學(xué)校教室室內(nèi)PM2.5污染控制策略研究

鄭 磊

（同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 200092）

目前，國內(nèi)大部分城市的室外環(huán)境質(zhì)量不容樂觀，室外PM2.5污染物會經(jīng)由圍護結(jié)構(gòu)滲透及門窗通風(fēng)等方式進入室內(nèi)。尤其是學(xué)校內(nèi)教室空間，往往無任何防控措施，在霧霾季節(jié)，一旦開窗通風(fēng)就會導(dǎo)致學(xué)生暴露在PM2.5高濃度污染的環(huán)境下，但僅采取關(guān)窗阻擋的方式又會導(dǎo)致室內(nèi)CO2濃度嚴(yán)重超標(biāo)，且PM2.5污染物的控制效果也不顯著。因此，需要利用新風(fēng)及PM2.5過濾系統(tǒng)實現(xiàn)教室內(nèi)PM2.5的控制及空氣品質(zhì)的提升。

1 當(dāng)前室內(nèi)空氣污染物現(xiàn)狀

在人們?nèi)粘５氖覂?nèi)生活和工作環(huán)境中，最常見的污染物就是灰塵?？諝庵械幕覊m有的肉眼可見，有的不可見。相對大一些的微小顆粒，在強烈的陽光照耀下，人們通過肉眼就能觀察到，這些灰塵通過呼吸作用進入身體內(nèi)部，可能會引起呼吸道不適，造成咳嗽等癥狀，進而誘發(fā)其他病癥，對人體健康造成危害。一些肉眼不可見的污染物，由于顆粒比較小，很難通過肉眼分辨，這類污染物中很可能包含一些病毒、細菌，通過呼吸作用進入人體后，對人體的呼吸系統(tǒng)造成感染，誘發(fā)病癥，使得人們的正常呼吸受到阻礙。在肉眼不可見的污染物中，PM2.5是最常見的一種。PM2.5是對空氣懸浮微粒直徑≤2.5mm的顆粒物質(zhì)的統(tǒng)稱，這類物質(zhì)顆粒直徑小、質(zhì)量輕，并可能攜帶重金屬、微生物等有害物質(zhì)。PM2.5對空氣質(zhì)量的影響很大，同樣，對人體健康的影響也很大。此外，這類污染物還有無機和有機之分，無機污染物主要指的是燃燒、汽車尾氣等帶來的SO2、NO2等物質(zhì)，這類物質(zhì)同樣對人體有害。

2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在改善室內(nèi)空氣品質(zhì)中的應(yīng)用

室內(nèi)空氣污染的源頭有很多，而空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)作為內(nèi)外空氣交換的媒介，是改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要手段和途徑。目前，對于PM2.5的控制技術(shù)，主要以通風(fēng)稀釋、攔截或吸附過濾為主。

2.1 對污染源進行通風(fēng)稀釋

通風(fēng)能夠增加空氣的流動性，這樣，空氣中的污染物質(zhì)可隨著空氣的流動得到一定程度的稀釋，因此增強室內(nèi)環(huán)境的通風(fēng)，并引入潔凈新風(fēng)來對污染物進行稀釋是十分有必要的。但在通風(fēng)稀釋污染物的同時也應(yīng)當(dāng)注意，若室內(nèi)和室外空氣的溫度差較大，則不建議直接引入室外空氣進行室內(nèi)的通風(fēng)稀釋，因為這樣會導(dǎo)致空調(diào)能耗上升及室內(nèi)環(huán)境舒適性的下降。

為有效改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，在對室內(nèi)進行通風(fēng)稀釋的時候，應(yīng)當(dāng)合理地設(shè)計通風(fēng)氣流，借助通風(fēng)使室內(nèi)污染物能夠得到有效排除。但是近年來空氣污染問題日益嚴(yán)重，霧霾天氣頻現(xiàn)，空氣中的可吸入顆粒物增多，甚至室外的空氣質(zhì)量不如室內(nèi)。雖然隨著整治力度的加大，近期室外空氣環(huán)境中PM2.5污染物相較于前幾年有所改善，但控制結(jié)果距離健康的空氣環(huán)境仍舊甚遠。這種情況下，若不做過濾處理就直接進行通風(fēng)稀釋，效果微乎其微，反而可能會使室內(nèi)的空氣質(zhì)量變差。

