气净化系统，同步解决室内空气质量与建筑能耗问题。此类系统必须：
（1）在低能耗条件下高效运行；
（2）实现对颗粒物、挥发性有机物及微生物的高效净化；
（3）最大限度减少或消除二次排放；
（4）整合空气动力学控制以增强气流均匀性并消除热分层。
3.空气净化器的低能耗创新（案例：英国健康空气科技有限公司）
随着被动式房屋和低能耗建筑对超高能效技术的需求日益增长，其既要保障室内空气质量，又需维持热舒适性。传统空气净化系统因能耗过高且未能与室内空气动力学协同，往往难以满足需求。为填补这一空白，英国健康空气科技有限公司开发了 HA500 和 HA800 等系列空气净化器，融合先进催化过滤技术与基于计算流体动力学（CFD）的气流工程设计。这些设备不仅能在低能耗条件下净化空气，更能主动增强热混合效果，全面提升建筑能效。
3.1催化与过滤架构
HA500 与 HA800 均采用多级净化设计，融合以下几种优点：
（1）采用非金属 D 轨道纳米氧化物（DNO）材料的催化氧化技术，可在室温下分解挥发性有机化合物（VOCs）和微生物污染物，且不产生臭氧等二次排放物；
（2）HEPA 级颗粒物过滤器，高效捕获 PM2.5 与 PM10 微粒；
（3）DNO滤网消毒，实现持续生物净化，规避高能紫外线系统相关风险。
该架构可在安全低温运行状态下，对各类室内污染物实现强效净化，如图 1。
图 1 HATL空气净化器多级净化设计
3.2基于计算流体动力学（CFD）的气流优化
该系统最显著的创新之一是基于 CFD 模拟的流控策略，专为被动式房屋环境定制：
（1）定向气流设计消除滞留区域，提升空间空气混合效率；
（2）湍流设计确保空气流动可预测且安静，即使在较低风扇转速下亦然；
（3）垂直气流协同破除温度分层现象，在易形成温度分层的空间（如挑高房间、辐射供暖系统）实现均匀热量分布。
实际上，净化器作为空气质量和微气候调节器，能够更均匀地重新分配加热或冷却后的空气，而无需中央暖通空调系统的机械干预。
3.3能源性能与运行指标
表 1 HA500 与 HA800 性能对比
这些数据凸显了其在显著降低能耗的同时提供高洁净空气输送率的能力，使其适用于被动式建筑严格的能源限制条件下的连续运行。
3.4对建筑热能效率的贡献
除空气净化外，该设备在热能支持方面发挥着功能性作用：
（1）通过降低垂直温度梯度，减轻局部供暖或制冷源的负荷；
（2）现场测试（见第五节）表明室内温度均匀性可提升 1-2 ℃，在零碳住宅应用中可使暖通空调系统节能高达 14% ；
（3）其持续低能耗的混合功能有助于分散人体、照明或被动太阳能增益产生的潜热，进一步降低机械负荷波动。
综上所述，健康空气技术将空气净化器重新定义为兼具空气质量保障与动态热能支持的双效环境控制系统，与被动式及低能耗建筑的性能理念完美契合。
4.能源效率评估框架提案
尽管洁净空气输送率（CADR）仍是评估空气净化器效能的行业标准，但在被动式建筑领域，该指标因无法兼顾能效与热环境整合而显不足。为确保空气净化器能积极提升建筑整体性能（而非成为孤立的电力负荷），亟需建立扩展的多维度评估框架。
本节提出兼顾室内空气质量（IAQ）与节能建筑设计的双重需求框架，整合污染物去除率与热效率支持度两大评估指标。
4.1被动式房屋导向框架的建立动因
现行测试协议（如 AHAM AC-1、GB/T 18801）侧重于实验室环境下的评估，且测试条件固定且往往脱离实际：
（1）标准化颗粒物浓度；
（2）稳定气流且无空间几何交互；
（3）未考虑热负荷或人员活动变异性。
此类方法忽视了被动式建筑中重要的实际动态特性：
（1）机械通风量极低导致空气循环呈分层状态；
（2）供暖/制冷负荷降低且高度依赖空间分布；
（3）辅助设备的能耗必须最小化并合理化；
