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        辦公樓室內(nèi)PM2.5治理設計分析

        2021-11-01 03:01:16楊品德曾敏YangPindeZengMin
        重慶建筑 2021年10期
        關(guān)鍵詞:顆粒物設計

        楊品德,曾敏Yang Pinde,Zeng Min

        (1湖南城市學院設計研究院有限公司,湖南益陽 413002;2中國輕工業(yè)長沙工程有限公司,湖南長沙 410114)

        0 引言

        PM2.5指環(huán)境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm的顆粒物。與較粗的大氣顆粒物相比,PM2.5粒徑小,散播面積大,活性強,易附帶有毒、有害物質(zhì)(例如重金屬、微生物等),且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠,因而極易對人體健康、大氣環(huán)境造成不利的影響。由于細顆粒物的粒徑在2.5μm以下,顆粒可以深入呼吸道,到達肺泡,干擾正常的肺部活動,因此PM2.5對人體腹功能、呼吸、心臟,甚至血液循環(huán)都可能帶來嚴重負面影響。

        城市辦公族大部分時間待在辦公室內(nèi),因此有效的室內(nèi)PM2.5控制措施是改善員工辦公環(huán)境的重要方式。建筑室內(nèi)PM2.5的控制方式可概括為主動控制和被動控制兩類,其中主動控制的典型措施之一是為空調(diào)通風系統(tǒng)配置空氣凈化裝置,降低經(jīng)由空調(diào)通風系統(tǒng)進入室內(nèi)的PM2.5濃度;被動控制典型措施之一是合理增加外窗氣密性能,降低經(jīng)由外窗縫隙進入室內(nèi)的PM2.5濃度。

        1 室內(nèi)外PM2.5的相關(guān)標準

        1.1 室外PM2.5相關(guān)標準

        (1)美國環(huán)境保護局室外PM2.5濃度標準NAAQS平均時間24h,PM2.5顆粒物濃度限值為35μg/m3。

        (2)世界衛(wèi)生組織WHO《歐洲空氣質(zhì)量指南》

        準則值,24h平均值小于25μg/m3;

        過渡期目標1,24h平均值小于75μg/m3;

        過渡期目標2,24h平均值小于50μg/m3;

        過渡期目標3,24h平均值小于37.5μg/m3。

        (3)中國《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》

        HJ 633-2012標準規(guī)定了與現(xiàn)行的AQI指數(shù)相對應的污染物濃度限值,同時明確了對應的空氣質(zhì)量級別。PM2.5濃度限值和空氣質(zhì)量指數(shù)對應關(guān)系見表1。

        表1 PM2.5濃度限值和空氣質(zhì)量指數(shù)對應關(guān)系

        1.2 室內(nèi)PM2.5相關(guān)標準

        (1)ASHRAE《可接受的室內(nèi)空氣質(zhì)量通風標準》

        按照美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會推薦的標準,污染因子PM2.5,來源為燃燒生成產(chǎn)物、廚房油煙、戶外進入灰塵等,濃度限值為15μg/m3。

        (2)國內(nèi)相關(guān)標準

        《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》(GB/T 18883—2002)僅規(guī)定了可吸入顆粒物PM10的日平均值為150μg/m3。

        《建筑通風效果測試與評價標準》規(guī)定,室內(nèi)PM2.5日平均濃度宜小于75μg/m3。

        《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)規(guī)定環(huán)境空氣中PM2.5的濃度限值為:一級標準24h平均值為35μg/m3,二級標準24h平均值為75μg/m3。

        因人們在室內(nèi)停留的時間長,對室內(nèi)PM2.5的標準規(guī)定不應低于室外標準,故PM2.5室內(nèi)設計濃度可參考環(huán)境PM2.5濃度限值要求,即要求較高的場所PM2.5室內(nèi)設計濃度為35μg/m3,一般場所為75μg/m3。

        2 室內(nèi)外PM2.5設計濃度的確認

        (1)室外PM2.5設計濃度的確認

        本文采用基于“不保證天數(shù)”的PM2.5室外設計濃度確認方法?!安槐WC天數(shù)”PM2.5室外設計濃度確認方法統(tǒng)計的是最近一年或多年的室外大氣環(huán)境PM2.5濃度日均值,剔除“不保證天數(shù)”PM2.5濃度的最高濃度就是PM2.5室外設計濃度,例如可取“不保證天數(shù)”分別為5、10、15、20天,所對應的室外PM2.5濃度就作為PM2.5室外設計濃度[1]。

