綠色建筑室內(nèi)空氣凈化技術(shù)效果評(píng)測研究

張鵬 吳瓊 彭嫚 劉芳

1 中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

2 國住人居工程顧問有限公司

3 建筑環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

4 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

室內(nèi)空氣中的可吸入顆粒物和裝修污染物會(huì)導(dǎo)致在室人員產(chǎn)生不舒適的感覺，如頭暈、煩躁、惡心等，甚至還會(huì)引發(fā)病態(tài)建筑綜合癥（SBS）、與建筑有關(guān)的疾?。˙RI）以及多種化學(xué)污染物過敏癥（MCS）[1]等系列疾病。因此，如何利用現(xiàn)有評(píng)測技術(shù)，量化空氣凈化技術(shù)的效能等，判斷建筑是否達(dá)到建筑使用者“健康”，“適用”和“高效”的要求，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

1 研究背景

京津冀地區(qū)是全國空氣污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一，居民及消費(fèi)者對(duì)室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的使用需求較為普遍。益普索Ipsos 發(fā)布的《2018 居住健康舒適需求調(diào)研報(bào)告》中指出，七成以上中高收入人群家庭面臨家居污染嚴(yán)重的問題，對(duì)健康升級(jí)需求提高，為了進(jìn)一步改善室內(nèi)居住環(huán)境，大眾平均愿意支付約8000 元/年，但針對(duì)市面上幾種主流的空氣凈化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，還缺乏專門性的對(duì)比研究，導(dǎo)致了消費(fèi)者忽視自身家居最主要的污染風(fēng)險(xiǎn)、盲目采用集成概念多的產(chǎn)品而帶來的能效浪費(fèi)和效率下降。此外，對(duì)于一般設(shè)計(jì)人員，在工程設(shè)計(jì)階段，對(duì)于如何正確識(shí)別建筑室內(nèi)污染源并選用適宜的凈化技術(shù)，保障居室內(nèi)空間能夠快速有效地得到改善，也還存在概念不清晰，缺乏效果實(shí)際體驗(yàn)等問題，因此有必要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證式的探索。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有凈化技術(shù)評(píng)測方法形式單一、靈活度低、可視化程度低的問題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種由凈化技術(shù)檢測裝置、小型集成化多污染監(jiān)測技術(shù)、多元非線性回歸技術(shù)數(shù)學(xué)模型三部分組成的評(píng)測方案：

空氣凈化技術(shù)檢測裝置（如圖1），與現(xiàn)有檢測方法相比，本裝置實(shí)現(xiàn)了如下靈活可調(diào)、操作簡單、數(shù)據(jù)記錄和實(shí)驗(yàn)過程可視化的優(yōu)點(diǎn)：

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置模型圖

a）通過設(shè)置污染物發(fā)生器，可以產(chǎn)生不同類型的污染物（PM2.5、甲醛氣體、VOCs 等），通過設(shè)置多個(gè)卡槽，置放不同的凈化模塊，能夠檢測不同凈化技術(shù)（如HEPA、活性炭等）對(duì)同一類型污染物在不同風(fēng)速下的凈化效果。能夠檢測同種凈化技術(shù)對(duì)不同類型的污染物在不同風(fēng)速下的凈化效果。能夠通過設(shè)置凈化模塊的組成個(gè)數(shù)和間距，以檢測不同凈化技術(shù)的協(xié)同作用，以及不同種類的凈化技術(shù)的集成順序?qū)艋Ч挠绊憽?/p>

b）箱體采用亞克力透明材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程的全程可視化，能夠觀測到箱體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)過程，隨時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)過程中的情況，以便隨時(shí)應(yīng)對(duì)。

c）設(shè)置風(fēng)機(jī)調(diào)速器，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，以檢測不同風(fēng)速對(duì)凈化技術(shù)效率的影響。

d）可分模塊安裝，結(jié)構(gòu)簡單，安裝和拆卸方便，通用性強(qiáng)。

小型集成化多污染監(jiān)測技術(shù)，即室內(nèi)環(huán)境檢測終端AirBox 傳感器，可同時(shí)自動(dòng)記錄室內(nèi)PM2.5、甲醛、VOCs 等污染物濃度以及溫度、濕度等，在檢測裝置外（室內(nèi)）設(shè)置攪拌風(fēng)扇和空氣檢測傳感器1，實(shí)時(shí)記錄室內(nèi)污染物均勻濃度，代表凈化技術(shù)的循環(huán)凈化效率；在裝置內(nèi)，凈化模塊與風(fēng)機(jī)之間的凈化段，設(shè)置傳感器2，實(shí)時(shí)記錄污染物經(jīng)過濾網(wǎng)凈化后的污染物濃度，代表凈化技術(shù)的單次凈化效率。傳感器通過網(wǎng)絡(luò)可與手機(jī)APP 或電腦軟件相連，實(shí)時(shí)將傳感器檢測數(shù)據(jù)和曲線傳送到手機(jī)和電腦上，也可以選擇日期下載數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程同時(shí)監(jiān)測或下載任何時(shí)間段的數(shù)據(jù)。

