基于 PM2.5 濃度控制的空調系統過濾器配置研究

劉人杰 張云 徐桓

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

近年來，PM2.5 污染一直是十分敏感的話題，大量呼吸道病例都直接或間接的與 PM2.5 污染相關。自 2013 年開始我國各地開始陸續對室外 PM2.5 進行日常監測，而隨著人們對生活品質要求的不斷提高，室內PM2.5 濃度水平也越來越受到關注與重視。

一方面，相關學者從不同的角度切入做了大量關于PM2.5 的研究，包括 PM2.5 室外設計值的確定方法探討[1-3]，室內外 PM2.5 濃度變化相關性分析[4-5]，不同空調形式對室內 PM2.5 濃度的影響[6]，各種類型空氣過濾器對 PM2.5 的過濾效率研究[7-9]等。另一方面，我國相關法規也日趨完善，2019 年發布實施的《公共建筑室內空氣質量控制設計標準》 JGJ/T 461-2019 中明確規定了公共建筑室內 PM2.5 設計日濃度限值，室內空氣污染物濃度計算方法，空氣凈化設備的選型方法等，填補了國內關于室內空氣品質設計標準的空白。

本文著眼于在滿足室內 PM2.5 要求的前提下，對不同地域城市辦公建筑一次回風空調系統在空調季節、過渡季變新風季節過濾器所需設計效率及選型配置進行分析，以期為實際應用工程提供參考。

1 室外PM2.5 設計濃度

室外PM2.5 的設計濃度計算依據有：不保證小時數、不保證天數、室外不保證率[1]等，本文結合相關文 獻及規范[11]，以我國不同地區 8 個城市 2014～2020 年 7 年間室外 PM2.5 日均監測數據為基礎，采用歷年不保證5 天均值作為室外PM2.5 設計值。

對于采用一次回風全空氣空調系統的辦公建筑來說，室外新風引入是室內 PM2.5 濃度值的重要影響因素之一。而根據各地的節能與綠色建筑評價要求，全空氣系統通常在過渡季節會采用可變新風比的運行策略，新風比在50%～100%之間。這樣的運行策略使得在空調季節和過渡季節引入室內的新風量產生較大變化，也即是對室內 PM2.5 濃度的確定會產生很大影響，因此本文根據各地日均溫度將全年分為空調季和過渡季，在不保證5 天條件下，進而分別統計每年各地空調季和過渡季的室外PM2.5 設計值。

圖1、圖2 分別為我國不同地區8 個城市空調季、過渡季歷年在不保證 5 天下的室外 PM2.5 設計值，可以看出經過連年的治理，各城市的室外 PM2.5 值在空調季和過渡季整體上都呈下降的趨勢，過渡季PM2.5 值略好于空調季，但并不明顯。各城市的室外 PM2.5 歷年不保證5 天均值見表 1。從表中可以看出我國地域 PM2.5 分布南方要好于北方，上海、廣州等沿海城市要好于內陸城市。

圖1 空調季室外PM2.5 設計值

圖2 過渡季室外PM2.5 設計值

表1 室外PM2.5 設計值（μg/m3）

2 室內PM2.5 設計濃度

2.1 室內設計限值

表2 根據規范[11]要求列出了不同使用功能建筑室內PM2.5 限值要求，本文所研究辦公建筑按照高檔辦公考慮，即PM2.5 室內設計濃度為35 μg/m3。

2.2 室內濃度計算公式

室內PM2.5 的來源主要有空調系統新風帶入、室內發塵源、圍護結構滲透等，在未設置室內空氣凈化器，假設室內 PM2.5 濃度穩定均勻分布的前提下，室內空氣凈化流程簡圖見圖3。

圖3 室內空氣凈化流程圖

根據質量守恒方程[11]列出關系式如下：

式中：G-室內PM2.5 發塵源，μg/h；V-房間容積，m3；C-室內設計日濃度，μg/m3；Co-室外設計日濃度，μg/m3；al-滲透風換氣次數，次/h，本文取 0.2 次/h；Pl-滲透穿透系數，本文取 0.8；ao-新風換氣次數，次/h；Peo-新風凈化設備當量穿透系數；ar-新風換氣次數，次/h；Per-回風凈化設備當量穿透系數。

式（1）中室內發塵源包括人員、設備發塵等，在考慮無煙辦公室的前提下，人員 PM2.5 發塵強度見表 3[11]。打印機等辦公設備的 PM2.5 發塵量忽略不計[10]。

表3 人員PM2.5 發塵強度

對于新、回風當量穿透系數，在一次回風全空氣空調系統工程應用中，通常只在空調箱中設置總送風凈 化設備，即新風、回風經過混合后再統一經過空調箱內置過濾器凈化，在送風過濾器總效率為ηs時，有：

3 辦公建筑計算模型

3.1 室內設計參數

本文以采用一次回風空調系統的大開間高檔辦公室為研究對象，假定空調送風量均能夠滿足不同城市辦公建筑內冷熱需求，以此定性分析計算系統新風量變化對過濾器效率要求。辦公建筑計算模型的各項參數見表4。