        (2)室內(nèi)PM2.5設計濃度的確認

        建議要求較高的場所PM2.5室內(nèi)設計濃度為35μg/m3,即達到空氣質(zhì)量優(yōu)的級別。一般場所設計值為75μg/m3,即達到空氣質(zhì)量良的級別。

        3 室內(nèi)PM2.5的治理方法

        室內(nèi)PM2.5主要來源于室內(nèi)燃料的燃燒、烹飪、裝飾材料和家具表面的散發(fā)、設備(如打印復印機、計算機等)的使用、空調(diào)通風系統(tǒng)的運作、由室外通過開窗及縫隙滲透進入室內(nèi)的顆粒物,以及由人員在室內(nèi)進行吸煙、呼吸、咳嗽、走動、打掃等活動引起的顆粒再懸浮和凝聚等。

        室內(nèi)PM2.5治理的主要方法為以下幾種:①加強圍護結(jié)構(gòu)氣密性;②利用空調(diào)通風系統(tǒng)過濾;③增加室內(nèi)空氣凈化設備;④禁止室內(nèi)吸煙;⑤適當?shù)耐L換氣。

        在傳統(tǒng)空調(diào)通風系統(tǒng)設計中,空調(diào)末端配置有初效過濾器,主要過濾5μm及以上粒徑的塵埃粒子,過濾效率在40%~95%。對于小于等于2.5μm的顆粒污染,初效過濾器達不到需要的效果。

        大型的新風系統(tǒng)一部分配置了初、中效兩級過濾器,可以去除空氣中大于等于1μm的顆粒粉塵及各種懸浮物,過濾效率可達60%~95%。其對室外新風中的PM2.5有一定去除作用,但受限于效率低且容易造成二次污染,對室內(nèi)PM2.5的治理難以起到明顯作用。

        目前市場上成熟且能夠有效去除PM2.5污染的設備主要有:高效過濾器HEPA、靜電除塵設備和靜電駐極過濾設備,這三種設備的對比見表2。

        表2 高效過濾器HEPA、靜電除塵設備和靜電駐極過濾設備對比[2]

        4 案例分析

        4.1 項目概況

        為應對當前日趨嚴重的霧霾天氣,為廣大員工提供一個健康、舒適的辦公環(huán)境,某大型公司S欲對其辦公樓D進行室內(nèi)PM2.5治理改造。

        該辦公樓D位于長沙市天心區(qū),主樓共23層,單層面積約2000m2,總體建筑面積約46000 m2。其中2層為會議樓層,3—23層為標準辦公樓層,附樓為地下1層、地上14層。日常辦公人數(shù)約600人,整樓運行時間為周一至周五的8:00~18:00,周六、周日及法定節(jié)假日不使用,年運行天數(shù)為250天,年運行總時數(shù)為2500h。

        辦公樓D的室內(nèi)PM2.5設計控制目標:在全年不保證15天的情況下,室內(nèi)PM2.5的24 h平均濃度不超過35μg/m3,即達到《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》中空氣質(zhì)量“優(yōu)”的級別。

        4.2 室外大氣環(huán)境PM2.5分析

        查閱長沙市氣象局公布的室外PM2.5歷史數(shù)據(jù),最近一整年(2017年1月~2017年12月)長沙市室外PM2.5濃度年平均值為51.5μg/m3。長沙市室外PM2.5濃度呈現(xiàn)冬季高、夏季低的時間分布趨勢 (圖1),24h平均濃度的最大值出現(xiàn)在1月份,為251μg/m3。

        圖1 長沙市2017年全年室外PM2.5月平均濃度統(tǒng)計(來源:自繪)

        辦公樓D以全年不保證天數(shù)為15天情況下的24h平均濃度最高值作為室外設計條件,由室外PM2.5濃度歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計可得,該設計條件下室外PM2.5的濃度為188μg/m3。

