謝偉 李龍 黃亦平 司鵬飛

1中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

2中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院

通風(fēng)混合系數(shù)對(duì)過濾器效率的影響分析

謝偉1李龍1黃亦平1司鵬飛2

1中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

2中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院

為了滿足空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)PM10質(zhì)量濃度和送風(fēng)口PM10質(zhì)量濃度要求，通過質(zhì)量平衡方程建立一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)過濾器選型模型。由于室內(nèi)顆粒物混合是不均勻的，對(duì)空調(diào)模型進(jìn)行修正，結(jié)合工程實(shí)例分析混合系數(shù)對(duì)過濾器效率的影響。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)混合系數(shù)由0.5增加至1.0時(shí)，主過濾器效率由88.2%降低至28.3%，降低了70%。

PM10混合系數(shù)過濾器

0引言

大多數(shù)人70%～90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的[1～2]，Smith K.R指出室內(nèi)空氣顆粒物污染占整個(gè)室內(nèi)空氣污染的76%[3]。室內(nèi)顆粒物污染控制對(duì)人體健康危險(xiǎn)評(píng)估尤為重要。

2002年頒布的GB/T 18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[4]要求室內(nèi)P的平均質(zhì)量濃度不超過0.15mg/m3；同時(shí)，衛(wèi)生部于2006年制定的《公共場所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》[5]規(guī)定了送風(fēng)氣流中的PM10的質(zhì)量濃度不超過0.08mg/m3，以控制室內(nèi)PM10對(duì)人體健康的危害。

目前，室內(nèi)顆粒污染物主要通過空氣過濾器控制的，文獻(xiàn)[6～7]在假設(shè)空調(diào)房間顆粒物均勻分布的基礎(chǔ)上計(jì)算出過濾器效率，考慮到通風(fēng)混合的不均勻性，本文就通風(fēng)不均勻性對(duì)過濾器效率選型計(jì)算的影響進(jìn)行分析。

1過濾器效率的理論推導(dǎo)

文獻(xiàn)[6]給出舒適性空調(diào)系統(tǒng)在滿足《標(biāo)準(zhǔn)》時(shí)的空氣過濾器選型方法；司鵬飛[7]通過建立室內(nèi)顆粒物質(zhì)量平衡，進(jìn)一步給出了滿足《標(biāo)準(zhǔn)》和《規(guī)范》下的過濾器選型方法。

實(shí)際通風(fēng)狀態(tài)下，室內(nèi)空氣混合是不完善的，混合過程也不是瞬時(shí)的，形成所謂污染物濃度的不均勻性，引入通風(fēng)混合系數(shù)[8]，就通風(fēng)混合的不均勻性對(duì)室內(nèi)顆粒物均勻模型的影響進(jìn)行分析。

1.1滿足標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型

以一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為例，如圖1所示，推導(dǎo)非穩(wěn)態(tài)下、均勻混合時(shí)室內(nèi)PM10濃度的質(zhì)量平衡方程，即顆粒物的集總參數(shù)模型，如式（1）。

圖1一次回風(fēng)空調(diào)模型

式中：V為室內(nèi)體積，m3；Q1為一次回風(fēng)量，m3/h；Q2為新風(fēng)量，m3/h；Cw為室外PM10的質(zhì)量濃度，mg/m3；ηx、ηh、ηz分別為新風(fēng)過濾器、回風(fēng)過濾器、主過濾器的計(jì)重效率；G為室內(nèi)單位體積發(fā)塵量，mg/(m3·h)；K為顆粒物沉降率，1/h；Cn為室內(nèi)PM10濃度瞬時(shí)值，mg/m3；dCn為室內(nèi)顆粒物濃度的增量，mg/m3。

對(duì)式（1）經(jīng)過積分變換，可得室內(nèi)顆粒物濃度穩(wěn)態(tài)值為：

對(duì)式（2）進(jìn)行數(shù)學(xué)變換得主過濾器效率的表達(dá)式（3）：

式中：S為新風(fēng)比，S=Q2/Q；N為換氣次，N=Q/V，1/h。室內(nèi)發(fā)塵量可依據(jù)下式計(jì)算：

式中：Gp為人員發(fā)塵量，mg/(h·人)；F為室內(nèi)面積，m2；β為室內(nèi)面積與人員密度的折合系數(shù)；ρ為人員密度，人/m2。

1.2不均勻混合下滿足標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型

考慮實(shí)際通風(fēng)不均勻性，引入通風(fēng)混合系數(shù)λ，則實(shí)際計(jì)算主過濾器效率按照式（5）計(jì)算：

1.3滿足送風(fēng)口規(guī)范的模型

衛(wèi)生部制定的《公共場所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》規(guī)定了送風(fēng)氣流中的PM10濃度≤0.08mg/m3。

根據(jù)質(zhì)量平衡方程，計(jì)算送風(fēng)氣流中PM10濃度Ci，如式（6）所示：

式中：C∞為室內(nèi)PM10的平均質(zhì)量濃度，mg/m3，對(duì)式（6）經(jīng)數(shù)學(xué)變換得主過濾器表達(dá)式（7）。

對(duì)比式（5）和式（7）可知，通風(fēng)混合系數(shù)影響標(biāo)準(zhǔn)下的表達(dá)式，對(duì)送風(fēng)口濃度計(jì)算式無影響。

2分析與討論

在過濾器效率計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算出滿足《標(biāo)準(zhǔn)》和《規(guī)范》的主過濾器效率，然后取較大值作為空調(diào)系統(tǒng)主過濾器效率值。

