飛機座艙顆粒物濃度評估方法研究

曹 祎 張絮涵

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

0 引言

隨著民航事業(yè)的不斷發(fā)展，人們乘坐飛機時不僅關(guān)注飛機在飛行過程中的安全問題，而且越來越關(guān)注飛機客艙內(nèi)的空氣品質(zhì)[1]。近年來，全國多地出現(xiàn)霧霾，而可吸入顆粒物是霧霾的主要成分。可吸入顆粒物包括粗顆粒物PM10和細(xì)顆粒物PM2.5。飛機在地面停機或飛行時，通風(fēng)系統(tǒng)會將大氣中的顆粒物通過送風(fēng)管路帶入座艙，使飛機座艙內(nèi)顆粒物濃度增大。而飛機狹小的座艙環(huán)境不利于艙內(nèi)顆粒物的排出，顆粒物濃度超過限值時會對人體健康造成傷害[2]。因此，在飛機通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮座艙顆粒物濃度限值對系統(tǒng)設(shè)計的約束。通常在飛機設(shè)計研制階段，這一約束作用體現(xiàn)為通過對通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案進行反向校核，評估其是否滿足座艙顆粒物濃度設(shè)計需求。

本文以某民用飛機為研究對象，提出飛機座艙顆粒物濃度評估方法。通過對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻調(diào)研并進行指標(biāo)權(quán)衡分析，得到顆粒物濃度權(quán)衡指標(biāo)限值，并基于此設(shè)計需求，對某民用飛機的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案的需求符合性進行評估。

1 需求分析

1.1 顆粒物標(biāo)準(zhǔn)值

世界各國組織機構(gòu)對于環(huán)境中顆粒物限值做了規(guī)定，各規(guī)定中相應(yīng)參數(shù)見表1。

表1 顆粒物的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.2 指標(biāo)權(quán)衡分析

對于客機座艙顆粒物濃度PM10，目前基本所有的飛機相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及各國適航條例中并未對此做出詳細(xì)規(guī)定，歐洲航空工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)prEN 4618-2013[3]中要求PM10 24 h內(nèi)加權(quán)平均濃度值不高于150 μg/m3，這個限值是從健康角度出發(fā)制定的，與國家標(biāo)準(zhǔn)GB 9673-1996[4]與GB 18883-2002[6]中對PM10濃度標(biāo)準(zhǔn)限值相同，并且150 μg/m3也是EPA-2014[7]等很多組織室內(nèi)空氣質(zhì)量PM10濃度限值。而WHO-2005[10]對PM10規(guī)定更為嚴(yán)格，準(zhǔn)則值為24 h均值50 μg/m3。美國政府工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會在ACGIH-2005[8]中規(guī)定，考慮工業(yè)環(huán)境中惡劣情況，對PM10的峰值規(guī)定為10 000 μg/m3。因此，可以按照標(biāo)準(zhǔn)取PM10峰值為10 000 μg/m3，滿足安全的要求；取PM10 24 h內(nèi)加權(quán)平均濃度值150 μg/m3，滿足健康的要求；取PM10 24 h均值50 μg/m3，滿足舒適的要求。

對于客機座艙顆粒物濃度PM2.5，各國適航條例中并未對此做出詳細(xì)規(guī)定，歐洲航空工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)prEN 4618-2013[3]中要求PM2.5 1 h內(nèi)加權(quán)平均濃度值100 μg/m3，連續(xù)值40 μg/m3，這個限值是從健康角度出發(fā)制定的。美國環(huán)境保護局EPA-2014[7]中對PM2.5 24 h均值取35 μg/m3，而在WHO-2005[5.2-5]對PM2.5規(guī)定為更為嚴(yán)格的準(zhǔn)則值24 h均值25 μg/m3。美國政府工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會ACGIH-2005[8]中，考慮工業(yè)環(huán)境中惡劣情況，對PM2.5的峰值規(guī)定為3 000 μg/m3。因此，可以按照標(biāo)準(zhǔn)取PM2.5峰值為3 000 μg/m3，滿足安全的要求；取PM2.5連續(xù)值40 μg/m3，滿足健康的要求；取PM2.5 24 h均值25 μg/m3，滿足舒適的要求。

顆粒物濃度權(quán)衡指標(biāo)限值見表2[7]。本文以舒適值作為設(shè)計需求，對某民用飛機通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案的需求符合性進行評估。

