基于控制室內(nèi)顆粒物的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周建平

(上海上實(shí)龍創(chuàng)智能科技股份有限公司,上海 200436)

城市空氣污染嚴(yán)重影響人們的身體健康,空氣中的污染顆粒物會影響人體的呼吸系統(tǒng)的健康,大氣中小直徑的顆粒物,如PM2.5、PM10 等的顆粒物不僅是灰霾天氣的元兇。且能在空氣中滯留時間較長時間(3-5 天),會隨風(fēng)進(jìn)行異地輸送。通常這些小顆粒對人的呼吸系統(tǒng)的健康影響較大。文章對市中心的辦公大廈空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,以達(dá)到有效控制室內(nèi)PM2.5 的目的,為控制建筑物的PM2.5 的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

上海上投資產(chǎn)項(xiàng)目空調(diào)及通風(fēng)工程地處黃浦區(qū)淮海中路上海市中心,主要的涉及項(xiàng)目內(nèi)容為區(qū)域內(nèi)空調(diào)、通風(fēng)等工程。每層建筑面積約3500m2,實(shí)用面積約3000m2。此工程項(xiàng)目包括三大系統(tǒng)：空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、新排風(fēng)系統(tǒng)。上海上投資產(chǎn)項(xiàng)目空調(diào)及通風(fēng)工程項(xiàng)目內(nèi)原有系統(tǒng)老舊、復(fù)雜、且系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。項(xiàng)目為高檔辦公場所,業(yè)主對空調(diào)及通風(fēng)健康要求比較高,除要符合常規(guī)辦公空調(diào)的要求外,還要滿足空氣顆粒度的要求,即室內(nèi)空氣中小顆粒物(PM10、PM2.5)要符合國家標(biāo)準(zhǔn)外,還要盡可能減少小,充分保證工作人員的健康。

2 PM 2.5 污染控制

2.1 室內(nèi)PM 2.5 危害及來源

根據(jù)GB3095-2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),國家的PM10 標(biāo)準(zhǔn)值為24 小時平均濃度小于150μg/m3,PM2.5 標(biāo)準(zhǔn)值為24 小時平均濃度小于75μg/m3。辦公場所顆粒物(PM10、PM2.5)的來源于室外和室內(nèi)兩大部分；室外部分是由外部空氣進(jìn)入室,通常由送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)、門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙的滲透、人員進(jìn)入室內(nèi)時門開啟時帶入,以及人員身上攜帶進(jìn)入室內(nèi)；空調(diào)建筑物由送風(fēng)系統(tǒng)帶入室內(nèi)為主。室內(nèi)的顆粒污染物主要是來源為吸煙、餐飲、裝修圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、涂料、人員活動及二次懸浮等。

2.2 通?？照{(diào)使用的空氣過濾器過濾作用

通常空調(diào)系統(tǒng)會采用FCU 回風(fēng)過濾器、新風(fēng)過濾器；這種過濾網(wǎng)一般采用纖維材料制作,因材料本身所限,只能達(dá)到粗濾的效果,從濾材的數(shù)據(jù)來看,好像對顆粒物有過濾作用,但在實(shí)際使用中,由于風(fēng)速、維護(hù)頻度、使用時間等原因,影響使用效果。

新風(fēng)過濾器,一般在新風(fēng)系統(tǒng)入口處安裝,是外部空氣主要入口途徑,材料比風(fēng)機(jī)盤管過濾要稍微細(xì)一點(diǎn),但是也只能達(dá)到粗效過濾的作用,是室內(nèi)與室外空氣溝通的橋梁,是室內(nèi)顆粒物的主要來源[1]。

從材料的過濾參數(shù)上看,這些材料似乎有過濾小顆粒物的作用,但過濾器由纖維結(jié)構(gòu)組成,在實(shí)際使用中,經(jīng)過空氣中較大顆粒的沖擊,或清洗過程中被水高壓沖洗,纖維結(jié)構(gòu)會有損壞,導(dǎo)致過濾污染顆粒物的效果大為降低,從而不能充分過濾空氣中有害顆粒物,無法保證顆粒物不對人體造成傷害。

3 駐電極纖維空氣凈化裝置

在項(xiàng)目實(shí)施中,采用愛啟環(huán)境的SNEP 駐電極高效凈化裝置,該裝置是納米碳纖維電場塵粒聚集空氣凈化裝置,是一種高效、低阻、節(jié)能的空氣凈化裝置。裝置由初效空濾、電場微粒聚集空氣凈化、納米光子空氣凈化、高效活性炭吸附、節(jié)能低噪風(fēng)機(jī)五個部件通過管路串接而成[2]。

在自然狀態(tài)下,空氣中的顆粒物不易聚結(jié)形成較大粒子,尤其是一些小顆粒物(PM10、PM2.5),如采用過濾的方法就要使用高效過濾器,這會增加過濾的阻力,增加能耗；同時高效過濾器的存污量相對較小、需頻繁更換[3]。SNEP 裝置采用在空間建立一個電場使小顆粒感應(yīng)成為帶有部分電量的電荷, 帶電小顆粒相互作用而聚集成較大的粒子, 在空調(diào)系統(tǒng)中較容易被過濾或被駐電極材料吸附,從空氣中分離出來,達(dá)到凈化空氣的目的。

本裝置產(chǎn)品主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

圖1 駐電極纖維空氣凈化裝置結(jié)構(gòu)圖

(1)收集效率高,風(fēng)速為2.5m/s 時,PM2.5 收集效率達(dá)92%以上；風(fēng)速為1.0m/s 時,PM2.5 收集效率達(dá)98%以上。