2.1最小換氣次數(shù)

文獻(xiàn)[7～9]都給出了針對(duì)空調(diào)過濾系統(tǒng)的最小換氣次數(shù)，但都是在假設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)在室內(nèi)均勻混合時(shí)計(jì)算得出的。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在按照滿足標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算過濾器效率時(shí)，存在最小換氣次數(shù)。由式（5）可知，主過濾器效率ηz≤100%，可得最小換氣次數(shù)的計(jì)算式：

可得：N≥（G-KC∞）/λC∞，通風(fēng)空調(diào)過濾系統(tǒng)從控制室內(nèi)顆粒物污染角度存在一個(gè)最小換氣次數(shù)。

2.2有效換氣次數(shù)

空調(diào)系統(tǒng)從通風(fēng)有效性方面考慮，存在一個(gè)有效換氣次數(shù)，如式（9）所示：

式中：N'為有效換氣次數(shù)，1/h；N為實(shí)際換氣次數(shù)，1/h?；旌舷禂?shù)越大，有效換氣次數(shù)越接近實(shí)際通風(fēng)換氣次數(shù)。

2.3過濾器效率計(jì)算

對(duì)比式（5）和式（7），兩式做差可得式（10）：

計(jì)算結(jié)果滿足以下三種情況：

當(dāng)計(jì)算結(jié)果滿足式（11）時(shí)，計(jì)算主過濾器效率按式（7）計(jì)算；當(dāng)計(jì)算結(jié)果滿足式（13）時(shí)，計(jì)算主過濾器效率按式（5）計(jì)算。

3工程算例

3.1算例簡介

某建筑層高為3.9m，空調(diào)面積30m×60m，人員密度取0.3m2/人[10]，當(dāng)?shù)厥彝釶平均質(zhì)量濃度為00.10mg/m3，室內(nèi)允許PM10濃度為0.15mg/m3，送風(fēng)口允許PM10濃度為0.08mg/m3，室內(nèi)發(fā)塵量折合成人員計(jì)算為10mg/(h·人)[11]，PM10在室內(nèi)的沉降率為1/h[12]，空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)比為15%，換氣次數(shù)為10次/h，新、回風(fēng)配置過濾效率為20%。

3.2計(jì)算結(jié)果

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)換氣次數(shù)為10次/h，根據(jù)最小換氣次數(shù)的定義，依據(jù)式（8），可計(jì)算通風(fēng)混合系數(shù)的范圍：

經(jīng)計(jì)算該建筑通風(fēng)混合系數(shù)λ≥1.456。根據(jù)式（5）和相關(guān)參數(shù)可做出主過濾器效率與通風(fēng)混合系數(shù)λ的相關(guān)圖示，如圖2所示。

圖2通風(fēng)混合系數(shù)對(duì)過濾器效率的影響

根據(jù)式（12）計(jì)算臨界混合系數(shù)，λ=0.976，主過濾器效率ηz=30%；當(dāng)λ＞0.976時(shí)，過濾器效率按照式（7）計(jì)算結(jié)果計(jì)算，即過濾器效率取ηz=30%；當(dāng)0.456＜λ＜0.976時(shí)，過濾器效率按照式（5）計(jì)算結(jié)果計(jì)算。

當(dāng)λ≤0.456時(shí)，即公式不能滿足要求，應(yīng)考慮在房間局部污染物濃度較大的區(qū)域設(shè)置空氣自凈器。

由圖2可知，混合系數(shù)對(duì)主過濾器的影響較大，當(dāng)混合系數(shù)由0.5增加至1.0時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的有效換氣次數(shù)由5次/h增加到10次/h，同時(shí)主過濾器效率由88.2%降低至28.3%，降低了70%。

4結(jié)論

1）在實(shí)際通風(fēng)中，由于通風(fēng)混合的不均勻性，應(yīng)考慮混合系數(shù)對(duì)過濾器效率的影響，計(jì)算結(jié)果同時(shí)應(yīng)滿足《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《公共場所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》中對(duì)PM10的要求。

2）當(dāng)混合系數(shù)由0.5增加至1.0時(shí)，系統(tǒng)有效換氣次數(shù)由5次/h增加到10次/h，主過濾器效率由88.2%降低至28.3%，降低了70%。

3）在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要合理地設(shè)置送風(fēng)方式、室內(nèi)氣流組織、及房間尺寸等，以改善通風(fēng)混合的不均勻性。

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Ana lys is of the Influe nc e of Ve ntila tion Mixe d Coe ffic ie nt on Filte r Effic ie nc y

XIE Wei1,LI Long1,HUANG Yi-ping1,SI Peng-fei2
1 CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.
2 China Southwest Architecture Design Institute

In order to meet the requirements of the mass concentration of PM10in indoor air and supply air,establishes a mathematical model for filter selection of the primary return air conditioning system according to the mass conservation. The air conditioning model should be amended because the indoor particle mixing is uneven,analysis the impact of mixing coefficients on filter efficiency combined with practical engineering.The results show that the mixing coefficient increased from 0.5 to 1,the main filter efficiency decreased from 88.2%to 28.3%,reduced by 70%.

PM10,mixed coefficient,air filter

1003-0344（2014）05-035-3

2013-8-13

謝偉（1986～），男，碩士，助理工程師；武漢市武昌區(qū)民主路555號(hào)中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司（430071）；

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