表2 顆粒物濃度權(quán)衡指標(biāo)限值

2 計算方法

進入座艙的顆粒物的污染源可分為艙外源和艙內(nèi)源。艙外源是指地面污染和高空大氣中的化合物，其通過飛機引氣系統(tǒng)進入座艙，顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)部會出現(xiàn)沉降。艙內(nèi)源可能的來源主要包括座艙內(nèi)人員散發(fā)的顆粒物、餐飲服務(wù)產(chǎn)生的顆粒物等。本文暫不考慮由艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物。

假設(shè)進入引氣管路的顆粒物濃度CB與外界環(huán)境中的濃度Cout保持一致，則某時刻送入座艙的顆粒物濃度計算公式為：

式中：CV為送入座艙的顆粒物濃度，kg/m3；QV為總通風(fēng)量，m3/s；S為再循環(huán)比例；ηB為引氣過濾器效率；Ci為座艙內(nèi)的顆粒物濃度，kg/m3；ηr為再循環(huán)過濾器效率；ES為顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)部的沉降量，kg/s。

顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)部的沉降量計算公式為：

ES=ηSCBQV(1-S)

(2)

式中：ηS為顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)部的沉降率。

座艙內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度平衡關(guān)系式為：

(3)

式中：V為座艙容積，m3；EC為由艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物量，本文取EC=0 g/s。

根據(jù)上述公式即可求得某時刻座艙內(nèi)顆粒物濃度值。

當(dāng)座艙內(nèi)顆粒物濃度達(dá)到穩(wěn)定時，顆粒物濃度值計算公式為：

(4)

當(dāng)不考慮艙內(nèi)源時，公式(4)可簡化為：

(5)

即當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時，艙內(nèi)顆粒物濃度與座艙容積、通風(fēng)量均無關(guān)。

對公式(3)進行拉氏變換，即可得座艙內(nèi)顆粒物濃度變化的時間常數(shù)τ計算公式為：

(6)

即座艙內(nèi)顆粒物濃度達(dá)到穩(wěn)定的時間只與座艙容積、通風(fēng)量、再循環(huán)比例及再循環(huán)過濾器效率有關(guān)，與艙外環(huán)境的顆粒物濃度等因素?zé)o關(guān)。

當(dāng)座艙內(nèi)顆粒物濃度不滿足飛機座艙環(huán)境舒適性需求時，需增加過濾器。過濾器效率值的求解過程應(yīng)為穩(wěn)態(tài)過程，即艙內(nèi)顆粒物濃度達(dá)到穩(wěn)定最大值時，對應(yīng)的過濾器效率即為最低過濾效率值。

根據(jù)公式(4)，可得到引氣過濾器效率計算公式為：

(7)

當(dāng)不考慮艙內(nèi)源時，公式(7)可簡化為：

(8)

由公式(8)可知，引氣過濾器效率與通風(fēng)量無關(guān)。

根據(jù)公式(4)，可得到再循環(huán)過濾器效率計算公式：

ηr=1-

(9)

當(dāng)不考慮艙內(nèi)源時，公式(9)可簡化為：

(10)

由公式(10)可知，再循環(huán)過濾器效率與通風(fēng)量無關(guān)。

3 顆粒物濃度評估

以某客機為例，采用上述計算方法對座艙內(nèi)顆粒物濃度進行評估分析。

3.1 計算輸入分析

計算時取客艙容積為500 m3，再循環(huán)比例為0.5。

艙外環(huán)境顆粒物濃度基于目前中國主要五大機場(北京首都國際機場、上海浦東國際機場、上海虹橋國際機場、廣州白云國際機場、深圳寶安國際機場)和天津濱海國際機場在2014年P(guān)M2.5和PM10平均值得到[11]。由于圖1中數(shù)據(jù)為顆粒物濃度平均值，本文選取各機場濃度最大值并上浮50%作為本次計算艙外環(huán)境顆粒物濃度極限值，故PM2.5極限值取126 μg/m3；PM10極限值取207 μg/m3。

