吳兆波　郭強(qiáng)　王金良　張亮　王海林

(常州大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系　江蘇常州 213016)

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大氣污染治理

置換通風(fēng)下不同風(fēng)速對(duì)負(fù)離子凈化PM2.5的研究*

吳兆波郭強(qiáng)王金良張亮王海林

(常州大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系江蘇常州 213016)

摘要利用人工環(huán)境艙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從衰減常數(shù)、去除率等方面分析了在置換通風(fēng)下不同送風(fēng)速度對(duì)負(fù)離子凈化PM2.5的影響。結(jié)果表明：負(fù)離子對(duì)PM2.5具有凈化作用；隨著送風(fēng)速度的增加，負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈化作用先降低后增大。在保證工作區(qū)不會(huì)產(chǎn)生吹風(fēng)感的情況下，所選的8個(gè)工況中，置換通風(fēng)送風(fēng)速度為0.3 m/s左右時(shí)，負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈化效果最佳，凈去除率達(dá)到20.4%。

關(guān)鍵詞置換通風(fēng)環(huán)境艙負(fù)離子PM2.5凈化效果

0引言

人們80%以上的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，室內(nèi)空氣品質(zhì)與人們的健康息息相關(guān)[1]。在室內(nèi)空氣污染物中PM2.5氣溶膠顆粒物會(huì)引起人員健康問(wèn)題(如人體過(guò)敏、哮喘及肺癌等)，而采用傳統(tǒng)被動(dòng)式凈化方法(如過(guò)濾法等)很難有效去除室內(nèi)懸浮的PM2.5。近年的最新研究表明主動(dòng)式負(fù)離子技術(shù)是去除PM2.5的有效辦法。負(fù)離子具有降塵作用，尤其是對(duì)小至0.01 μm的微粒和難以去除的飄塵[2]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO16814明確肯定了負(fù)離子技術(shù)是改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的技術(shù)之一[3]。

文獻(xiàn)[4]提到負(fù)離子對(duì)室內(nèi)PM2.5的凈化是一個(gè)發(fā)生、作用、凝并、沉降的過(guò)程，并對(duì)混合通風(fēng)、地板送風(fēng)及置換通風(fēng)3種工況下負(fù)離子的動(dòng)態(tài)傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，置換通風(fēng)比其余兩種工況更能有效控制房間較低位置產(chǎn)生的污染物。文獻(xiàn)[5]通過(guò)研究表明置換通風(fēng)下負(fù)離子在地面沉降損失量最多，墻壁次之，天花板上較少。沈晉明等人[6-7]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了負(fù)離子對(duì)地鐵站和食堂的改善效果，分析了負(fù)離子、人流密度和顆粒物濃度之間的關(guān)系，得出負(fù)離子在人流密度大的開放性場(chǎng)所凈化的可行性。

雖然前人對(duì)負(fù)離子凈化技術(shù)做了大量研究，但是在同一氣流組織下，不同送風(fēng)速度對(duì)負(fù)離子凈化PM2.5效果的影響方面的研究還比較少。GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定室內(nèi)PM2.5日平均濃度不大于35 μg/m3[8]，細(xì)顆粒物初始濃度應(yīng)為相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的2～5倍，故本實(shí)驗(yàn)設(shè)定環(huán)境艙內(nèi)PM2.5背景濃度為100 μg/m3。利用環(huán)境艙在不同工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以期獲得在置換通風(fēng)下不同的送風(fēng)速度對(duì)負(fù)離子凈化PM2.5的影響機(jī)理，從而最終能為負(fù)離子技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)室內(nèi)PM2.5凈化提供工程應(yīng)用指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與研究方法

1.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是4 m×4 m×2.8 m的環(huán)境艙系統(tǒng)，溫度控制范圍：16～30 ℃(±0.5 ℃)，相對(duì)濕度控制范圍：30%～80%(±5%)，保溫要求：各面墻體均做成絕熱保溫，如圖1所示。

圖1　人工環(huán)境艙結(jié)構(gòu)及送風(fēng)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器：PC-6A粉塵計(jì)數(shù)儀(4臺(tái))，量程為0.001～10 mg/m3，檢測(cè)靈敏度為0.001 mg/m3，重復(fù)性誤差≤±2%；AIC-2000負(fù)離子濃度檢測(cè)儀，量程為100～2.0×107個(gè)/cm3，精度為±25%；TESTO 405熱敏式風(fēng)速儀，量程0～10 m/s，分辨率為0.01 m/s，精度為±(0.1 m/s+5%測(cè)量值)(0～2 m/s)。