(2)SNEP 收集模塊可清洗后重復(fù)使用,清洗后再使用,不會改變收集小顆粒物的效果,設(shè)計(jì)壽命大于8 年。

(3)空調(diào)箱內(nèi)使用時風(fēng)阻約為50Pa,風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)使用時的風(fēng)阻約為10-20Pa,與中效濾網(wǎng)過濾相比,可減少風(fēng)機(jī)的能耗,節(jié)能率約為80%。

(4)SNEP 模塊厚度小于120mm,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)模塊化,便于在空調(diào)箱內(nèi)使用,可大幅降低安裝的要求,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,不易變形,維護(hù)方便。

4 空調(diào)凈化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)速在2.5m/s 及以下時,小顆粒物去除效果較好,要保持現(xiàn)場的良好環(huán)境,在滿足空調(diào)要求的前提下,保證顆粒物在凈化的較好的效果,必須對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制[4]。本文主要介紹室內(nèi)污染顆粒物的控制,關(guān)于一般空調(diào)的控制有較多文獻(xiàn),本文不再累述。

通過空氣質(zhì)量傳感器檢測到空氣的污染數(shù)據(jù),根據(jù)空氣的污染數(shù)據(jù),對風(fēng)機(jī)和凈化裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,在不影響空調(diào)使用的情況下,確保系統(tǒng)的風(fēng)速不大于2.5m/s；如圖2,控制系統(tǒng)主要由空氣質(zhì)量傳感器、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制裝置、風(fēng)機(jī)和凈化裝置五個部分組成。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制裝置為可編程控制器,其中,硬件主要包括內(nèi)部中央處理器、系統(tǒng)存儲器和控制器接口、電源等；中央處理器(CPU)作為整個可編程控制器的重要部分,能夠?qū)崿F(xiàn)信號傳輸,實(shí)施風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制和凈化裝置的開/關(guān)控制。

空氣質(zhì)量傳感器/溫濕度傳感器主要是指顆粒物質(zhì)量濃度傳感器和溫濕度傳感器；負(fù)責(zé)采集環(huán)境的信息數(shù)據(jù),并將信息發(fā)送到控制器,控制器輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行單元。

人機(jī)交互系統(tǒng)：用戶通過設(shè)置在控制面板上的按鍵、手/自轉(zhuǎn)化開關(guān)等,調(diào)整控制風(fēng)機(jī)、凈化器的工作模式,并通過顯示屏讀取顆粒物的參數(shù)及控制單元的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)人/機(jī)間的信息交流。

風(fēng)機(jī)為凈化器提供動力,引導(dǎo)污染空氣進(jìn)入凈化器,加快室內(nèi)空氣循環(huán),達(dá)到凈化效果。

空調(diào)凈化裝置主要有自動凈化、手動凈化和強(qiáng)力凈化三種方式。風(fēng)機(jī)支持三級調(diào)速,自動模式下,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)三級調(diào)速(低速、中速、高速)；快速凈化模式時風(fēng)機(jī)為高速狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)如下：(1)自動凈化,根據(jù)傳感器監(jiān)測的小顆粒物質(zhì)量濃度,自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和凈化裝置的開/關(guān)；(2)手動凈化,用戶控制面板手動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和凈化裝置的開/關(guān)；(3)強(qiáng)力凈化,風(fēng)機(jī)維持在最高轉(zhuǎn)速,凈化裝置開啟。凈化器的工作方式如表1。

表1 凈化器工作策略

5 新風(fēng)系統(tǒng)對室內(nèi)PM2.5 控制效果分析

2019 年上海地區(qū)累計(jì)有28 天為空氣顆粒(PM10、PM2.5)污染天氣,以1 月空氣細(xì)小顆粒物(PM10、pM2.5)濃度平均數(shù)60μg/m3為例,現(xiàn)場有兩臺風(fēng)量為6000m3/h 新風(fēng)機(jī),空調(diào)運(yùn)行時間為9 小時,凈化效率以90%計(jì)算:在冬季,每天通過空調(diào)系統(tǒng)帶進(jìn)室內(nèi)的污染顆粒物為：

未凈化處理時：6000m3/h*2*60μg/m3*9 小時=6480mg

凈化處理后：6480mg*(1-90%)=648mg

冬季,在辦公區(qū)域每個工作日的風(fēng)機(jī)帶入的顆粒物約有6480mg,再加上建筑物內(nèi)部的產(chǎn)生的顆粒物,有更多的有害顆粒物存在,長期在這樣的工作環(huán)境工作,不利于身體健康。經(jīng)空氣凈化處理后,污染物有大幅的降低,達(dá)到和超過國家一級標(biāo)準(zhǔn),對人體健康幾乎不產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論

本文基于室內(nèi)環(huán)境細(xì)小顆粒物(PM10、PM2.5)的問題,就改善空氣質(zhì)量的方法及控制的方法展開分析,經(jīng)過產(chǎn)品的應(yīng)用及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),為室內(nèi)環(huán)境細(xì)小顆粒物(PM10、PM2.5)污染問題提供了一個很好的解決辦法,創(chuàng)造出一個合理的生態(tài)辦公環(huán)境,有利于工作人員的身體健康,同時希望本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的空調(diào)控制系統(tǒng)給相關(guān)從業(yè)人員提供借鑒與參考。