下述评估框架正是针对这些挑战而设计。
4.2核心评价维度
4.2.1单位能耗污染物去除效率
（1）CADR/W（每瓦特每小时立方米）：衡量能量标准化空气净化率；
（2）每千瓦时VOC与生物污染物净化效能：实现化学与微生物威胁的跨类别对比；
（3）每能源周期滤网寿命：考量长期运行影响。
4.2.2热交互性能
（1）温度分层减少量（ΔT）：垂直温度梯度变化量；
（2）有效混合指数（EMI）：基于 CFD 模拟或多传感器现场数据量化均匀性；
（3）热平衡时间：指示净化器运行如何加速加热或冷却负荷下的房间稳定性。
4.2.3运行智能与适应性
（1）传感器响应性：能够根据 PM2.5、二氧化碳（CO2）、挥发性有机化合物（VOCs）或湿度水平调节性能；
（2）控制集成：兼容楼宇管理系统（BMS）或智能家居中枢；
（3）季节运行模式：具备根据冬季与夏季需求调整气流模式的能力。
4.2.4生命周期与环境影响
（1）典型工作周期下的年能耗（kWh/年）；
（2）滤网处置负担：耗材的重量与更换频率；
（3）噪音与舒适度指标：运行时有人区域的分贝水平。
4.3迈向认证与基准化
建议将此多维框架发展为被动式及低能耗建筑用空气净化器的标准化标识体系。如被动式房屋空气净化器能效标签可整合三大维度：
（1）室内空气质量表现（CADR值、VOC去除率、菌落计数）；
（2）能耗指标（CADR/W，年耗电量kWh）；
（3）热贡献（温差降低值、EMI）。
该标签可纳入被动式房屋规划套件（PHPP）扩展模块，或被 LEED 、 WELL 、 BREEAM 等可持续建筑认证体系采用。
5.验证与案例研究
为评估低能耗空气净化器在被动式或能源受限建筑中的实际可行性，现场验证必须超越实验室测试。本节呈现来自住宅、临床及商业环境的案例研究，重点关注两大性能维度：
（1）室内空气质量（IAQ）改善
（2）通过气流整合实现热舒适性与节能效益
这些场所的人员密度、围护结构气密性及机械系统设计各不相同，为健康空气科技有限公司 HA500 和 HA800 系统提供了可靠的测试平台。
5.1研究方法与背景
各测试点均持续或半持续运行 HA500/HA800 系统，时长从数小时至数周不等。监测指标包括：
（1）空气颗粒物浓度（PM2.5、PM10）；
（2）挥发性有机物水平（TVOCs、甲醛）；
（3）空气微生物负荷（菌落形成单位计数）；
（4）温度剖面（分层与均匀性）；
（5）能耗或暖通空调负荷观测（条件允许时）。
5.2室内空气质量性能
5.2.1MTIF 临床研究（英国，2024年）
在综合医疗诊所中， HA500 部署于封闭诊室及相邻走廊：
（1）封闭诊室空气中细菌（菌落形成单位）减少 68%；
（2）走廊区域（空气交换与人员流动更不稳定）减少 36%；
（3）经独立实验室检测确认零臭氧（O3）及氮氧化物（NOx）排放。
（来源： MTIF 健康空气测试报告 2024 ）
5.2.2CETEC 商业办公空间研究
在小型商业办公空间进行的六小时测试中：
（1）PM2.5 浓度由 1.51 μg/m3 降至 0.34 μg/m3；
（2）TVOCs 浓度由 232 μg/m3 降至 95 μg/m3；
（3）空气保持均匀洁净，无高流量湍流循环。
（来源： CETEC 案例研究）
这些发现表明， HA500 在能耗远低于传统系统的情况下，仍能保持卓越的空气质量性能。
5.3热舒适与能耗影响
5.3.1智慧零碳住宅项目（中国西安）
在此遵循被动式标准设计的净零能耗住宅中：
（1）采用 HA500 与 HA800 系统后，地板与天花板间温差缩小至 1-2 ℃；
（2）建筑能耗模型结果表明，暖通空调能耗降低 14.28% ，归因于局部供暖需求减少及热平衡加速；
（3）住户反馈在季节转换期间舒适度提升且空气清新感增强。
