基于污染物控制的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)技術

吳 濤 張華玲 劉洋伶 杜超軍

基于污染物控制的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)技術

吳 濤 張華玲 劉洋伶 杜超軍

（重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室 重慶 400045）

通過目前室內(nèi)PM2.5及VOCs采用的控制技術效果分析，特別針對具有集中通風空調(diào)系統(tǒng)的大型民用建筑，提出了可以結合其空調(diào)系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)PM2.5和VOCs濃度的一種技術，并對方案設計和硬件構成進行了介紹。其中，PM2.5濃度的監(jiān)測控制技術以濾膜稱重法為核心原理，對室內(nèi)空氣中可吸入顆粒物濃度進行監(jiān)測和越限報警，并據(jù)此調(diào)節(jié)空調(diào)新回風比例。VOCs濃度控制技術是在空調(diào)回風箱內(nèi)利用光催化技術有效降解室內(nèi)空氣污染產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物，該技術可以提高反應效率，減少二次污染少，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。

室內(nèi)環(huán)境；PM2.5；VOCs濃度；控制技術；空氣品質(zhì)

0 引言

隨著我國工業(yè)化和城市化的發(fā)展，城市人口增加、各種空氣污染物排放和懸浮顆粒物排放量增加、大氣污染負荷增大，我國大部分地區(qū)頻現(xiàn)霧霾天氣。大氣污染物防治成為了人們關注的焦點，尤其是PM2.5和揮發(fā)性有機物（VOCs）的治理。PM2.5和VOCs對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響非常顯著，據(jù)研究顯示，室外污染物濃度要遠遠低于室內(nèi)污染物濃度。人員活動大部分時間是在室內(nèi)，PM2.5和VOCs濃度增加將嚴重影響人的健康。而目前市面上的空氣凈化裝置主要以凈化器的形式存在，占用室內(nèi)空間、影響美觀。因此，研究將空氣凈化裝置與集中通風空調(diào)結合的技術十分必要。

1 室內(nèi)PM2.5和VOCs的來源及聯(lián)系

1.1 室內(nèi)PM2.5和VOCs的來源

PM2.5是指大氣中動力學直徑不大于2.5μm的細顆粒物，其粒徑小，比表面積巨大，活性強能吸附細菌、病毒和各種有毒有害物質(zhì)，且可以很久的漂浮在大氣中，嚴重損害著室外環(huán)境和人體健康[1]。建筑室內(nèi)PM2.5的來源可以分為室內(nèi)源和室外源兩部分。室內(nèi)釋放PM2.5的污染源包括人員活動和吸煙，實驗證明吸煙是室內(nèi)環(huán)境PM2.5的主要來源[2]。此外，對于居住建筑，燃燒過程、烹飪和家務活動也會引起污染；對于公共建筑，內(nèi)部的設備運行及餐飲也是PM2.5的來源。室外的PM2.5進入室內(nèi)的主要途徑有空調(diào)新風系統(tǒng)、建筑圍護結構縫隙穿透、自然通風及人員攜帶等[3]。

揮發(fā)性有機物（VOCs）一般指常溫下飽和蒸汽壓>70.91帕或沸點<260℃的有機化合物，一般包括芳香烴、脂肪烴、鹵代烴、含氧烴、萜烴、醇、醛、酮和酯等，是一種重要的室內(nèi)空氣污染物。室內(nèi)VOCs的種類繁多，來源廣泛。其來源大體可以分為三類：

（1）建筑裝飾、裝修材料和生活日用品，這些產(chǎn)品會持續(xù)不斷地釋放各種污染物，含甲醛、苯和甲苯等有害VOCs，極易降低室內(nèi)空氣品質(zhì)[4,5]。

（2）人類吸煙、人自身的新陳代謝；

（3）室外汽車尾氣、工業(yè)污染物、意外失火等[6,7]。

1.2 PM2.5和VOCs的聯(lián)系

當前，我國大氣污染問題復雜，呈現(xiàn)高污染負荷、多污染物疊加等特征，已從傳統(tǒng)的煤煙型污染逐漸過渡為以PM2.5和O3為特征的復合污染。揮發(fā)性有機物（VOCs）不僅很多本身就是有害或致癌性物質(zhì)，對人體危害極大。而且VOCs與汽車尾氣中的氮氧化物等在太陽光紫外線照射下會發(fā)生光化學反應,生成二次顆粒狀污染物，這是造成PM2.5濃度增高的重要原因之一[8]。其它研究顯示，空氣中的顆粒物質(zhì)PM（Particulate Matter）約有50%來源于人為源和自然源，其余50%是由于VOCs與空氣中的氮氧化物（NOX）、二氧化硫（SO2）、氨（NH3）等氣態(tài)污染物在太陽光紫外線照射下發(fā)生光化學反應生成的二次顆粒污染物。