圖1 中國主要機場顆粒物濃度平均值

艙外污染物通過發(fā)動機引氣進入環(huán)控系統(tǒng)，在經(jīng)過系統(tǒng)各個部件后會出現(xiàn)沉降。顆粒物的沉降包括氣流經(jīng)過彎頭較多、管路較細(xì)或表面積較大的復(fù)雜管路或設(shè)備表面時，顆粒物的自主沉降；以及氣流經(jīng)過機械旋轉(zhuǎn)部件、洗滌裝置等設(shè)備，導(dǎo)致顆粒物與氣流分離，從而實現(xiàn)氣流中顆粒物濃度降低。這兩種方式的去除均以沉降率進行定量描述。研究表明，0.3 μm的細(xì)小顆粒在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)的沉降率約為75%，且沉降率隨顆粒粒徑的增大而增大[11-12]。本文取艙外空氣顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)的總沉降率為75%。

3.2 濃度評估計算

根據(jù)公式(1)至公式(4)建立座艙內(nèi)顆粒物濃度計算模型。分別取濃度值Cout為126 μg/m3和207 μg/m3，計算得到座艙內(nèi)的PM2.5和PM10濃度變化趨勢，結(jié)果如圖2所示。

(1)PM2.5濃度變化趨勢

由圖2可知，當(dāng)外界環(huán)境PM2.5濃度恒定為126 μg/m3，初始濃度為0 μg/m3，約1 945 s后座艙內(nèi)PM2.5濃度達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值為31.5 μg/m3。當(dāng)外界環(huán)境PM10濃度恒定為207 μg/m3，初始濃度為0 μg/m3，約2 055 s后座艙內(nèi)PM10濃度達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值為51.75 μg/m3。

由第2章分析可知，不考慮艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物時，達(dá)到穩(wěn)定的艙內(nèi)顆粒物濃度與座艙容積、通風(fēng)量無關(guān)，即駕駛艙內(nèi)顆粒物穩(wěn)定值與客艙相同，即PM2.5為31.5 μg/m3，PM10為51.75 μg/m3。在不考慮艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物時，座艙顆粒物濃度無法滿足環(huán)境舒適性設(shè)計需求。因此，需要增加過濾器。

由公式(4)可知，引氣過濾器效率與再循環(huán)過濾器效率間相互耦合，共同影響達(dá)到穩(wěn)定的艙內(nèi)顆粒物濃度?；诠?8)或公式(10)建立過濾器效率計算模型，得到在座艙內(nèi)顆粒物PM2.5及PM10濃度滿足設(shè)計需求的前提下，引氣過濾器效率與再循環(huán)過濾器效率間的相互關(guān)系。

(1)PM2.5

由圖3可知，針對PM2.5，不安裝再循環(huán)過濾器時，需保證引氣過濾器效率不低于5.5%，即可使座艙內(nèi)顆粒物PM2.5濃度滿足設(shè)計需求；不安裝引氣過濾器時，再循環(huán)過濾器效率最低限值要求為26%。針對PM10，不安裝再循環(huán)過濾器時，需保證引氣過濾器效率不低于0.9%，即可使座艙內(nèi)顆粒物PM10濃度滿足設(shè)計需求；不安裝引氣過濾器時，再循環(huán)過濾器效率最低限值要求為3.5%。若已知引氣過濾器效率或再循環(huán)過濾器效率值，即可通過查圖3得到對應(yīng)的再循環(huán)過濾器或引氣過濾器的最低效率限值。綜合PM2.5和PM10的再循環(huán)過濾器效率及引氣過濾器效率，取其最大值即可作為座艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計過濾器效率的最低限值。

4 結(jié)論

本文以某型民用飛機為研究對象，提出飛機座艙顆粒物濃度評估方法。通過對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻調(diào)研并進行指標(biāo)權(quán)衡分析，得到顆粒物濃度權(quán)衡指標(biāo)限值。以舒適值作為設(shè)計需求，對某民用飛機通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案的需求符合性進行評估。結(jié)果表明，不考慮艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物時，達(dá)到穩(wěn)定的艙內(nèi)顆粒物濃度與座艙容積、通風(fēng)量無關(guān)，座艙內(nèi)顆粒物濃度穩(wěn)定值PM2.5為31.5 μg/m3，PM10為51.75 μg/m3。針對顆粒物增加過濾器，得到在座艙內(nèi)顆粒物濃度滿足設(shè)計需求的前提下，引氣過濾器效率與再循環(huán)過濾器效率間的相互關(guān)系。不安裝再循環(huán)過濾器時，引氣過濾器效率最低限值為5.5%；不安裝引氣過濾器時，再循環(huán)過濾器效率最低限值要求為26%。