基于 PM2.5 濃度控制的空調(diào)系統(tǒng)過濾器配置研究

劉人杰 張云 徐桓

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司

近年來，PM2.5 污染一直是十分敏感的話題，大量呼吸道病例都直接或間接的與 PM2.5 污染相關(guān)。自 2013 年開始我國各地開始陸續(xù)對室外 PM2.5 進行日常監(jiān)測，而隨著人們對生活品質(zhì)要求的不斷提高，室內(nèi)PM2.5 濃度水平也越來越受到關(guān)注與重視。

一方面，相關(guān)學(xué)者從不同的角度切入做了大量關(guān)于PM2.5 的研究，包括 PM2.5 室外設(shè)計值的確定方法探討[1-3]，室內(nèi)外 PM2.5 濃度變化相關(guān)性分析[4-5]，不同空調(diào)形式對室內(nèi) PM2.5 濃度的影響[6]，各種類型空氣過濾器對 PM2.5 的過濾效率研究[7-9]等。另一方面，我國相關(guān)法規(guī)也日趨完善，2019 年發(fā)布實施的《公共建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量控制設(shè)計標準》 JGJ/T 461-2019 中明確規(guī)定了公共建筑室內(nèi) PM2.5 設(shè)計日濃度限值，室內(nèi)空氣污染物濃度計算方法，空氣凈化設(shè)備的選型方法等，填補了國內(nèi)關(guān)于室內(nèi)空氣品質(zhì)設(shè)計標準的空白。

本文著眼于在滿足室內(nèi) PM2.5 要求的前提下，對不同地域城市辦公建筑一次回風空調(diào)系統(tǒng)在空調(diào)季節(jié)、過渡季變新風季節(jié)過濾器所需設(shè)計效率及選型配置進行分析，以期為實際應(yīng)用工程提供參考。

1 室外PM2.5 設(shè)計濃度

室外PM2.5 的設(shè)計濃度計算依據(jù)有：不保證小時數(shù)、不保證天數(shù)、室外不保證率[1]等，本文結(jié)合相關(guān)文 獻及規(guī)范[11]，以我國不同地區(qū) 8 個城市 2014～2020 年 7 年間室外 PM2.5 日均監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用歷年不保證5 天均值作為室外PM2.5 設(shè)計值。

對于采用一次回風全空氣空調(diào)系統(tǒng)的辦公建筑來說，室外新風引入是室內(nèi) PM2.5 濃度值的重要影響因素之一。而根據(jù)各地的節(jié)能與綠色建筑評價要求，全空氣系統(tǒng)通常在過渡季節(jié)會采用可變新風比的運行策略，新風比在50%～100%之間。這樣的運行策略使得在空調(diào)季節(jié)和過渡季節(jié)引入室內(nèi)的新風量產(chǎn)生較大變化，也即是對室內(nèi) PM2.5 濃度的確定會產(chǎn)生很大影響，因此本文根據(jù)各地日均溫度將全年分為空調(diào)季和過渡季，在不保證5 天條件下，進而分別統(tǒng)計每年各地空調(diào)季和過渡季的室外PM2.5 設(shè)計值。

圖1、圖2 分別為我國不同地區(qū)8 個城市空調(diào)季、過渡季歷年在不保證 5 天下的室外 PM2.5 設(shè)計值，可以看出經(jīng)過連年的治理，各城市的室外 PM2.5 值在空調(diào)季和過渡季整體上都呈下降的趨勢，過渡季PM2.5 值略好于空調(diào)季，但并不明顯。各城市的室外 PM2.5 歷年不保證5 天均值見表 1。從表中可以看出我國地域 PM2.5 分布南方要好于北方，上海、廣州等沿海城市要好于內(nèi)陸城市。

圖1 空調(diào)季室外PM2.5 設(shè)計值

圖2 過渡季室外PM2.5 設(shè)計值

表1 室外PM2.5 設(shè)計值（μg/m3）

2 室內(nèi)PM2.5 設(shè)計濃度

2.1 室內(nèi)設(shè)計限值

表2 根據(jù)規(guī)范[11]要求列出了不同使用功能建筑室內(nèi)PM2.5 限值要求，本文所研究辦公建筑按照高檔辦公考慮，即PM2.5 室內(nèi)設(shè)計濃度為35 μg/m3。