2 室內(nèi)PM2.5的控制方法及技術

2.1 室內(nèi)PM2.5的控制方法

建筑室內(nèi)PM2.5控制措施可以根據(jù)其來源分為兩大類，一是主動控制措施，二是被動控制措施。主動控制中，對于安裝有集中通風空調(diào)系統(tǒng)的建筑，可在空調(diào)系統(tǒng)中安裝空氣凈化裝置，一些研究者已提出了集中空調(diào)系統(tǒng)空氣過濾器等級組合策略[9]；對于住宅等無集中通風空調(diào)系統(tǒng)的建筑，一般采用空氣凈化器；而對于建筑的餐飲區(qū)域，則要控制廚房油煙在建筑內(nèi)的擴散和凈化[3]。被動控制措施中，主要考慮隨滲透風進入室內(nèi)的PM2.5滲透負荷，可采用措施有條外窗氣密性、保證外窗密封條安裝質(zhì)量、加強墻體預留孔口密封及定期維護等。

2.2 PM2.5濃度越線報警及空調(diào)風量調(diào)節(jié)技術

2.2.1 方案總體設計

該調(diào)節(jié)系統(tǒng)由顆粒物檢測和空調(diào)風量調(diào)節(jié)模塊組成（如圖1所示），風量調(diào)節(jié)模塊對新風和回風顆粒物濃度進行測量和比較后發(fā)出反饋信號，該信號通過調(diào)節(jié)閥門開度減少顆粒物濃度較大一方的風量，從源頭上減少進入室內(nèi)的顆粒物。并且在新風量減小時能減輕新風熱濕處理設備的負荷，減少能源消耗[10,11]。

同時，置于室內(nèi)的顆粒物濃度檢測模塊判斷出室內(nèi)空氣顆粒物濃度是否超過預設值。若未越限則表明室內(nèi)空氣顆粒物濃度水平正常，檢測模塊進入下一檢測循環(huán)。一旦顆粒物濃度水平越限則發(fā)出越限反饋信號說明室內(nèi)空氣顆粒物已嚴重超標，該反饋信號與風量調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)動進一步減少顆粒物濃度較大一方風量。如果用戶在使用獨立的空氣凈化裝置，則該越限信號可控制啟動凈化裝置，與風量調(diào)節(jié)模塊合作從源頭減量和室內(nèi)凈化兩個方面控制顆粒物濃度到達正常水平，減少了獨立凈化的負荷，降低了凈化裝置的能源消耗量。

圖1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成及運行流程

2.2.2顆粒物檢測模塊工作過程

顆粒物檢測模塊對原有的室內(nèi)空氣可吸入顆粒物進行定量的采樣收集，利用顆粒物濾膜對空氣樣本中的顆粒物進行吸附積累，并在重力沉降作用下壓迫顆粒物收集濾膜發(fā)生彈性形變，當形變量到一定程度時帶動報警開關動作。根據(jù)形變量與顆粒物濃度的一一對應關系可定性判斷室內(nèi)空氣顆粒物濃度是否超過預設值，并在顆粒物濃度越限后打開室內(nèi)空氣凈化設備，而在顆粒物濃度達標時關停凈化設備，避免凈化設備沒有必要的運行造成能源浪費，如圖2所示。

圖2 顆粒物檢測模塊運行過程

2.2.3 風量調(diào)節(jié)模塊工作過程

1—回風管道；2—新風管道；3—電動風閥；4—旁通管入口段；41—硅膠防潮層；42—干燥劑格柵；43—PM10濾膜；5—旁通管中間段；511—安裝盒；512—計時器；513—電磁鐵；514—繞線圈；515—拉線；516—密封用橡膠；52—旁通管下半管；521—箍圈；522—PM2.5粘附膜；6—旁通管出口段；7—托盤；8—減震墊；9—位置開關；10—平衡杠桿

該部分的組成主要包括回風、新風管道以及對應的新回風比例調(diào)控裝置三個部分。實施時將此系統(tǒng)嵌入空調(diào)系統(tǒng)中，判斷出回風管道和新風管道中顆粒物含量濃度差異，然后根據(jù)該差異調(diào)節(jié)回風管道和新風管道的通風量，其中顆粒物含量濃度高的管道中降低通風量或者關閉通風，顆粒物含量濃度低的管道中提高通風量。