(来源： Smart 0 案例研究)
5.3.2里尔医院与东米德兰兹办公楼
在高人流量的临床及工程办公环境中：
（1）通过战略性布置 HA800 设备，在大型开放区域维持了稳定的室内空气质量；
（2）CFD模拟验证了气流路径设计，有效减少冬季冷空气分层现象；
（3）东米德兰兹办公室虽出现部分新冠病例但未记录交叉感染事件，侧面印证空气净化效果与气流分区的优化成效。
5.4现场验证总结
在多样化场景中，空气净化器始终展现出优异的性能（表 2）
表 2 空气净化器在多样化场景的各种性能指标
| 性能指标 |
观测结果 |
| PM 与 VOC 降低率 |
数小时内达 60–90% |
| 微生物负荷降低 |
30–70%，具体取决于空间环境与人员密度 |
| 温度分层减少 |
约 1–2 ℃，提升体感舒适度 |
| 暖通空调能耗影响 |
通过热混合实现最高 14% 的节能 |
| 运行副作用 |
无臭氧、低噪音、低维护 |
这些成果验证了低能耗净化器可作为多功能资产集成应用，不仅能改善空气质量，还能提升新建造及改造被动房项目中的热性能与节能效果。
6.讨论
第五节的现场验证结果表明，先进空气净化器应采用低能耗设计并整合气流，不仅能作为室内空气质量设备，更能成为同时提升室内空气质量、热舒适度及建筑能效的混合系统。本节将从设计、集成及政策角度探讨这些发现的意义，同时指出当前局限性及需深入研究的领域。
6.1被动式与低能耗建筑的设计启示
被动式建筑的设计宗旨是以最小机械能耗实现热舒适性。这使得气流行为至关重要：滞留区、热分层及混合不均现象，都可能削弱绝缘与气密性俱佳建筑的预期性能。
案例研究表明，基于 CFD 技术的净化器可实现：
（1）在垂直与水平区域更均匀地分布冷热空气；
（2）减少局部过度调节现象，从而降低暖通空调峰值需求；
（3）无需增加通风率或破坏建筑围护结构即可提升室内舒适度。
因此，空气净化器不应被视为附加设备，而应作为集成环境装置。其安装位置、气流方向及运行时段应在设计初期就予以考量，如规划辐射供暖或机械通风换气系统。
6.2系统集成考量
要在低能耗建筑中实现高效部署，需采取以下实用集成策略：
（1）通过 CFD 或简化仿真工具进行气流路径建模，可优化设备布局，尤其适用于不规则空间；
（2）硬件设计与软件控制应支持季节性气流调节；
（3）传感器融合技术——整合颗粒物、挥发性有机物、温度及二氧化碳数据，可实现闭环运行，动态响应室内空气质量与热环境条件；
（4）与楼宇管理系统及智能家居系统的互操作性日益重要，在改造项目或混合模式通风建筑中更为突出。
6.3标准化与认证缺口
当前空气净化器评估标准（如 AHAM AC-1、GB/T 18801 或 ISO 29463）均未涵盖：
（1）能量标准化性能指标（如 CADR/W）；
（2）对室内热环境的长期影响；
（3）基于传感器的自适应运行；
（4）与超低能耗建筑围护结构的兼容性。
因此，为弥补这一缺口，需建立多维度认证框架，可考虑由被动式房屋认证机构或绿色建筑评级体系主导实施。该框架应包括：
（1）低能耗运行下的洁净空气效能；
（2）热分层消解指数（基于温度剖面分析）；
（3）自适应控制响应性与集成评级；
（4）生命周期分析（含滤网更换频率与材料废弃物评估）。
将此类标准纳入被动式房屋规划套件（PHPP）扩展或WELL/LEED性能路径，可激励制造商推动整体建筑性能创新，而非仅关注独立参数。
6.4局限性和未来研究
尽管存在强有力的初步证据，本研究仍承认存在若干局限性：
（1）时间范围：多数现场试验仅捕捉到短期至中期效应，需开展跨越供暖/制冷季节的纵向研究；
（2）热量量化：虽观察到温度分层消解现象，但需借助传感器阵列或热成像技术进行精细时空映射，以建模完整热传递贡献；