圖2 評(píng)測原型樣機(jī)實(shí)物照片

3 研究方法

3.1 凈化技術(shù)選擇依據(jù)

本課題在經(jīng)過技術(shù)專利比例、用戶需求、市場滲透率三個(gè)方面綜合考量后（圖3），選用HEPA 技術(shù)、活性炭技術(shù)和光觸媒技術(shù)三種典型主流技術(shù)進(jìn)行了評(píng)測比對(duì)。

圖3 市場主流技術(shù)的各方面對(duì)比

3.2 室內(nèi)空氣污染環(huán)境模擬與凈化

經(jīng)過前期試驗(yàn)測試，本項(xiàng)目使用燃燒成分最接近霧霾的金鹿牌蚊香（圖4）來模擬室內(nèi)可吸入顆粒物濃度超標(biāo)環(huán)境，使用甲醛AR 溶液稀釋至30%～40%，靜置室內(nèi)揮發(fā)，以模擬室內(nèi)裝修污染環(huán)境（圖5）。實(shí)驗(yàn)房間為36 m3大小，釋放污染物至空氣嚴(yán)重污染的程度（PM2.5＞250 μg/m3，甲醛濃度約0.35 mg/m3，接近新房剛裝修完畢的狀態(tài)），從室內(nèi)取出污染源，開啟凈化裝置，記錄時(shí)間，房間密封。每隔1 min 記錄一次傳感器1 和傳感器2 的數(shù)據(jù)，待室內(nèi)空氣凈化至國家標(biāo)準(zhǔn)（PM2.5＜35 μg/m3，甲醛濃度≤0.1 mg/m3）以下，關(guān)閉檢測裝置，整理傳感器數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 霧霾模擬-蚊香燃燒

圖5 室內(nèi)裝修模擬-甲醛靜置揮發(fā)

3.3 數(shù)據(jù)記錄與分析

本項(xiàng)目進(jìn)行了如下5 項(xiàng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：

1）使用HEPA 技術(shù)凈化PM2.5 顆粒物；

2）使用活性炭技術(shù)凈化PM2.5 顆粒物；

3）使用光觸媒技術(shù)凈化甲醛氣體；

4）使用活性炭技術(shù)凈化甲醛氣體；

5）使用HEPA+光觸媒+活性炭集成技術(shù)凈化PM2.5+甲醛的復(fù)雜污染物環(huán)境。

室內(nèi)污染環(huán)境模擬完畢后，開啟凈化裝置時(shí)的時(shí)間設(shè)置為t0，室內(nèi)初始濃度為c0，每隔1 min 記錄數(shù)據(jù)，至t min 凈化結(jié)束后，整理數(shù)據(jù)，總結(jié)濃度下降趨勢(shì)線，可以橫向?qū)Ρ炔煌瑑艋夹g(shù)的凈化效率，即只看傳感器1 的數(shù)據(jù)，計(jì)算某一種凈化技術(shù)循環(huán)凈化效率：

式中：c0為室內(nèi)（傳感器1）初始濃度，ct為凈化后（傳感器1）達(dá)標(biāo)濃度。

循環(huán)凈化效率代表建筑通風(fēng)系統(tǒng)的凈化效率，E越大，建筑室內(nèi)空氣凈化效率越高。

也可以縱向?qū)Ρ韧粌艋夹g(shù)在不同污染物濃度環(huán)境下的凈化效率，即同一時(shí)間c（n0＜n≤t）凈化模塊前后的傳感器所記錄的濃度差，也是單次凈化效率：

式中：cn為進(jìn)風(fēng)側(cè)濃度，也是室內(nèi)污染物濃度（傳感器1），cn’為出風(fēng)側(cè)濃度（傳感器2）。

單次凈化效率代表凈化技術(shù)的凈化效率，E’越大，凈化技術(shù)效率越高。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

4.1 PM2.5 的凈化實(shí)驗(yàn)

針對(duì)PM2.5 的凈化技術(shù)評(píng)測實(shí)驗(yàn)（圖6），每分鐘記錄的數(shù)據(jù)結(jié)合多元非線性回歸技術(shù)模擬出整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的趨勢(shì)線，可以看出現(xiàn)有凈化技術(shù)在顆粒物等固態(tài)物污染治理方面不存在瓶頸，HEPA 技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)高效凈化，而HEPA+活性炭+光觸媒3 種技術(shù)集成的效果略高于單一HEPA 技術(shù)，整體凈化趨勢(shì)類似HEPA 技術(shù)，均在1 小時(shí)內(nèi)將空氣從嚴(yán)重污染凈化至等級(jí)“優(yōu)”（0～35 μg/m3），凈化效率均在97%以上。

