新风系统对室内PM2.5控制效果的研究

2020-08-27吴荒原顾语然刘晴川

智能建筑与智慧城市 2020年8期

吴荒原，顾语然，刘晴川

（合肥学院）

1 引言

室内PM2.5源自于室外空气对流与室内烹饪等。室外空气在很大程度上会影响到室内PM2.5浓度，室外空气所含有的PM2.5会渗透到建筑围护结构中，渗透率平均达到70%[1]；对于没有明显室内污染源的房屋，室外PM2.5进入室内占比为75%，存在显著室内污染源的房屋，室外PM2.5进入室内占比依然达到55%～60%[2]。要想降低室内PM2.5浓度，应从室外PM2.5进入室内入手[3]。新风系统在进行室内外空气交换时，通过过滤装置，对PM2.5室外源进入室内的过程中，可以进行有效的控制。结合三个案例，分析新风系统对室内PM2.5浓度的影响。

2 室内PM2.5来源与控制

PM2.5对人体具有较大的危害性，由于PM2.5颗粒的直径较小，附着在上面的重金属、微生物等有毒物质更容易进入人体，且往往会深入肺部深处，会引起肺炎、呼吸道感染等病症。根据调查结果显示，人们每天约有60%～80%的时间是在室内度过，故室内PM2.5浓度会直接影响到人们的身体健康。

室外PM2.5存在大量排放源，如建筑粉尘、机动车尾气排放、煤炭燃烧等，室外PM2.5可以通过自然通风进入到室内，也可以通过门窗缝隙等多种途径进入到室内。一些研究指出，室内PM2.5中有一半以上来自于室外PM2.5污染，占比在54%左右[4]。

室内也有会产生PM2.5的污染源，在人们进行烹饪、扫地、抽烟、驱蚊香燃烧等活动时，会产生少量PM2.5，其持续的时间并不长，表现出一定的间歇性等特征[5]。

目前，利用新风系统对室内PM2.5进行控制，是较为合适的方案，新风系统中具有不同级别的过滤器，其中高中效过滤器可以有效的过滤粒径至少为1μm粉尘粒子，过滤效率在70%～95%；粗效过滤器可以有效的过滤粒径为5μm粉尘粒子，过滤效率可以达到50%以上。

3 新风系统对室内PM2.5控制效果分析

3.1 某住宅新风系统对室内PM2.5控制效果的数值分析[5]

研究背景为北京某住宅，采用质量平衡方程计算室内PM2.5浓度的基本模型，即：Q=Qw+Qp+Qn，其中Q表示室内PM2.5的总负荷，Qw表示新风系统负荷，Qp表示PM2.5的渗透负荷，Qn表示室内PM2.5的污染负荷。

案例中住宅的各项参数如表1所示。

该案例通过采集北京2016年全年每天PM2.5平均浓度数据，在不考虑室内日常生活带来的PM2.5污染情况，即忽略厨房烹饪、淋雨、扫地等活动对室内PM2.5的影响，仅对室外与室内PM2.5背景浓度一致情况下的数据进行分析，记录新风系统启动后室内PM2.5的变化情况。

通过逐时迭代算法分析室内PM2.5浓度，结合新风系统负荷、PM2.5的渗透负荷、室内PM2.5的污染负荷绘制了室内PM2.5浓度随时间变化的曲线，分析结果表明，室内PM2.5浓度主要受到室外PM2.5浓度和维护结构气密性的影响，当室内维护结构（如门窗）气密性为6级以上时，可以大大减少室外PM2.5的进入，同时，开启新风系统后可以明显降低室内PM2.5浓度。

表1 案列住宅参数

通过理论计算分析，新风系统运行5h，可以将室内有效控制在37.5μg/m3，考虑到室外PM2.5浓度的原因，5h后持续运行新风系统对室内PM2.5浓度的改善无明显效果，实验中最低可以控制在25μg/m3。

3.2 某学校新风系统对教室PM2.5控制效果分析[6]

该案例对某学校装配新风系统后室内PM2.5浓度变化进行分析，分别从室外环境、新风系统运行时间、系统出风量以及教室密闭性四个方面做了数据分析。

在室外空气质量为重度污染和轻度污染两种情况下，新风系统运行30min后室内PM2.5浓度都得到有效改善，其中重度污染情况下PM2.5浓度降低到75μg/m3，轻度污染情况下PM2.5浓度达到35μg/m3以下。因此，运行新风系统可以在不同室外空气环境时明显改善室内空气PM2.5浓度，但同时，受到室外空气PM2.5的影响，运行新风系统后室内PM2.5浓度与室外浓度呈正相关。

通过对多个教室内新风系统连续运行三节课和四节课进行对比，发现新风系统对室内PM2.5的改善效果存在明显相关性。在忽略课间同学进出门对空气流动的影响，连续运行三节课的教室内PM2.5浓度降低至10μg/m3，而连续运行四节课的教室内PM2.5浓度低至8.5%μg/m3。

通过对多个教室进行新风风量调整分析后发现，单位时间内室内PM2.5浓度降低幅度与新风系统出风量呈正比。但达到一定时间后，增加出风量并不能明显降低室内PM2.5浓度，分析可能是受到新风系统对空气净化功能的设计需求，由于当室内PM2.5浓度达到较低水平时，通过新风系统主要用于改善室内二氧化碳的浓度。

对不同教室条件下新风系统净化效果分析，在同一型号新风系统运行相同时间的情况下，气密性较好的新建教室中PM2.5下降速度明显好于门窗密封相对较差的陈旧教室。同时，分析还发现室内卫生环境也会影响新风系统的净化效果。

3.3 集中式新风系统的PM2.5控制性能分析[7]

该案列基于静电除尘器和影响除尘效率的原理为依据，对北京某大厦集中式集中式新风系统的净化PM2.5效果进行了数值分析，并通过仿真计算得该大厦新风机组室内PM2.5浓度刚好达到浓度限值（75μg/m3）时的室外PM2.5浓度的临界值。

根据文献中初期处理设备所需要的过滤效率计算方法，得到PM2.5污染控制设计计算质量平衡方程：PM2.5总负荷=空气处理设备PM2.5的总去除能力。结合静电除尘原理，可以通过使用新风系统荷载能力下的静电除尘效率计算出PM2.5的总去除量。除尘效率可用公式(1)表示：

式中，1ρ、2ρ分别表示除尘器进出口的污染物浓度，单位μg/m3。

案例分析了北京某大厦办公室内2008年～2012年间五年内的10天PM2.5平均浓度，对比室内与室外PM2.5浓度、温度、湿度数据，分析结果显示：在新风系统工作功率恒定的情况下，室内PM2.5浓度受到室外PM2.5浓度、温度、湿度的影响较大，其中室内外PM2.5浓度具有强相关性；室内PM2.5浓度与室外温度在特定月份（7、8、11、12）具有相关性，其他月份相关性不明显；室内PM2.5浓度与室外湿度具有一定的相关性。通过改变新风系统运行功率，室内PM2.5浓度限制为75μg/m3时，室内外PM2.5浓度变化保持高度一致，当室内PM2.5浓度超过该限制时，室内多污染源带来的污染直接影响新风系统的净化效果，同时室外PM2.5浓度超过限制时，室外污染也较为严重的话会耦合致室内PM2.5平均浓度超过室内PM2.5浓度限值。