室内可吸入颗粒物浓度越限报警及设计

苗慧鸿　曹　浩　崔玉琦　张　雨　郑　洁（重庆大学　重庆　400044）



室内可吸入颗粒物浓度越限报警及设计

苗慧鸿曹浩崔玉琦张雨郑洁
（重庆大学重庆400044）

【摘要】根据普通民用建筑室内可吸入颗粒物的来源、分布、粒径特点等，提出了一种浓度越限报警方法。该方法通过滤膜形变原理对普通室内空气PM2.5含量进行监测、越限报警，以避免对人员健康造成持续性危害。系统设计主要包括报警系统组成及软、硬件设计，可以根据含量是否超标报警，为室内空气环境质量提供保障。报警系统设计经济、使用方便。

【关键词】室内环境；可吸入颗粒物；浓度；越限报警

0　引言

可吸入颗粒物指大气中空气动力学直径小于或等于10µm的颗粒物。其中直径小于2.5µm的颗粒物能直接侵入人体的肺泡，还可通过支气管和肺泡进入血液，使其携带的有害气体、病菌、重金属等溶解在血液中，因而对人体的危害最大。普通人每天在室内的时间比例高达80%，且室内空气可吸入颗粒物浓度随内扰、外扰等的变化波动较大，因此应对室内空气进行可吸入颗粒物浓度即时监测。本文以越限报警为主要目标，通过一种方便、经济的原理对室内可吸入颗粒物浓度监测方案进行设计，避免在不觉察的情况下因长期暴露在不达标的空气环境中而对室内人员造成潜在的健康威胁。目前认可的可吸入颗粒物浓度的测量方法主要有滤膜称重法、光散射法、β射线法、微量振荡天平法等，各方法的优缺点及原理步骤比较如表1所示。

目前实际中采用较多的方法是光散射法和滤膜称重法。其中，以光散射为基本原理设计的PM2.5传感器测量速度快、重复性好、自动化程度高，但需将测定结果由粒子数浓度转换为质量浓度，由于转换系数K受环境因素影响巨大，为不确定值，因此难以广泛应用。而以滤膜称重法为核心原理的装置采用完整的分析天平进行精确测量，成本极高，难以推广民用。

表1　现有可吸入颗粒物浓度测量方法比较Table 1 Comparison of the existing measuring methods of inhalable particles concentration

1　普通室内空气可吸入颗粒物的特点

（1）由于颗粒物质量较小，为累积一定的薄膜形变量，采样应具备一定的体积；

（2）室内空间分布可能不均匀，须通过测定分析，恰当考虑采样点位置；

（3）不同环境条件下，室内可吸入颗粒物浓度水平差异大，且不同场合要求的浓度限值不同；

（4）针对普通室内空气可吸入颗粒物浓度的监测往往不需要测定非常精确的数值，多局限于定性判断。

2　室内可吸入颗粒物浓度的越限报警设计

2.1报警系统组成

图1　浓度越限报警总体设计Fig.1 Overall design of the alarming method based on the limit concentrations of inhalable particles

浓度越限报警的设计思路是以形变最大高度h间接反映颗粒物浓度c的大小。通过收集处理装置使颗粒物在薄膜上附着积累，当室内颗粒物浓度大小达到预设警戒值时，收集到的颗粒物通过重力压迫薄膜产生足量的形变而与金属板控制电路连通发出报警信号，及时提醒人们采取空气净化处理或者启动自动控制净化装置。所述报警系统主要由设限、测定、判断、执行四个部分组成。总体设计方案见图1。A、B、C、D依次为设限、测定、判断、执行四个部分。

2.2硬件设计

图2　浓度越限报警装置硬件设计Fig.2 Hardware design of the alarming device based on the limit concentrations of inhalable particles

硬件设计主要包括收集处理模块、沉降模块、执行报警模块。收集处理模块包括收集容置体、三个可以自动开闭的扇叶、锥形挡尘滤膜、进气通道（含有附壁干燥装置）；沉降模块包括沉降容置体、一个可以自动开闭的扇叶、锥形过滤滤膜、收集滤膜、导电金属片、分置的两块金属板；执行报警模块包括报警器、与金属板预先连接的报警电路（电路中含有恒定的直流供电电源，未在图中显示）。此外还具有分置的调节金属板高度的高度调节机构，使其可以灵活地调整金属板高度使其满足不同的被检测空气情况以及不同报警程度的要求（未在图中显示）。硬件布置如图2。

（1）开关扇叶：气密性好、内表面光滑、可以控制其自动开闭。

（2）滤膜：第一滤膜采用孔径较大的普通滤尘滤膜，以过滤空气中粒径较大的灰尘；第二滤膜采用孔径为2.5μm的实验滤膜，以过滤粒径超过2.5μm的颗粒物；第三滤膜采用孔径微小、弹性较好的玻璃纤维制成，用于收集PM2.5和发生形变。