2.2 室內(nèi)濃度計算公式

室內(nèi)PM2.5 的來源主要有空調(diào)系統(tǒng)新風帶入、室內(nèi)發(fā)塵源、圍護結(jié)構(gòu)滲透等，在未設(shè)置室內(nèi)空氣凈化器，假設(shè)室內(nèi) PM2.5 濃度穩(wěn)定均勻分布的前提下，室內(nèi)空氣凈化流程簡圖見圖3。

圖3 室內(nèi)空氣凈化流程圖

根據(jù)質(zhì)量守恒方程[11]列出關(guān)系式如下：

式中：G-室內(nèi)PM2.5 發(fā)塵源，μg/h；V-房間容積，m3；C-室內(nèi)設(shè)計日濃度，μg/m3；Co-室外設(shè)計日濃度，μg/m3；al-滲透風換氣次數(shù)，次/h，本文取 0.2 次/h；Pl-滲透穿透系數(shù)，本文取 0.8；ao-新風換氣次數(shù)，次/h；Peo-新風凈化設(shè)備當量穿透系數(shù)；ar-新風換氣次數(shù)，次/h；Per-回風凈化設(shè)備當量穿透系數(shù)。

式（1）中室內(nèi)發(fā)塵源包括人員、設(shè)備發(fā)塵等，在考慮無煙辦公室的前提下，人員 PM2.5 發(fā)塵強度見表 3[11]。打印機等辦公設(shè)備的 PM2.5 發(fā)塵量忽略不計[10]。

表3 人員PM2.5 發(fā)塵強度

對于新、回風當量穿透系數(shù)，在一次回風全空氣空調(diào)系統(tǒng)工程應(yīng)用中，通常只在空調(diào)箱中設(shè)置總送風凈 化設(shè)備，即新風、回風經(jīng)過混合后再統(tǒng)一經(jīng)過空調(diào)箱內(nèi)置過濾器凈化，在送風過濾器總效率為ηs時，有：

3 辦公建筑計算模型

3.1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

本文以采用一次回風空調(diào)系統(tǒng)的大開間高檔辦公室為研究對象，假定空調(diào)送風量均能夠滿足不同城市辦公建筑內(nèi)冷熱需求，以此定性分析計算系統(tǒng)新風量變化對過濾器效率要求。辦公建筑計算模型的各項參數(shù)見表4。

表4 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

由表 3 可知在人員密度小于 0.4 人/m2時人員 PM2.5 發(fā)塵量可以忽略不計，無論對于高檔辦公還是普通辦公室而言，設(shè)計人員的密度一般均不會超過0.4 人/m2，也即辦公建筑可以忽略人員 PM2.5 發(fā)塵量的影響。

3.2 過濾器計算選型

在設(shè)定好室內(nèi)相關(guān)計算參數(shù)后，結(jié)合表 1、表 2 中室內(nèi)外 PM2.5 設(shè)計值，以及式（1）、（2）即可計算出在滿足室內(nèi) PM2.5 設(shè)計值的要求下空調(diào)系統(tǒng)過濾器所需達到的效率。本文分別計算了空調(diào)季、過渡季50%、70%、100%新風比四種工況下各地空調(diào)系統(tǒng)過濾器所需達到效率，見表5。

表5 空調(diào)系統(tǒng)過濾器效率（%）

由表5 中數(shù)據(jù)可以看出，在滿足室內(nèi) PM2.5 設(shè)計濃度為35 μg/m3的前提下，各地空調(diào)系統(tǒng)過濾器所需達到的最低效率基本都出現(xiàn)在空調(diào)季最小新風工況下，只有烏魯木齊對應(yīng)的過濾器最低效率在過渡季 50%新風工況。而在過渡季采取空調(diào)節(jié)能措施開始增大新風比后，過濾器所需達到效率開始大幅提高，并且隨著空調(diào)系統(tǒng)新風比增加而增加，以北京為例，空調(diào)季過濾器效率為 42.82%即可滿足辦公室內(nèi) PM2.5 濃度設(shè)計要求，在過渡季 100%全新風工況下，過濾器效率則需要達到 84.06%。根據(jù)前述圖 1、圖 2 室外 PM2.5 設(shè)計濃度的分析，由于 PM2.5 在過渡季設(shè)計值僅是略低于空調(diào)季設(shè)計值，因此對過濾器效率而言的最不利工況均出現(xiàn)在 100%過渡季新風比情況下，可見對于有過渡季增大新風比要求的一次回風空調(diào)系統(tǒng)，簡單的根據(jù)室外 PM2.5 設(shè)計日濃度來選擇空調(diào)系統(tǒng)過濾器是不合理的。