        4.3 建筑及圍護結(jié)構(gòu)分析

        辦公樓D的建筑結(jié)構(gòu)為砌體結(jié)構(gòu),室內(nèi)PM2.5治理范圍為人員長期停留的場所,不考慮樓梯間、設備間、衛(wèi)生間等輔助房間。

        辦公樓外窗為鋁合金上懸窗,鋁合金外窗氣密等級為6級。根據(jù)《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》(GB/T 7106—2019),氣密性6級外窗的空氣滲漏量為3.0~4.5 m3/(m2·h),工程上取較為保守的值,即4.5 m3/(m2·h)。

        4.4 新風系統(tǒng)分析

        辦公樓D中標準樓層采用的是風機盤管+獨立新風的空調(diào)形式。辦公室的制冷、制熱由安裝在吊頂內(nèi)的風機盤管提供;新風由安裝在新風機房的新風機組集中供應,通過風管送至各個房間。

        辦公樓D中會議樓層采用的是全空氣系統(tǒng)的空調(diào)形式,會議室的制冷、制熱由安裝在機房內(nèi)的組合式空調(diào)機組提供;新風由室外經(jīng)新風管送至組合式空調(diào)機組內(nèi)與回風混合后,再通過風管送至各個會議室。

        4.5 設計方案

        4.5.1 室內(nèi)PM2.5濃度計算[3]

        如圖2為室內(nèi)PM2.5顆粒的傳輸機理。由圖2可知,室內(nèi)PM2.5的濃度主要取決于PM2.5顆粒通過門窗等縫隙進入室內(nèi)的量、空調(diào)系統(tǒng)新風帶入顆粒、離開室內(nèi)的顆粒、室內(nèi)顆粒物的沉積、空氣凈化器去除的顆粒。

        圖2 PM2.5濃度計算模型(來源:董怡平《辦公樓項目室內(nèi)PM2.5控制的最優(yōu)化研究》)

        根據(jù)質(zhì)量守恒定律,可建立室內(nèi)PM2.5濃度計算模型的表達式。

        其中:C為室內(nèi)顆粒物濃度(μg/m3);V為房間體積(m3);Co為室外顆粒物濃度(μg/m3);Qp為圍護結(jié)構(gòu)滲透風量(m3/h);Pp為顆粒物從室外進入室內(nèi)的穿透系數(shù),取常數(shù)(參考值0.9);Qx為空調(diào)系統(tǒng)送入室內(nèi)的新風量(m3/h);x為新風系統(tǒng)PM2.5去除率;k為室內(nèi)顆粒物的沉積率,取常數(shù)(參考值0.09);CADR為空氣凈化器去除顆粒物的潔凈空氣量(m3/h)。

        則公式1簡化為:CADR·CoQpPp+CoQx(1-ηx)-C(Qp+Qx)-kVC

        4.5.2 改造設計方案

        為保證過濾PM2.5的效果和穩(wěn)定性,此項目選用高效過濾器HEPA。

        辦公樓D中標準樓層采用的是風機盤管+獨立新風的空調(diào)形式,原有新風機組工作原理如圖3。

        圖3 標準樓層原有新風機組工作原理(來源:自繪)

        辦公樓D中會議樓層采用的是全空氣系統(tǒng)的空調(diào)形式,原有空調(diào)機組工作原理如圖4。

        圖4 會議樓層原有新風機組工作原理(來源:自繪)

        原有新風管安裝了電子除塵,現(xiàn)場反饋電子除塵運行效果較差,改造后將拆除原有電子除塵和初效濾網(wǎng)段。

        按照國內(nèi)去除PM2.5常規(guī)設計技術(shù)要求:新風過濾段需按照初效(G4)+中效(F5/F6)+高效(F9/F10)的方式逐級配置[4];高效過濾設置在送風正壓端,高效過濾裝置通過風速要求≤1m/s[5]。但因現(xiàn)場條件受限,在滿足將房間內(nèi)PM2.5含量降低至35μg/m3的前提下,根據(jù)現(xiàn)有空間對安裝在現(xiàn)有樓層空調(diào)機房內(nèi)的機組進行改造,并盡量控制高效過濾裝置通過風速≤1.5m/s,表冷器的迎面風速≤2.5m/s。