空調(diào)風量調(diào)節(jié)模塊的硬件設計如圖3所示，其工作過程為：

（1）收集回風管道和新風管道的PM2.5，收集過程結束后控制電磁鐵斷電，使得兩根旁通管中的下半管各自在重力作用下掉落到下方對應的托盤上；

（2）當回風管道和新風管道中固體顆粒物含量不同時，對應的PM2.5粘附膜重量不同，使得平衡杠桿失去平衡，較重一側的托盤下降并觸發(fā)下方對應的位置開關；

（3）位置開關和回風新風比例調(diào)控裝置相關聯(lián)進行調(diào)控，使得對應管道中的通風量被降低或者關閉；

（4）電磁鐵斷電的同時打開計時器，用于記錄電磁鐵斷電到位置開關觸發(fā)的時間，當重量相差越大時，平衡杠桿轉(zhuǎn)動速度越快，故計時器可以檢測出位置開關被觸發(fā)的時間大小的差異性，進而反應出對應管道中顆粒物濃度大小的差異，進而可以根據(jù)濃度大小差異更加精確地對回風管道和新風管道的通風量的比例進行調(diào)節(jié)，這樣可以實現(xiàn)更好的調(diào)節(jié)效果。

（5）檢測裝置還包括輔助復位機構，在檢測完畢后，下半管靠電磁鐵復位的同時，靠輔助復位機構輔助復位，能夠提高復位準確性，復位后可以等待下次檢測調(diào)節(jié)使用。

3 室內(nèi)VOCs的控制方法及技術

3.1 室內(nèi)VOCs的控制方法

目前針對VOCs濃度的控制方法有三種[7]。一是消除污染源，但現(xiàn)在中國沒有法律禁止高VOCs揮發(fā)率的建筑材料，因此很難實現(xiàn)；二是增大新鮮空氣的進入，但它不能完全去除污染物，尤其在高污染物揮發(fā)率和氣流組織不均勻的地方，增大通風量不過是浪費能源；三是用凈化器處理空氣，例如最常用的吸附技術、光催化氧化技術及尚處于探索階段的組合技術[12]。

在現(xiàn)有市場上的空氣凈化器中，基本以過濾和吸附功能為主，而過濾原理的空氣凈化器只是除去了空氣中的懸浮顆粒，對有機揮發(fā)化合物和細菌的凈化效果很不理想；吸附原理凈化器又有吸附飽和及二次污染等凈化問題，實用效果并不好。

光催化技術能在一定環(huán)境溫度和壓力下對有機化合揮發(fā)物進行降解，最終生成CO2和H2O等小分子產(chǎn)物，是目前最有效的空氣凈化方法。我國市面上已有許多光催化空氣凈化器，如殷乃超等研制了一種使用紫外光催化的凈化器[13]，但這些空氣凈化器只是單純的以凈化器的形式存在，不僅需要占用室內(nèi)空間，并且影響建筑內(nèi)部結構的美觀性。

3.2 民用建筑VOCs的控制技術

3.2.1 方案設計

該方法可與民用建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)結合，其方案設計如下：

（1）由紫外光源、透明燈管、光催化濾網(wǎng)、肋片等組成的光催化結構組件安裝于殼體中，置于中央空調(diào)回風箱中空氣過濾工斷后；

（2）中央空調(diào)系統(tǒng)把帶有大量污染物的回風經(jīng)過回風機吸入回風箱后，經(jīng)混合段混合，過濾器過濾后進行光催化空氣凈化；

（3）經(jīng)凈化后再經(jīng)空調(diào)其它工段對空氣的加工處理，最后經(jīng)過濾后由送風機送出，如此循環(huán)，使空氣不斷凈化，達到室內(nèi)空氣品質(zhì)要求狀態(tài)。

3.2.2 硬件設計

其硬件設計包括殼體、風機、過濾器、光催化結構組件（光催化濾網(wǎng)、透明套管、紫外光源、光催化半導體材料）等。發(fā)明具體實施時的結構示意圖如圖4所示，在空氣過濾段安裝空氣凈化器[14]。

圖4 空氣凈化器結構示意圖

1—濾網(wǎng)；2—殼體；3—肋片；4—光催化過濾網(wǎng)；5—燈座；6—紫外光源LED燈

光催化空氣過濾器中：光催化濾網(wǎng)呈直片型，每組設有三片，平行嵌裝設置于殼體內(nèi)，殼體紫外光LED燈垂直于濾網(wǎng)安裝在透明燈管內(nèi)，透明燈管外部安裝有與組件橫向長度一致的肋片，殼體兩端裝有用于安裝紫外燈管的燈座，燈座通過導線與外部電源連接，濾網(wǎng)和肋片上均涂有納米級TiO2光催化劑。由于光催化濾片每組有三片，加大了光催化的反應面積，逐步深化凈化，有利于凈化效率的提高。其中，單獨光催化濾網(wǎng)的結構示意圖如圖5所示，單獨殼體內(nèi)壁和肋條的結構示意圖如圖6所示，其中內(nèi)表面2上貼有用于加強光利用率的反光鋁箔紙。

