飛機座艙顆粒物濃度評估方法研究

曹 祎 張絮涵

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

隨著民航事業的不斷發展，人們乘坐飛機時不僅關注飛機在飛行過程中的安全問題，而且越來越關注飛機客艙內的空氣品質[1]。近年來，全國多地出現霧霾，而可吸入顆粒物是霧霾的主要成分。可吸入顆粒物包括粗顆粒物PM10和細顆粒物PM2.5。飛機在地面停機或飛行時，通風系統會將大氣中的顆粒物通過送風管路帶入座艙，使飛機座艙內顆粒物濃度增大。而飛機狹小的座艙環境不利于艙內顆粒物的排出，顆粒物濃度超過限值時會對人體健康造成傷害[2]。因此，在飛機通風系統設計時必須考慮座艙顆粒物濃度限值對系統設計的約束。通常在飛機設計研制階段，這一約束作用體現為通過對通風系統設計方案進行反向校核，評估其是否滿足座艙顆粒物濃度設計需求。

本文以某民用飛機為研究對象，提出飛機座艙顆粒物濃度評估方法。通過對國內外相關技術文獻調研并進行指標權衡分析，得到顆粒物濃度權衡指標限值，并基于此設計需求，對某民用飛機的通風系統設計方案的需求符合性進行評估。

1 需求分析

1.1 顆粒物標準值

世界各國組織機構對于環境中顆粒物限值做了規定，各規定中相應參數見表1。

表1 顆粒物的空氣質量標準

1.2 指標權衡分析

對于客機座艙顆粒物濃度PM10，目前基本所有的飛機相關標準及各國適航條例中并未對此做出詳細規定，歐洲航空工業協會標準prEN 4618-2013[3]中要求PM10 24 h內加權平均濃度值不高于150 μg/m3，這個限值是從健康角度出發制定的，與國家標準GB 9673-1996[4]與GB 18883-2002[6]中對PM10濃度標準限值相同，并且150 μg/m3也是EPA-2014[7]等很多組織室內空氣質量PM10濃度限值。而WHO-2005[10]對PM10規定更為嚴格，準則值為24 h均值50 μg/m3。美國政府工業衛生協會在ACGIH-2005[8]中規定，考慮工業環境中惡劣情況，對PM10的峰值規定為10 000 μg/m3。因此，可以按照標準取PM10峰值為10 000 μg/m3，滿足安全的要求；取PM10 24 h內加權平均濃度值150 μg/m3，滿足健康的要求；取PM10 24 h均值50 μg/m3，滿足舒適的要求。

對于客機座艙顆粒物濃度PM2.5，各國適航條例中并未對此做出詳細規定，歐洲航空工業協會標準prEN 4618-2013[3]中要求PM2.5 1 h內加權平均濃度值100 μg/m3，連續值40 μg/m3，這個限值是從健康角度出發制定的。美國環境保護局EPA-2014[7]中對PM2.5 24 h均值取35 μg/m3，而在WHO-2005[5.2-5]對PM2.5規定為更為嚴格的準則值24 h均值25 μg/m3。美國政府工業衛生協會ACGIH-2005[8]中，考慮工業環境中惡劣情況，對PM2.5的峰值規定為3 000 μg/m3。因此，可以按照標準取PM2.5峰值為3 000 μg/m3，滿足安全的要求；取PM2.5連續值40 μg/m3，滿足健康的要求；取PM2.5 24 h均值25 μg/m3，滿足舒適的要求。

顆粒物濃度權衡指標限值見表2[7]。本文以舒適值作為設計需求，對某民用飛機通風系統設計方案的需求符合性進行評估。

表2 顆粒物濃度權衡指標限值

2 計算方法

進入座艙的顆粒物的污染源可分為艙外源和艙內源。艙外源是指地面污染和高空大氣中的化合物，其通過飛機引氣系統進入座艙，顆粒物在環控系統內部會出現沉降。艙內源可能的來源主要包括座艙內人員散發的顆粒物、餐飲服務產生的顆粒物等。本文暫不考慮由艙內源產生的顆粒物。

假設進入引氣管路的顆粒物濃度CB與外界環境中的濃度Cout保持一致，則某時刻送入座艙的顆粒物濃度計算公式為：

式中：CV為送入座艙的顆粒物濃度，kg/m3；QV為總通風量，m3/s；S為再循環比例；ηB為引氣過濾器效率；Ci為座艙內的顆粒物濃度，kg/m3；ηr為再循環過濾器效率；ES為顆粒物在環控系統內部的沉降量，kg/s。

顆粒物在環控系統內部的沉降量計算公式為：

ES=ηSCBQV(1-S)

(2)

式中：ηS為顆粒物在環控系統內部的沉降率。

座艙內顆粒物質量濃度平衡關系式為：

(3)

式中：V為座艙容積，m3；EC為由艙內源產生的顆粒物量，本文取EC=0 g/s。

根據上述公式即可求得某時刻座艙內顆粒物濃度值。

當座艙內顆粒物濃度達到穩定時，顆粒物濃度值計算公式為：

(4)

當不考慮艙內源時，公式(4)可簡化為：

(5)

即當達到穩定時，艙內顆粒物濃度與座艙容積、通風量均無關。

對公式(3)進行拉氏變換，即可得座艙內顆粒物濃度變化的時間常數τ計算公式為：

(6)