表4 室內設計參數

由表 3 可知在人員密度小于 0.4 人/m2時人員 PM2.5 發塵量可以忽略不計，無論對于高檔辦公還是普通辦公室而言，設計人員的密度一般均不會超過0.4 人/m2，也即辦公建筑可以忽略人員 PM2.5 發塵量的影響。

3.2 過濾器計算選型

在設定好室內相關計算參數后，結合表 1、表 2 中室內外 PM2.5 設計值，以及式（1）、（2）即可計算出在滿足室內 PM2.5 設計值的要求下空調系統過濾器所需達到的效率。本文分別計算了空調季、過渡季50%、70%、100%新風比四種工況下各地空調系統過濾器所需達到效率，見表5。

表5 空調系統過濾器效率（%）

由表5 中數據可以看出，在滿足室內 PM2.5 設計濃度為35 μg/m3的前提下，各地空調系統過濾器所需達到的最低效率基本都出現在空調季最小新風工況下，只有烏魯木齊對應的過濾器最低效率在過渡季 50%新風工況。而在過渡季采取空調節能措施開始增大新風比后，過濾器所需達到效率開始大幅提高，并且隨著空調系統新風比增加而增加，以北京為例，空調季過濾器效率為 42.82%即可滿足辦公室內 PM2.5 濃度設計要求，在過渡季 100%全新風工況下，過濾器效率則需要達到 84.06%。根據前述圖 1、圖 2 室外 PM2.5 設計濃度的分析，由于 PM2.5 在過渡季設計值僅是略低于空調季設計值，因此對過濾器效率而言的最不利工況均出現在 100%過渡季新風比情況下，可見對于有過渡季增大新風比要求的一次回風空調系統，簡單的根據室外 PM2.5 設計日濃度來選擇空調系統過濾器是不合理的。

我國現行規范尚未對各級過濾器的 PM2.5 過濾效率做出規定，本文結合過濾器對PM2.5 的過濾效率相關文獻[7-9]，列出舒適性空調常用的各級別過濾器 PM2.5 計重效率，見表6。

表6 各級別過濾器PM2.5 效率（%）

由表6 中可以看出，G3、G4 級別的初效顧慮器對于PM2.5 的過濾效果甚微?？紤]到靜電式過濾器受大氣塵粒徑分布、過濾器斷面風速、過濾器使用狀態等因素影響較大，本文選擇文獻[8]中 8 種型號靜電過濾器 PM2.5 計重效率最低值作為計算依據。在辦公建筑一次回風空調系統中，工程設計過濾器配置通常采用初效+中效袋式或初效+中效袋式+中效靜電的組合配置形式，在此原則下空調系統的送風總過濾器的效率為：

式中：η1，η2…分別為級過濾器效率。

根據表5、表6 中數據，本文選取了5 種比較常用的過濾器組合配置方案，對應PM2.5 過濾效率見表7。

表7 過濾器組合效率

各地空調系統過濾器選型結果見表 8，表中字母對應表7 中各過濾器組合編號。

表8 過濾器選型結果

從表 8 中可以看出，在空調季最小新風工況下，8 個城市選用配置 A 方案（G4+M6）即可滿足過濾需求。北京在過渡季對于過濾器的配置要求較高，50%～100%三種新風比工況下均需采用 D 方案（G4+F7+靜電）。廣州和烏魯木齊則全年對過濾器配置要求較低，只有 100%新風工況需配置 B 方案（G4+F7），其余時段配置 A 方案即可滿足要，廣州屬于全年室外 PM2.5 均處于較低水平，烏魯木齊是在空調季室外 PM2.5 較高（245 μg/m3），在過渡季室外PM2.5 則明顯降低（88 μg/m3）。其余城市過濾器配置總體呈隨過渡季新風比增大過組合過濾器配置提升趨勢，基于本文選取的各類過濾器 PM2.5 計重效率計算，D 方案（G4+F7+靜電）可滿足上述8 座城市在全年所有工況的PM2.5 過濾需求。

4 結論

本文在我國不同地區的 8 個城市 7 年間室外 PM2.5 日均數據基礎上，用年不保證 5 天均值法分別得出室外PM2.5 在空調季和過渡季的設計值。建立了一個辦公建筑一次回風空調計算模型，分析計算了在空調季最小新風工況和過渡季增大新風比工況下空調系統過濾器所需達到的效率值，并根據各級別過濾器效率給出了針對各城市不同空調工況下過濾器組合配置方案。得出以下結論：

1）經過連年治理，各城市室外 PM2.5 值在空調季和過渡季整體上呈逐年下降的趨勢，過渡季室外 PM2.5 值略好于空調季，但并不明顯。

2）對于采用一次回風空調系統的辦公建筑而言，因節能綠建等要求過渡季節需要增大新風比運行，此時過濾器所需達到效率較空調季最小新風工況開始大幅提高，因此對于這類建筑，將室外 PM2.5 設計值按空調季和過渡季分別計算，并依此來進行過濾器選型是有必要的。

3）在文中選定的過濾器效率基礎上，空調季最小新風工況采用 G4+M6 即可滿足所選 8 個城市 PM2.5 過濾需求。而G4+F7+靜電過濾器的組合配置，可以滿足各地在全年所有工況的PM2.5 過濾需求。