2.2 對室內(nèi)PM2.5污染進行過濾

對空氣中污染物的過濾，主要是通過在室內(nèi)末端設(shè)備的回風(fēng)端口或送風(fēng)端口設(shè)置空氣過濾器，以此實現(xiàn)對空氣中的污染物質(zhì)的過濾，這是目前暖通空調(diào)空氣凈化技術(shù)中最常見的一種方式。根據(jù)其凈化的效率，空氣過濾器可以分為高效過濾器、中效過濾器和低效過濾器，具體如何選用則需要根據(jù)室外空氣的污染程度和室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)進行選型設(shè)計。

在使用過程中應(yīng)注意，空氣過濾器的過濾效果受很多因素的影響，良好的過濾效果能夠有效減少空氣中的顆粒物，提高空氣的質(zhì)量?？諝膺^濾器也需要及時進行更換，避免微塵在過濾器上堆積，對通往室內(nèi)的空氣造成二次污染。

3 學(xué)校教室室內(nèi)PM2.5物理及數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)學(xué)校教室空間的室內(nèi)狀態(tài)及通風(fēng)設(shè)備，對其室內(nèi)PM2.5的質(zhì)量濃度影響因素進行物理模型的建立，如圖1所示。學(xué)校教室空間一般無空調(diào)，基本靠門窗通風(fēng)實現(xiàn)溫度調(diào)整。為實現(xiàn)教室室內(nèi)PM2.5濃度的控制，考慮在學(xué)校教室空間內(nèi)增加新風(fēng)設(shè)備，改善人員密度較高時帶來的CO2濃度嚴(yán)重超標(biāo)問題，同時通過過濾裝置的追加，實現(xiàn)在室內(nèi)新風(fēng)引入的同時，將室外PM2.5污染源隔離在外的目標(biāo)。

圖1 室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度影響因素

根據(jù)圖1建立學(xué)校教室室內(nèi)PM2.5濃度平衡方程式，如下：

式中：Qf為新風(fēng)系統(tǒng)新風(fēng)，m3/h；C0為室外顆粒物濃度，g/m3；ηf為新風(fēng)過濾效率；QP為圍護結(jié)構(gòu)滲透風(fēng)，m3/h；P為滲透系數(shù)；Qn為室內(nèi)自然風(fēng)，m3/h；Mr為室內(nèi)表面顆粒物揚塵量，μg；Ci為室內(nèi)顆粒物濃度，μg/m3；Ms為室內(nèi)顆粒物沉降量，μg。另外，圖中V為室內(nèi)體積，m3；M為室內(nèi)人員產(chǎn)塵量，μg。

當(dāng)室內(nèi)無新風(fēng)時，由于建筑非完全密閉，存在圍護結(jié)構(gòu)滲透風(fēng)，若開啟門窗，受自然風(fēng)的影響，會將室外PM2.5污染帶入室內(nèi)，加上室內(nèi)學(xué)生密集，人員活動導(dǎo)致?lián)P塵等的產(chǎn)生，在室外PM2.5濃度較高時，室內(nèi)PM2.5濃度也同樣存在過高的問題。為簡化模型，不考慮室內(nèi)表面揚塵與沉降的影響，則上式可以簡化為：

當(dāng)室內(nèi)采用新風(fēng)過濾設(shè)備，存在新風(fēng)時，為達到較好的室內(nèi)PM2.5控制效果，一般新風(fēng)會采用微正壓，則圍護結(jié)構(gòu)滲透風(fēng)與自然風(fēng)造成的室內(nèi)PM2.5污染基本可以忽略。為簡化模型，不考慮室內(nèi)表面揚塵與沉降的影響，則上式可以簡化為：

則：

由公式（4）可見，當(dāng)室外PM2.5濃度不變、新風(fēng)量不變的情況下，室內(nèi)PM2.5濃度與新風(fēng)過濾效率成反比；當(dāng)新風(fēng)量不變、過濾效率不變的情況，室內(nèi)PM2.5濃度與室外PM2.5濃度呈線性相關(guān)性。

4 基于某實際項目采用新風(fēng)追加過濾裝置的控制效果分析

針對上海某學(xué)校六年級一班教室采用新風(fēng)追加過濾裝置前后其室內(nèi)PM2.5濃度及CO2濃度變化情況進行測試，該教室面積為102m2，無空氣處理設(shè)備，測試分別針對如下幾種情況進行：（1）教室無新風(fēng)及過濾裝置時，開關(guān)門窗前后；（2）采用新風(fēng)及過濾裝置后，室內(nèi)無人員活動時；（3）采用新風(fēng)及過濾裝置后，學(xué)生正常上課。在這三個條件下，測試其室內(nèi)PM2.5及CO2濃度的變化情況。

