鄭 磊

（同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092）

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

1 當前室內空氣污染物現(xiàn)狀

在人們日常的室內生活和工作環(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的顆粒物質的統(tǒng)稱，這類物質顆粒直徑小、質量輕，并可能攜帶重金屬、微生物等有害物質。PM2.5對空氣質量的影響很大，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，這類物質同樣對人體有害。

2 空調通風系統(tǒng)在改善室內空氣品質中的應用

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

2.1 對污染源進行通風稀釋

通風能夠增加空氣的流動性，這樣，空氣中的污染物質可隨著空氣的流動得到一定程度的稀釋，因此增強室內環(huán)境的通風，并引入潔凈新風來對污染物進行稀釋是十分有必要的。但在通風稀釋污染物的同時也應當注意，若室內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的通風稀釋，因為這樣會導致空調能耗上升及室內環(huán)境舒適性的下降。

為有效改善室內空氣質量，在對室內進行通風稀釋的時候，應當合理地設計通風氣流，借助通風使室內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，甚至室外的空氣質量不如室內。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稀釋，效果微乎其微，反而可能會使室內的空氣質量變差。

2.2 對室內PM2.5污染進行過濾

對空氣中污染物的過濾，主要是通過在室內末端設備的回風端口或送風端口設置空氣過濾器，以此實現(xiàn)對空氣中的污染物質的過濾，這是目前暖通空調空氣凈化技術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環(huán)境狀態(tài)進行選型設計。

在使用過程中應注意，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，提高空氣的質量。空氣過濾器也需要及時進行更換，避免微塵在過濾器上堆積，對通往室內的空氣造成二次污染。

3 學校教室室內PM2.5物理及數(shù)學模型建立

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

圖1 室內PM2.5質量濃度影響因素

根據(jù)圖1建立學校教室室內PM2.5濃度平衡方程式，如下：

式中：Qf為新風系統(tǒng)新風，m3/h；C0為室外顆粒物濃度，g/m3；ηf為新風過濾效率；QP為圍護結構滲透風，m3/h；P為滲透系數(shù)；Qn為室內自然風，m3/h；Mr為室內表面顆粒物揚塵量，μg；Ci為室內顆粒物濃度，μg/m3；Ms為室內顆粒物沉降量，μg。另外，圖中V為室內體積，m3；M為室內人員產塵量，μg。

當室內無新風時，由于建筑非完全密閉，存在圍護結構滲透風，若開啟門窗，受自然風的影響，會將室外PM2.5污染帶入室內，加上室內學生密集，人員活動導致?lián)P塵等的產生，在室外PM2.5濃度較高時，室內PM2.5濃度也同樣存在過高的問題。為簡化模型，不考慮室內表面揚塵與沉降的影響，則上式可以簡化為：

當室內采用新風過濾設備，存在新風時，為達到較好的室內PM2.5控制效果，一般新風會采用微正壓，則圍護結構滲透風與自然風造成的室內PM2.5污染基本可以忽略。為簡化模型，不考慮室內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，當室外PM2.5濃度不變、新風量不變的情況下，室內PM2.5濃度與新風過濾效率成反比；當新風量不變、過濾效率不變的情況，室內PM2.5濃度與室外PM2.5濃度呈線性相關性。

4 基于某實際項目采用新風追加過濾裝置的控制效果分析

針對上海某學校六年級一班教室采用新風追加過濾裝置前后其室內PM2.5濃度及CO2濃度變化情況進行測試，該教室面積為102m2，無空氣處理設備，測試分別針對如下幾種情況進行：（1）教室無新風及過濾裝置時，開關門窗前后；（2）采用新風及過濾裝置后，室內無人員活動時；（3）采用新風及過濾裝置后，學生正常上課。在這三個條件下，測試其室內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濃度檢測進行室內空氣參數(shù)的記錄。測試期間僅對控制條件進行嚴格控制，其余人員活動等行為均依照學生正常教學上課行為進行。

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

圖2 測試設備的詳細參數(shù)表

針對上述測試條件，該期間測試結果如下：

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

圖3 無新風過濾裝置時開關門窗后的室內外PM2.5及CO2濃度變化

（2）采用新風及過濾裝置后，選取周末教室無人時進行了12h測試，測試結果如圖4所示。在門窗關閉狀態(tài)下，新風全熱交換器開啟，室內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)下室內無其他影響因素，室內控制結果基本接近于過濾設備本身的過濾效率，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，由此可見新風設備對CO2濃度控制較佳。

圖4 室內無人活動時室內外PM2.5及CO2的濃度變化

圖5 安裝新風過濾裝置后的室內外PM2.5及CO2濃度變化

（3）采用新風及過濾裝置后，設備在正常使用下，室內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，一定存在室內人員活動的影響因素，以及一些人員進出行為導致的室內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PM2.5及室內CO2的控制效果。

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

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

5 結束語

當前，國內空氣污染情況日益嚴重，室外的空氣質量不容樂觀，為了保障人們室內的生活環(huán)境，在空氣處理系統(tǒng)中增加新風引入及過濾裝置是十分有必要的。暖通空氣凈化技術的應用，應當根據(jù)污染物質的特性，靈活選擇合適的空氣凈化技術。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進行有效凈化，使人們在室內呼吸的空氣質量有一定的保障。同時，對于空氣凈化裝置，需要加強后期的檢修和維護，避免對室內空氣造成二次污染。