        辦公樓D中標準樓層改造方案如圖5。

        圖5 標準樓層原有新風機組工作原理(來源:自繪)

        設計方案為改造原新風機組風機,增大電機功率,增大全壓,新增高效過濾風柜,增加初效(G4)+高效(H11/H12)過濾段。高效過濾器布置在進風端過濾風柜內(nèi),對PM2.5的去除率按0.99的標準配置[6]。根據(jù)各個辦公室房間的情況,將已知數(shù)據(jù)代入公式1,新風全部高效過濾,部分房間室內(nèi)需相應配置PM2.5空氣循環(huán)凈化器[7]。

        基于表3,典型的辦公室PM2.5新風系統(tǒng)設備選型計算示例如下。

        表3 典型辦公室工程數(shù)據(jù)

        室外檢測數(shù)據(jù)為80.3μg/m3;送風口檢測數(shù)據(jù)為0μg/m3;樣板間會議室內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為15.3μg/m3;走廊檢測數(shù)據(jù)為60.2μg/m3。

        改造運行后,樣板間PM2.5室內(nèi)濃度小于35μg/m3,滿足設計要求,并得到業(yè)主一致好評。

        4.5.4 存在的問題

        此案例為改造項目,因空調(diào)通風系統(tǒng)已施工完畢并處于使用階段,只能在現(xiàn)有條件下盡量保證PM2.5的治理效果,難以做到優(yōu)化設計。

        高效過濾器設在送風末端效果最好,能夠避免風管送風形成二次污染,但因現(xiàn)場條件受限,無法在末端增加高效過濾器,且目前還沒有和普通辦公樓建筑相配套的高效過濾風口,所以此設計方案將高效過濾器設在機房,后續(xù)對風管進行清掃和密封檢查,盡量避免風管送風形成二次污染。

        5 結(jié)語

        辦公樓的室內(nèi)PM2.5設計濃度C為35μg/m3,將工程數(shù)據(jù)代入計算公式模型,采用內(nèi)點法的算法,通過MATLAB軟件求解:

        圍護結(jié)構(gòu)單位面積漏風量qw=4.5 m3/(m2·h);

        新風系統(tǒng)PM2.5去除率ηx=0.9;

        空氣凈化器去除顆粒物的潔凈空氣量CADR=109 m3/h。

        典型的辦公室設備選型見表4。

        表4 典型辦公室設備選型

        本文結(jié)合實際工程案例,對辦公樓室內(nèi)PM2.5的治理設計進行了論述。首先說明了室內(nèi)外PM2.5的相關(guān)標準,采用基于“不保證天數(shù)”的方法確認了PM2.5室外設計濃度;其次對比分析了目前市場上有效成熟的PM2.5治理設備;最后根據(jù)質(zhì)量守恒定律對室內(nèi)PM2.5治理設備進行了計算選型。

        本文中的案例為改造項目,改造后的效果達到并高于設計標準,得到業(yè)主好評。但因改造項目受現(xiàn)場條件限制,無法采用更為優(yōu)化的方案,若今后項目有條件選用高效過濾器HEPA,過濾段可按照初效+中效+高效方式逐級配置,節(jié)省運行費用。可將高效過濾器設置在送風末端,避免風管二次污染;高效過濾裝置通過風速宜≤1m/s,減少過濾器阻力。本文的研究結(jié)合實例對室內(nèi)PM2.5的治理設計進行了詳細分析,可為相關(guān)研究設計提供一定參考。

        辦公樓D中會議樓層改造方案如圖6。

        圖6 會議樓層原有新風機組工作原理(來源:自繪)

        因現(xiàn)場條件受限,新風管上沒有空間單獨安裝高效過濾器,為保證PM2.5治理效果,新增一臺高效過濾風柜對新風和回風進行全處理。改造拆除原機組進風管、靜壓箱及混風段,新增一臺高效過濾風柜,并與原機柜連接。根據(jù)各個會議室房間情況,將已知數(shù)據(jù)代入公式模型計算,改造后能達到PM2.5的設計濃度值。

        4.5.3 改造后效果

        改造后樣板間PM2.5檢測數(shù)據(jù)如下:

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