圖6 三組技術(shù)凈化PM2.5 評(píng)測比對(duì)

根據(jù)室外霧霾污染程度來計(jì)算進(jìn)入室內(nèi)的空氣固態(tài)污染物濃度降到一級(jí)空氣品質(zhì)（0～35 μg/m3）所需時(shí)間（min）如表1：

表1 不同室外霧霾污染降到一級(jí)空氣品質(zhì)所需時(shí)間（min）

消費(fèi)者或樓宇物業(yè)管理人員可根據(jù)當(dāng)天的空氣品質(zhì)情況，選擇適宜的除霾技術(shù)和運(yùn)行時(shí)間。

4.2 甲醛氣體污染的凈化實(shí)驗(yàn)

針對(duì)甲醛氣體的凈化技術(shù)評(píng)測實(shí)驗(yàn)，時(shí)間較長，每隔5 分鐘篩選1 個(gè)數(shù)據(jù)匯總出折線圖（圖7），可以看出單獨(dú)使用活性炭或光觸媒技術(shù)只能將甲醛從0.40 mg/m3凈化至0.15-0.18 mg/m3的程度，活性炭下降速率為0.153mg/h，光觸媒為0.198 mg/h，是活性炭的1.3 倍，兩者均不能凈化至0.1 mg/m3以下；而HEPA+活性炭+光觸媒集成技術(shù)能在兩小時(shí)內(nèi)凈化至GB/T 18883《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的0.1 mg/m3以下，能在8 小時(shí)內(nèi)凈化至穩(wěn)定狀態(tài)0.05 mg/m3以下。

圖7 三組技術(shù)集成凈化甲醛評(píng)測比對(duì)

根據(jù)室內(nèi)裝修污染程度來計(jì)算室內(nèi)空氣凈化至國標(biāo)以下（0.1 mg/m3）所需時(shí)間（min）如表2、3：

表2 活性炭和光觸媒對(duì)室內(nèi)污染凈化效果

表3 HEPA+活性炭+光觸媒對(duì)室內(nèi)污染凈化效果

從表2、3 可以看出，氣態(tài)污染物在較高濃度的污染環(huán)境中凈化速率比較快，而在日常生活的污染物低濃度（甲醛0.1 mg/m3左右）環(huán)境，凈化效率只在40%～60%之間，而且采用單一技術(shù)基本不能凈化至國家標(biāo)準(zhǔn)限值以下，因此，應(yīng)根據(jù)室內(nèi)裝修情況和污染濃度采用相應(yīng)的集成技術(shù)。

綜合以上兩種不同類型污染物的凈化實(shí)驗(yàn)，在京津冀霧霾嚴(yán)重地區(qū)，HEPA 技術(shù)能快速過濾掉絕大多數(shù)的細(xì)顆粒物，而在HEPA 濾網(wǎng)之前先使用活性炭吸附進(jìn)行中效過濾，既能實(shí)現(xiàn)高效過濾固態(tài)污染物又可以延長HEPA 濾網(wǎng)的使用時(shí)間。而在氣態(tài)污染物處理方面，效率和耗時(shí)明顯低于固態(tài)污染物，光觸媒、活性炭等單一技術(shù)只在中高濃度污染環(huán)境中有效，低濃度環(huán)境中基本無效，但集成技術(shù)存在一定程度的效果疊加作用，能明顯提高凈化效率至89%左右，極大縮短了凈化時(shí)間。

5 結(jié)論

現(xiàn)有空氣凈化技術(shù)評(píng)測多在環(huán)境艙內(nèi)模擬研究，污染物釋放濃度高，成分相對(duì)穩(wěn)定單一，與實(shí)際污染環(huán)境偏離較大[2]。本項(xiàng)目研究的室內(nèi)空氣凈化技術(shù)評(píng)測，所得的不同污染濃度下所需的凈化時(shí)間，能夠指引消費(fèi)者需要根據(jù)自身家居污染情況選擇適宜的凈化技術(shù)產(chǎn)品，不必盲目選擇過多的技術(shù)集成；對(duì)于科研人員，依托現(xiàn)有凈化技術(shù)，加強(qiáng)提高氣態(tài)污染物在低濃度污染環(huán)境中凈化效率的研究，進(jìn)一步做到普適性與專一性兼顧，完善相應(yīng)的檢測及治理技術(shù)。