1.2研究方法

調(diào)節(jié)環(huán)境艙內(nèi)溫度為(21±2.5)℃，相對(duì)濕度40%±5%[9]。點(diǎn)燃4支香煙作為PM2.5釋放源(放置位置如圖2)，同時(shí)開啟艙內(nèi)風(fēng)扇攪拌，在呼吸區(qū)(距地面高度1.1 m處)均勻選取4個(gè)樣點(diǎn)(樣點(diǎn)位置如圖2)，用粉塵計(jì)數(shù)儀監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的PM2.5濃度，當(dāng)達(dá)到100 μg/m3時(shí)，熄滅香煙、關(guān)閉風(fēng)扇，測(cè)試PM2.5的自然衰減狀況。將負(fù)離子發(fā)生器放在距離置換通風(fēng)送風(fēng)口20 cm處(放置位置如圖2)，恢復(fù)艙內(nèi)PM2.5濃度為100 μg/m3，開啟發(fā)生器(距發(fā)射口20 cm處測(cè)得負(fù)離子發(fā)生量約為5.68×106個(gè)/cm3)，測(cè)試PM2.5的衰減狀況。

恢復(fù)艙內(nèi)PM2.5濃度為100 μg/m3，開啟置換通風(fēng)，送風(fēng)溫度20 ℃，按照表1分別對(duì)工況3至工況8進(jìn)行測(cè)試，得出不同工況下呼吸區(qū)PM2.5濃度的衰減狀況。按照公式(1)[9]計(jì)算各工況下的衰減常數(shù)k。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用相關(guān)系數(shù)的平方(R2)進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算式如式(2)[9]。

圖2　不同樣點(diǎn)在環(huán)境艙中的布置

置換通風(fēng)關(guān)閉風(fēng)速0.1m/s風(fēng)速0.2m/s風(fēng)速0.3m/s負(fù)離子發(fā)生器關(guān)閉工況1工況3工況5工況7負(fù)離子發(fā)生器開啟工況2工況4工況6工況8

衰減常數(shù)k(min-1)：

(1)

相關(guān)系數(shù)的平方(R2)：

(2)

其中：

去除率η(%)：

(3)

式中，n為數(shù)據(jù)對(duì)的數(shù)目；ti為時(shí)間，min；ct0為樣點(diǎn)PM2.5的平均初始濃度，μg/m3；cti為在時(shí)間ti時(shí)樣點(diǎn)PM2.5的平均濃度，μg/m3。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1各工況下對(duì)PM2.5的凈化效果

圖3　自然沉降與置換通風(fēng)不同風(fēng)速下PM2.5的衰減曲線

圖4　在置換通風(fēng)不同風(fēng)速下開啟負(fù)離子

(a)置換通風(fēng)關(guān)閉時(shí)

(b)送風(fēng)速度v=0.1 m/s時(shí)

(c)送風(fēng)速度v=0.2 m/s時(shí)

(d)送風(fēng)速度v=0.3 m/s時(shí)

在不同工況下，凈化環(huán)境艙中實(shí)際初始濃度為(100±3)μg/m3的PM2.5，其衰減曲線見(jiàn)圖3、圖4。根據(jù)不同工況下PM2.5的衰減數(shù)據(jù)，按照式(1)計(jì)算出總衰減常數(shù)ke、自然衰減常數(shù)kn，見(jiàn)表2。按照式(2)計(jì)算出衰減曲線的線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)的平方(R2)≥0.98(見(jiàn)表2)，說(shuō)明采集的衰減數(shù)據(jù)是可靠的[9]。

表2　同一初始濃度下各工況下的相關(guān)參數(shù)

按照式(3)計(jì)算出經(jīng)過(guò)30 min后PM2.5的去除率η，見(jiàn)表3。

表3　不同工況下30 min后PM2.5的去除率　%

從圖3、圖4中可以看出：在置換通風(fēng)及置換通風(fēng)+開啟負(fù)離子發(fā)生器下，工作區(qū)的PM2.5衰減趨勢(shì)一致，衰減速度均是由慢到快，最后趨向穩(wěn)定。這主要是因?yàn)橹脫Q通風(fēng)以低速在房間下部送風(fēng)，新風(fēng)氣流在房間底部擴(kuò)散的時(shí)間較長(zhǎng)，然后以類似層流的活塞流的狀態(tài)向上移動(dòng)到達(dá)呼吸區(qū)，以及負(fù)離子具有良好的氣流跟隨性。從衰減常數(shù)、去除率及圖5來(lái)看，在同一送風(fēng)速度下，開啟負(fù)離子發(fā)生器工作比負(fù)離子發(fā)生器不工作時(shí)的衰減常數(shù)、去除率要大，說(shuō)明負(fù)離子對(duì)PM2.5具有一定的凈化作用。

2.2不同風(fēng)速下負(fù)離子對(duì)PM2.5凈化效果

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，負(fù)離子對(duì)PM2.5具有一定凈化作用。為了比較不同風(fēng)速對(duì)負(fù)離子凈化PM2.5效果的影響，在工況4、工況6、工況8下，除去因自然沉降、置換通風(fēng)對(duì)PM2.5的衰減，得出該3種工況下負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈去除率、凈衰減常數(shù)，見(jiàn)圖6。

圖6　不同風(fēng)速下負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈去除率、凈衰減常數(shù)