（3）系统交互：空气净化器与机械通风热回收系统（MVHR）的协同作用尚未完全厘清。如净化器应设置在 MVHR 出风口下游，还是应实现气流解耦。
这些研究空白揭示了若干机遇：
（1）运用数字孪生技术模拟不同净化器布局与运行模式下的气流与热量分布；
（2）在能源建模工具（如EnergyPlus、IES-VE）中实现空气净化器的协同仿真；
（3）开发实时优化室内空气质量与热流的人工智能控制系统。
7.结论
本研究发现表明，低能耗空气净化器，尤其是采用催化过滤与气流优化的设计已超越单纯的室内空气质量设备范畴。它们正成为多功能环境控制组件，在被动式房屋与低能耗建筑策略中发挥关键作用。
7.1核心发现摘要
（1）HA500 和 HA800 等空气净化器在 PM2.5、VOCs 及微生物负荷方面展现出高效污染物去除能力，能耗低于 80W；
（2）基于 CFD 分析的气流模式显著提升温度均匀性，实现可测量的热分层消除（1-2 ℃），并使暖通空调能耗降低高达 14%；
（3）实地部署验证了其在住宅、办公及医疗环境等多种场景中的有效性，且不会产生二次污染物或高噪音。
这些结果表明，此类净化器完全符合被动式建筑的严格能源性能目标，可同时发挥双重作用：维持健康空气并支持热舒适性。
7.2对被动式设计的影响
对于建筑师和工程师而言，先进净化器的应用应从被动附加装置转变为主动设计要素。关键考量包括：
（1）基于气流与热模拟的布局优化；
（2）与智能传感器及季节控制模式的集成；
（3）因空气混合效果提升而缩减暖通空调系统容量。
在早期设计阶段融入净化器可同时提升舒适度与能源韧性，尤其适用于人员流动性强或空间几何结构复杂的建筑。
7.3政策与标准制定建议
现有认证标准尚未充分体现净化器在能源敏感环境中的贡献。亟需：
（1）能效指标，如每瓦的洁净空气输送率（CADR）和分层减少率；
（2）气流影响的热性能指标；
（3）整合至 PHPP 、 WELL 及 LEED 认证体系，作为建筑能耗与室内空气质量工具包组成部分。
开发此类框架将使空气净化器在整体建筑性能中的作用获得认可，并引导该领域的创新。
7.4未来研究方向
本研究为深入探索开辟了多条路径：
（1）被动式建筑中跨季节周期的纵向监测；
（2）在数字建筑模型中对净化器性能进行协同仿真；
（3）基于人工智能的动态控制算法，实现净化与热调节的平衡。
通过实践与理论的双重推进，这些方向将助力空气净化器不仅成为必需设备，更在不断演进的节能健康建筑领域中，蜕变为设计智能的核心工具。
参考文献
[1] Passive House Institute. （2016）. Criteria for the Passive House, EnerPHit and PHI Low Energy Building Standard.
[2] Healthy Air Technology Ltd. （2021）. DNO White Paper.
[3] MTIF. （2024）. Healthy Air Test Results Report.
[4] CETEC. （2023）. Indoor Air Quality and Purification Study.
[5] Smart 0 Project. （2022）. Zero-Carbon Home Energy Analysis.
[6] Healthy Air Technology Ltd. （2024）. Product Catalogue and Technical Specifications.
[7] U.S. Environmental Protection Agency. （2023）. Residential Air Cleaner Guide.