我國現(xiàn)行規(guī)范尚未對各級過濾器的 PM2.5 過濾效率做出規(guī)定，本文結(jié)合過濾器對PM2.5 的過濾效率相關(guān)文獻[7-9]，列出舒適性空調(diào)常用的各級別過濾器 PM2.5 計重效率，見表6。

表6 各級別過濾器PM2.5 效率（%）

由表6 中可以看出，G3、G4 級別的初效顧慮器對于PM2.5 的過濾效果甚微。考慮到靜電式過濾器受大氣塵粒徑分布、過濾器斷面風速、過濾器使用狀態(tài)等因素影響較大，本文選擇文獻[8]中 8 種型號靜電過濾器 PM2.5 計重效率最低值作為計算依據(jù)。在辦公建筑一次回風空調(diào)系統(tǒng)中，工程設(shè)計過濾器配置通常采用初效+中效袋式或初效+中效袋式+中效靜電的組合配置形式，在此原則下空調(diào)系統(tǒng)的送風總過濾器的效率為：

式中：η1，η2…分別為級過濾器效率。

根據(jù)表5、表6 中數(shù)據(jù)，本文選取了5 種比較常用的過濾器組合配置方案，對應(yīng)PM2.5 過濾效率見表7。

表7 過濾器組合效率

各地空調(diào)系統(tǒng)過濾器選型結(jié)果見表 8，表中字母對應(yīng)表7 中各過濾器組合編號。

表8 過濾器選型結(jié)果

從表 8 中可以看出，在空調(diào)季最小新風工況下，8 個城市選用配置 A 方案（G4+M6）即可滿足過濾需求。北京在過渡季對于過濾器的配置要求較高，50%～100%三種新風比工況下均需采用 D 方案（G4+F7+靜電）。廣州和烏魯木齊則全年對過濾器配置要求較低，只有 100%新風工況需配置 B 方案（G4+F7），其余時段配置 A 方案即可滿足要，廣州屬于全年室外 PM2.5 均處于較低水平，烏魯木齊是在空調(diào)季室外 PM2.5 較高（245 μg/m3），在過渡季室外PM2.5 則明顯降低（88 μg/m3）。其余城市過濾器配置總體呈隨過渡季新風比增大過組合過濾器配置提升趨勢，基于本文選取的各類過濾器 PM2.5 計重效率計算，D 方案（G4+F7+靜電）可滿足上述8 座城市在全年所有工況的PM2.5 過濾需求。

4 結(jié)論

本文在我國不同地區(qū)的 8 個城市 7 年間室外 PM2.5 日均數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，用年不保證 5 天均值法分別得出室外PM2.5 在空調(diào)季和過渡季的設(shè)計值。建立了一個辦公建筑一次回風空調(diào)計算模型，分析計算了在空調(diào)季最小新風工況和過渡季增大新風比工況下空調(diào)系統(tǒng)過濾器所需達到的效率值，并根據(jù)各級別過濾器效率給出了針對各城市不同空調(diào)工況下過濾器組合配置方案。得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)過連年治理，各城市室外 PM2.5 值在空調(diào)季和過渡季整體上呈逐年下降的趨勢，過渡季室外 PM2.5 值略好于空調(diào)季，但并不明顯。

2）對于采用一次回風空調(diào)系統(tǒng)的辦公建筑而言，因節(jié)能綠建等要求過渡季節(jié)需要增大新風比運行，此時過濾器所需達到效率較空調(diào)季最小新風工況開始大幅提高，因此對于這類建筑，將室外 PM2.5 設(shè)計值按空調(diào)季和過渡季分別計算，并依此來進行過濾器選型是有必要的。

3）在文中選定的過濾器效率基礎(chǔ)上，空調(diào)季最小新風工況采用 G4+M6 即可滿足所選 8 個城市 PM2.5 過濾需求。而G4+F7+靜電過濾器的組合配置，可以滿足各地在全年所有工況的PM2.5 過濾需求。