從圖6中得出：置換通風(fēng)送風(fēng)風(fēng)速約為0～0.1 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈去除率、凈衰減常數(shù)隨著風(fēng)速的增大而降低，凈去除率由14.5%降低至7.4%，表明此時(shí)負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈化作用隨著風(fēng)速的增大而減弱。而置換通風(fēng)送風(fēng)速度約為0.1～0.3 m/s時(shí)，負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈去除率、凈衰減常數(shù)隨著風(fēng)速的增大而增加，凈去除率由7.4%增加到20.4%，表明此時(shí)隨著風(fēng)速的增加，負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈化作用增大。這可能是由于送風(fēng)速度較小時(shí)，氣流在房間底部擴(kuò)散的時(shí)間更長(zhǎng)，造成負(fù)離子在地面的沉降損失較多，負(fù)離子利用率較低；而送風(fēng)速度較大，負(fù)離子隨氣流以較快的速度向上方移動(dòng)，減少了負(fù)離子在地面的沉降損失，迅速與呼吸區(qū)的PM2.5發(fā)生作用，從而降低呼吸區(qū)PM2.5的濃度。

2.3工作區(qū)風(fēng)速

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50736—2012)指出置換通風(fēng)系統(tǒng)的最大送風(fēng)風(fēng)速一般在0.3 m/s左右。送風(fēng)速度若過(guò)大，必增加風(fēng)機(jī)功耗及可能會(huì)使人產(chǎn)生吹風(fēng)感。由以上分析結(jié)果知：在送風(fēng)風(fēng)速為0.3 m/s時(shí)，開啟負(fù)離子凈化器(工況8)時(shí)，對(duì)PM2.5的凈化效果最好。選取平面X=1.0 m、X=2.0 m，在每個(gè)平面的同一高度上選取2個(gè)測(cè)量點(diǎn)(見(jiàn)圖7)，對(duì)工作區(qū)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，該工況下工作區(qū)的速度分布見(jiàn)圖8。

圖7　工作區(qū)速度測(cè)量點(diǎn)布置

圖8　送風(fēng)速度0.3 m/s時(shí)開啟負(fù)離子

從圖8看出：人在坐姿時(shí)，人體腳踝位置(距地面0.1 m處)風(fēng)速約為0.16 m/s，人體頭部位置(距地面1.1 m處)風(fēng)速約為0.14 m/s。當(dāng)工作區(qū)大部分區(qū)域的風(fēng)速在0.15 m/s左右時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生吹風(fēng)感[10]。

3結(jié)論

在環(huán)境艙內(nèi)對(duì)置換通風(fēng)不同送風(fēng)速度下，負(fù)離子對(duì)PM2.5凈化效果的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析得出以下結(jié)論：

(1)置換通風(fēng)對(duì)負(fù)離子及PM2.5的流動(dòng)起到了很好的控制作用。僅在置換通風(fēng)工況下，呼吸區(qū)PM2.5的濃度隨著送風(fēng)速度(在0～0.3 m/s內(nèi))的增加而降低。

(2)同一送風(fēng)速度下，開啟負(fù)離子發(fā)生器比關(guān)閉負(fù)離子發(fā)生器時(shí)PM2.5的衰減常數(shù)、去除率大，說(shuō)明負(fù)離子對(duì)PM2.5具有凈化作用。

(3)置換通風(fēng)送風(fēng)速度為0～0.3 m/s時(shí)，負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈化作用隨送風(fēng)速度的增大先減弱后增強(qiáng)。送風(fēng)速度為0.3 m/s時(shí)，經(jīng)過(guò)30 min后，除去自然沉降與置換通風(fēng)對(duì)PM2.5的衰減，負(fù)離子對(duì)PM2.5的凈去除率達(dá)到20.4%，此時(shí)工作區(qū)不會(huì)產(chǎn)生吹風(fēng)感。

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[10]周鵬，李強(qiáng)民.置換通風(fēng)與冷卻頂板[J]. 暖通空調(diào)，1998，28(5)：1-5.

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51408072)，江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(14KJB560001)。

作者簡(jiǎn)介吳兆波，碩士，研究方向：建筑節(jié)能與污染物控制。

(收稿日期：2015-05-10)

Research on the Effect of Different Air Supply Velocities on the Negative Ions Purification for PM2.5under Displacement Ventilation

WU ZhaoboGUO QiangWANG JinliangZHANG LiangWANG Hailin

(DepartmentofBuildingEnvironmentandEnergyEngineering,ChangzhouUniversityChangzhou,Jiangsu213016)

AbstractThe effect of different air supply velocities on the negative ions purification for PM2.5under displacement ventilation has been analyzed from the aspects of attenuation constant and removal rate based on the experimental studies in an environmental chamber. The results show that negative ions have purification effect on PM2.5; with the increase of air supply velocity, the purification effect of negative ions on PM2.5firstly decreases then enhances. Under the prerequisite of causing no draft risk in the working zone, when the air supply velocity is around 0.3 m/s for displacement ventilation among the eight selected working conditions, the negative ions can perform the best purification function for PM2.5with the remove rate up to 20.4%.

Key Wordsdisplacement ventilationenvironmental chambernegative ionsPM2.5purification effect