在滿足上述控制條件時，通過粉塵測試儀器及CO2濃度檢測進行室內(nèi)空氣參數(shù)的記錄。測試期間僅對控制條件進行嚴(yán)格控制，其余人員活動等行為均依照學(xué)生正常教學(xué)上課行為進行。

該次測試采用型號為MetOne831粉塵測試儀及鑫斯特HT2000的CO2濃度測試設(shè)備進行布置，設(shè)備詳細參數(shù)如圖2所示。

圖2 測試設(shè)備的詳細參數(shù)表

針對上述測試條件，該期間測試結(jié)果如下：

（1）教室無新風(fēng)及過濾裝置時，開關(guān)門窗前后的室內(nèi)外PM2.5及CO2濃度變化如圖3所示。關(guān)閉門窗測試時段為7：00—9：15，在該時間段內(nèi)進行室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測。9：15后按照正常的教室使用習(xí)慣進行門窗的開關(guān)。根據(jù)測試結(jié)果，門窗關(guān)閉時，室內(nèi)CO2濃度急速上升至5300mg/L，室內(nèi)PM2.5濃度則相對穩(wěn)定，受室外PM2.5濃度變化影響不大；當(dāng)門窗開啟后，室內(nèi)CO2濃度驟降，而室內(nèi)PM2.5則與室外PM2.5濃度呈線性相關(guān)性，且室內(nèi)PM2.5濃度上升。

圖3 無新風(fēng)過濾裝置時開關(guān)門窗后的室內(nèi)外PM2.5及CO2濃度變化

（2）采用新風(fēng)及過濾裝置后，選取周末教室無人時進行了12h測試，測試結(jié)果如圖4所示。在門窗關(guān)閉狀態(tài)下，新風(fēng)全熱交換器開啟，室內(nèi)PM2.5濃度基本不受室外濃度變化，其影響甚微。該測試狀態(tài)下室內(nèi)無其他影響因素，室內(nèi)控制結(jié)果基本接近于過濾設(shè)備本身的過濾效率，該狀態(tài)下的控制效果較為理想。且CO2濃度也與室外CO2濃度接近，由此可見新風(fēng)設(shè)備對CO2濃度控制較佳。

圖4 室內(nèi)無人活動時室內(nèi)外PM2.5及CO2的濃度變化

圖5 安裝新風(fēng)過濾裝置后的室內(nèi)外PM2.5及CO2濃度變化

（3）采用新風(fēng)及過濾裝置后，設(shè)備在正常使用下，室內(nèi)PM2.5及CO2濃度控制效果如圖5所示。在項目實際使用過程中，一定存在室內(nèi)人員活動的影響因素，以及一些人員進出行為導(dǎo)致的室內(nèi)PM2.5濃度波動，因此該項目同時測試了實際教室上課時室內(nèi)PM2.5及室內(nèi)CO2的控制效果。

根據(jù)測試結(jié)果，當(dāng)上課期間門窗緊閉時，室內(nèi)PM2.5濃度得到有效控制；當(dāng)課間人員進出，門開啟后，室內(nèi)PM2.5濃度污染上升，但CO2濃度下降；當(dāng)開始上課后，室內(nèi)PM2.5濃度下降，CO2濃度略有上升，但也基本維持在1000mg/L左右，室內(nèi)空氣品質(zhì)得到有效改善和控制。

綜上實測效果所得，針對學(xué)校教室空間，采用新風(fēng)追加過濾裝置能對室內(nèi)PM2.5污染控制實現(xiàn)較好的改善與控制，且同時滿足室內(nèi)CO2濃度不會超標(biāo)的要求，是一個相對便捷有效的控制方式。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，國內(nèi)空氣污染情況日益嚴(yán)重，室外的空氣質(zhì)量不容樂觀，為了保障人們室內(nèi)的生活環(huán)境，在空氣處理系統(tǒng)中增加新風(fēng)引入及過濾裝置是十分有必要的。暖通空氣凈化技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)根據(jù)污染物質(zhì)的特性，靈活選擇合適的空氣凈化技術(shù)。由于空氣中存在多種污染物，可以采用多管齊下的方式，對空氣中的污染物質(zhì)進行有效凈化，使人們在室內(nèi)呼吸的空氣質(zhì)量有一定的保障。同時，對于空氣凈化裝置，需要加強后期的檢修和維護，避免對室內(nèi)空氣造成二次污染。