（3）金属板：选用金属铜板，两侧用导线进行电连接，金属板上设置有过气孔。两片金属板间隔位置位于轻质导电薄片下方且间隔尺寸小于导电薄片的宽度。

（4）轻质导电薄片：材质为导电泡棉，重量轻且具有良好的表面导电性。

（5）壳体：选用内壁光滑处理，接缝处密封处理的塑料制成。

2.3工作过程

该越限报警装置主要应用于普通建筑室内。首先，根据国家《室内空气质量标准》GB/T18883-2002附录A中规定，该装置的布点应满足以下要求：

（1）采样点的数量：采样点的数量根据监测室内面积大小和现场情况而确定，以期能正确反映室内空气污染物的水平。原则上小于50m2的房间应设1－3个点；50－100m2设3～5个点；100m2以上至少设5个点。在对角线上或梅花式均匀分布。

（2）采样点应避开通风口，离墙壁距离应大于0.5rn。

（3）采样点的高度：原则上与人的呼吸带高度相一致。相对高度0.5m－1.5m之间。

根据室内具体情况正确布点后，启动越限报警装置，经过以下具体工作过程：

1）打开第一开关扇叶和第二开关扇叶，关闭第三开关扇叶，通过进气装置采样一定体积的待检测空气通过进气通道进入到进气腔室，而进气腔室内原有气体经由第二开关扇叶排出，进气时通过第一滤膜过滤掉空气灰尘；当原有气体已经全部排除后，关闭第二开关扇叶继续采样至进气腔室内压力达到一定值P0（高于大气压力Pa），此时上下两腔室形成微压差。关闭第一开关扇叶，过程对应于图3（a），图中黄色三角形表示报警器已连通但未报警；

2）静置一段时间（t0）让进气腔室内的采样气体充分混合均匀后，打开进气腔室下部的第三开关扇叶和第四开关扇叶，使得采样气体在横向处相等的微压差作用下竖直向下流动，在此过程中第二滤膜拦截了PM2.5以上的大粒径颗粒物，并使得PM2.5在第三滤膜上沉积，使第三滤膜中部逐渐发生向下的形变并带动轻质导电片向下移动，过程对应于图3（b）；

3）再过一段时间（t1）后，容置体内压力降低至Pa，容置体内部与外部空气不再对流时，关闭第四开关扇叶，采集的颗粒物在装置内部充分沉降；在此过程中，当采样空气PM2.5浓度超过预设值，第三滤膜产生足够大的形变将使报警线路自动接通报警；如未超过预设值，则不报警，表明被检测的空气质量良好，过程对应于图3（c），图中三角形变红表示超过预设值时报警器发出报警信号。

图3　（a）第一阶段　图3（b）第二阶段　图3（c）第三阶段Fig.3(a) Stage 1　Fig.3(b) Stage 2　Fig.3(c) Stage 3

作为优化，如实际应用中微压差作用不足以使较细颗粒沉降，可在装置下部设置风机形成负压，使颗粒物在气流作用下充分沉降。

2.4软件设计

软件设计主要包括四个开关扇叶的自动控制、设限高度h0的电动调整、报警浓度c0、时间t0和t1的设定。其具体实现可通过可编程序控制器（PLC系统）完成相应逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作指令。编程语言可为常用的BASIC、C语言等。其基本工作原理示意如下。

图4　可编程序控制器（PLC系统）基本原理Fig.4 The fundamentals of the programmable controller (PLC)

3　结语

该方法针对普通室内可吸入颗粒物浓度进行监测，旨在定性判断其是否超标，而避免了精密测量带来的高成本、难以普遍性使用的缺点。通过对超标的现象进行及时的警示，避免了人员长时间暴露在空气质量不合格的环境中而危害人体健康。此外，由于可以方便地调节设限高度h0，该设计方案能够满足不同场合的需要；报警后既可以通过人员进行主动调节，又可以通过联动新风引入控制电路或者空气净化器进行被动调节，方便且选择性强；开始沉降到报警之间的时间这一参数可以间接反映不达标空气的污染程度。因此，该设计不仅可以越限报警，还可以推广应用到其他领域。

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New Alarming Method for Poor IndoorAir Quality Based on the Limit Concentrations of Inhalable Particles

Miao Huihong Cao Hao Cui Yuqi Zhang Yu Zheng Jie
( Chongqing University, Chongqing, 400044 )

【Abstract】The purpose of this essay is to put forward a new method to alarm the concentration of PM2.5 exceeding the limit, which is based on the source, distribution and characteristics of particle sizes inside the civil buildings. This method, which is on the basis of membrane deformation, is to monitor the indoor concentration of PM2.5 and give an alarm when it exceeds the limit. In this case, there will be fewer persistent threats to the health of human beings. Design of the system includes the composition of the alarming system, the software design and the hardware design. It provides a high-qualified indoor air environment by giving alarms. What’s more, it’s both economical and convenient.

【Keywords】indoor environment; inhalable particles; concentration; alarming of exceeding the limit

中图分类号X502

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-053-04

基金项目：国家级大学生创新训练项目（编号：201410611071）

作者简介：苗慧鸿（1993.12-），女，在读本科生，E-mail：1304376441@qq.com

通讯作者：郑洁（1960.05-），女，本科，教授，E-mail：jz187@cqu.edu.cn

收稿日期：2015-02-11