圖5 單獨光催化濾網(wǎng)的結構示意圖

圖6 單獨殼體內(nèi)壁和肋條的結構示意圖

4 結論

本文提出的關于控制室內(nèi)PM2.5及VOCs濃度的兩種方法均可以與集中式通風空調(diào)系統(tǒng)結合，相較于普通的空氣凈化器，改進了傳統(tǒng)空氣凈化器自身占室內(nèi)空間大，結構模塊復雜的缺點，不影響美觀，節(jié)省空間和材料，并可與空調(diào)系統(tǒng)其它空氣處理功能結合，具有結構簡單，過濾效果好，催化反應效率高等優(yōu)點。同時，2.2節(jié)中PM2.5的控制方法成本低、能耗小，能進行實施檢測和調(diào)控；3.2節(jié)中VOCs的控制方法是利用光催化技術直接將空氣中細菌、病毒等殺死，并且可以將室內(nèi)揮發(fā)有機物VOCs直接分解為CO2和H2O等無機小分子產(chǎn)物，具有反應效率高、條件溫和、能耗少、二次污染少等優(yōu)點。

[1] 黃玉嫡,苑翔.室內(nèi)PM2.5污染控制的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].山西建筑,2017,43(27):156-158.

[2] 丁澤群,許延荔,王陽.辦公建筑室內(nèi)PM2.5濃度的監(jiān)測分析與控制研究[J].中國科技縱橫,2017(7):12-17.

[3] 王清勤,李國柱,趙力,等.建筑室內(nèi)細顆粒物(PM2.5)污染現(xiàn)狀、控制技術與標準[J].暖通空調(diào),2016,46(2):1-7.

[4] 莫金漢,張寅平,楊瑞.管狀光催化反應器甲醛降解強化研究[J].暖通空調(diào),2007,37(10):70-72.

[5] Farhanian D, Haghighat F, Lee C S, et al. Impact of design parameters on the performance of ultraviolet photocatalytic oxidation air cleaner[J]. Building & Environment, 2013,66:148-157.

[6] 李國文,樊青娟,劉強,等.揮發(fā)性有機廢氣的污染控制技術[J].西安建筑科技大學學報,1998,30(4):399-402.

[7] 王斌.揮發(fā)性有機化合物對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響[D].天津:天津大學,2004.

[8] 金偉力.VOCs污染空氣的凈化與PM2.5污染防空技術[C].2016中國環(huán)境科學學會學術年會論文集（第四卷）,中國環(huán)境科學學會,2016:9.

[9] 曹國慶,謝慧,趙申.公共建筑室內(nèi)PM2.5污染控制策略研究[J].建筑科學,2015,31(4):40-44.

[10] 鄭潔,苗慧鴻,張雨,等.一種空氣可吸入顆粒物濃度越限報警方法[P].中國專利: ZL201410581176.0. 2015.

[11] 鄭潔,張雨,崔玉琦,等.一種空氣可吸入顆粒物濃度越限報警裝置[P].中國專利,ZL201410586736.1.2015-1-14.

[12] 陳清,余剛,張彭義.室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機物的污染及其控制[J].上海環(huán)境科學,2001(12):616-620,628.

[13] 殷乃超,孫智廣.光催化降解室內(nèi)VOCS氣體空氣凈化機的研制[J].科研,2017(2):00124-00124.

[14] 串禾,曹浩,張雨,等.一種空調(diào)系統(tǒng)新風回風調(diào)節(jié)裝置及方法[P].中國專利:ZL201410757255.2.2015-3-25.

Indoor Air Conditioning Technology Based on Air Pollutant Control

Wu Tao Zhang Hualing Liu Yangling Du Chaojun

( Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Based on the analysis of the control technology used in indoor PM2.5 and VOCs, especially for large-scale civil buildings with centralized ventilation and air conditioning system, a technology that can control the concentration of PM2.5 and VOCs in combination with its air conditioning system is proposed. Design and hardware composition were also introduced. Among them, the filter membrane weighing method is the core principle of the monitoring and control technology of PM2.5 concentration. The control technology can monitor and alarm the concentration of inhalable particles in indoor air, and adjust the proportion of new air return air. VOCs concentration control technology is the use of photocatalytic technology in air-conditioned return bellows to effectively degrade volatile organic compounds produced by indoor air pollution. This technology can improve the reaction efficiency, reduce secondary pollution and improve indoor air quality.

indoor environment; PM2.5; VOCs concentration; control technology; air quality

TU023

A

1671-6612（2019）05-462-05

國家重點研發(fā)計劃項目“既有公共建筑室內(nèi)物理環(huán)境改善關鍵技術研究與示范”（編號：2016YFC0700705）

吳 濤（1994.10-），男，在讀碩士研究生，E-mail：wutao19950121@163.com

張華玲（1966-），女，教授，E-mail：635972207@qq.com

2018-11-08