即座艙內顆粒物濃度達到穩定的時間只與座艙容積、通風量、再循環比例及再循環過濾器效率有關，與艙外環境的顆粒物濃度等因素無關。

當座艙內顆粒物濃度不滿足飛機座艙環境舒適性需求時，需增加過濾器。過濾器效率值的求解過程應為穩態過程，即艙內顆粒物濃度達到穩定最大值時，對應的過濾器效率即為最低過濾效率值。

根據公式(4)，可得到引氣過濾器效率計算公式為：

(7)

當不考慮艙內源時，公式(7)可簡化為：

(8)

由公式(8)可知，引氣過濾器效率與通風量無關。

根據公式(4)，可得到再循環過濾器效率計算公式：

ηr=1-

(9)

當不考慮艙內源時，公式(9)可簡化為：

(10)

由公式(10)可知，再循環過濾器效率與通風量無關。

3 顆粒物濃度評估

以某客機為例，采用上述計算方法對座艙內顆粒物濃度進行評估分析。

3.1 計算輸入分析

計算時取客艙容積為500 m3，再循環比例為0.5。

艙外環境顆粒物濃度基于目前中國主要五大機場(北京首都國際機場、上海浦東國際機場、上海虹橋國際機場、廣州白云國際機場、深圳寶安國際機場)和天津濱海國際機場在2014年PM2.5和PM10平均值得到[11]。由于圖1中數據為顆粒物濃度平均值，本文選取各機場濃度最大值并上浮50%作為本次計算艙外環境顆粒物濃度極限值，故PM2.5極限值取126 μg/m3；PM10極限值取207 μg/m3。

圖1 中國主要機場顆粒物濃度平均值

艙外污染物通過發動機引氣進入環控系統，在經過系統各個部件后會出現沉降。顆粒物的沉降包括氣流經過彎頭較多、管路較細或表面積較大的復雜管路或設備表面時，顆粒物的自主沉降；以及氣流經過機械旋轉部件、洗滌裝置等設備，導致顆粒物與氣流分離，從而實現氣流中顆粒物濃度降低。這兩種方式的去除均以沉降率進行定量描述。研究表明，0.3 μm的細小顆粒在環控系統內的沉降率約為75%，且沉降率隨顆粒粒徑的增大而增大[11-12]。本文取艙外空氣顆粒物在環控系統內的總沉降率為75%。

3.2 濃度評估計算

根據公式(1)至公式(4)建立座艙內顆粒物濃度計算模型。分別取濃度值Cout為126 μg/m3和207 μg/m3，計算得到座艙內的PM2.5和PM10濃度變化趨勢，結果如圖2所示。

(1)PM2.5濃度變化趨勢

由圖2可知，當外界環境PM2.5濃度恒定為126 μg/m3，初始濃度為0 μg/m3，約1 945 s后座艙內PM2.5濃度達到穩定，穩定值為31.5 μg/m3。當外界環境PM10濃度恒定為207 μg/m3，初始濃度為0 μg/m3，約2 055 s后座艙內PM10濃度達到穩定，穩定值為51.75 μg/m3。

由第2章分析可知，不考慮艙內源產生的顆粒物時，達到穩定的艙內顆粒物濃度與座艙容積、通風量無關，即駕駛艙內顆粒物穩定值與客艙相同，即PM2.5為31.5 μg/m3，PM10為51.75 μg/m3。在不考慮艙內源產生的顆粒物時，座艙顆粒物濃度無法滿足環境舒適性設計需求。因此，需要增加過濾器。

由公式(4)可知，引氣過濾器效率與再循環過濾器效率間相互耦合，共同影響達到穩定的艙內顆粒物濃度。基于公式(8)或公式(10)建立過濾器效率計算模型，得到在座艙內顆粒物PM2.5及PM10濃度滿足設計需求的前提下，引氣過濾器效率與再循環過濾器效率間的相互關系。

(1)PM2.5

由圖3可知，針對PM2.5，不安裝再循環過濾器時，需保證引氣過濾器效率不低于5.5%，即可使座艙內顆粒物PM2.5濃度滿足設計需求；不安裝引氣過濾器時，再循環過濾器效率最低限值要求為26%。針對PM10，不安裝再循環過濾器時，需保證引氣過濾器效率不低于0.9%，即可使座艙內顆粒物PM10濃度滿足設計需求；不安裝引氣過濾器時，再循環過濾器效率最低限值要求為3.5%。若已知引氣過濾器效率或再循環過濾器效率值，即可通過查圖3得到對應的再循環過濾器或引氣過濾器的最低效率限值。綜合PM2.5和PM10的再循環過濾器效率及引氣過濾器效率，取其最大值即可作為座艙通風系統設計過濾器效率的最低限值。

4 結論

本文以某型民用飛機為研究對象，提出飛機座艙顆粒物濃度評估方法。通過對國內外相關技術文獻調研并進行指標權衡分析，得到顆粒物濃度權衡指標限值。以舒適值作為設計需求，對某民用飛機通風系統設計方案的需求符合性進行評估。結果表明，不考慮艙內源產生的顆粒物時，達到穩定的艙內顆粒物濃度與座艙容積、通風量無關，座艙內顆粒物濃度穩定值PM2.5為31.5 μg/m3，PM10為51.75 μg/m3。針對顆粒物增加過濾器，得到在座艙內顆粒物濃度滿足設計需求的前提下，引氣過濾器效率與再循環過濾器效率間的相互關系。不安裝再循環過濾器時，引氣過濾器效率最低限值為5.5%；不安裝引氣過濾器時，再循環過濾器效率最低限值要求為26%。