基于控制室內顆粒物的空調系統設計

周建平

(上海上實龍創智能科技股份有限公司,上海 200436)

城市空氣污染嚴重影響人們的身體健康,空氣中的污染顆粒物會影響人體的呼吸系統的健康,大氣中小直徑的顆粒物,如PM2.5、PM10 等的顆粒物不僅是灰霾天氣的元兇。且能在空氣中滯留時間較長時間(3-5 天),會隨風進行異地輸送。通常這些小顆粒對人的呼吸系統的健康影響較大。文章對市中心的辦公大廈空調控制系統進行改造,以達到有效控制室內PM2.5 的目的,為控制建筑物的PM2.5 的優化設計提供借鑒。

1 項目概況

上海上投資產項目空調及通風工程地處黃浦區淮海中路上海市中心,主要的涉及項目內容為區域內空調、通風等工程。每層建筑面積約3500m2,實用面積約3000m2。此工程項目包括三大系統：空調風系統、空調水系統、新排風系統。上海上投資產項目空調及通風工程項目內原有系統老舊、復雜、且系統設計不合理。項目為高檔辦公場所,業主對空調及通風健康要求比較高,除要符合常規辦公空調的要求外,還要滿足空氣顆粒度的要求,即室內空氣中小顆粒物(PM10、PM2.5)要符合國家標準外,還要盡可能減少小,充分保證工作人員的健康。

2 PM 2.5 污染控制

2.1 室內PM 2.5 危害及來源

根據GB3095-2012 環境空氣質量標準,國家的PM10 標準值為24 小時平均濃度小于150μg/m3,PM2.5 標準值為24 小時平均濃度小于75μg/m3。辦公場所顆粒物(PM10、PM2.5)的來源于室外和室內兩大部分；室外部分是由外部空氣進入室,通常由送風系統進入室內、門窗等圍護結構縫隙的滲透、人員進入室內時門開啟時帶入,以及人員身上攜帶進入室內；空調建筑物由送風系統帶入室內為主。室內的顆粒污染物主要是來源為吸煙、餐飲、裝修圍護結構材料、涂料、人員活動及二次懸浮等。

2.2 通常空調使用的空氣過濾器過濾作用

通常空調系統會采用FCU 回風過濾器、新風過濾器；這種過濾網一般采用纖維材料制作,因材料本身所限,只能達到粗濾的效果,從濾材的數據來看,好像對顆粒物有過濾作用,但在實際使用中,由于風速、維護頻度、使用時間等原因,影響使用效果。

新風過濾器,一般在新風系統入口處安裝,是外部空氣主要入口途徑,材料比風機盤管過濾要稍微細一點,但是也只能達到粗效過濾的作用,是室內與室外空氣溝通的橋梁,是室內顆粒物的主要來源[1]。

從材料的過濾參數上看,這些材料似乎有過濾小顆粒物的作用,但過濾器由纖維結構組成,在實際使用中,經過空氣中較大顆粒的沖擊,或清洗過程中被水高壓沖洗,纖維結構會有損壞,導致過濾污染顆粒物的效果大為降低,從而不能充分過濾空氣中有害顆粒物,無法保證顆粒物不對人體造成傷害。

3 駐電極纖維空氣凈化裝置

在項目實施中,采用愛啟環境的SNEP 駐電極高效凈化裝置,該裝置是納米碳纖維電場塵粒聚集空氣凈化裝置,是一種高效、低阻、節能的空氣凈化裝置。裝置由初效空濾、電場微粒聚集空氣凈化、納米光子空氣凈化、高效活性炭吸附、節能低噪風機五個部件通過管路串接而成[2]。

在自然狀態下,空氣中的顆粒物不易聚結形成較大粒子,尤其是一些小顆粒物(PM10、PM2.5),如采用過濾的方法就要使用高效過濾器,這會增加過濾的阻力,增加能耗；同時高效過濾器的存污量相對較小、需頻繁更換[3]。SNEP 裝置采用在空間建立一個電場使小顆粒感應成為帶有部分電量的電荷, 帶電小顆粒相互作用而聚集成較大的粒子, 在空調系統中較容易被過濾或被駐電極材料吸附,從空氣中分離出來,達到凈化空氣的目的。

本裝置產品主要技術特點如下：

圖1 駐電極纖維空氣凈化裝置結構圖

(1)收集效率高,風速為2.5m/s 時,PM2.5 收集效率達92%以上；風速為1.0m/s 時,PM2.5 收集效率達98%以上。

(2)SNEP 收集模塊可清洗后重復使用,清洗后再使用,不會改變收集小顆粒物的效果,設計壽命大于8 年。

(3)空調箱內使用時風阻約為50Pa,風機盤管內使用時的風阻約為10-20Pa,與中效濾網過濾相比,可減少風機的能耗,節能率約為80%。

(4)SNEP 模塊厚度小于120mm,產品標準模塊化,便于在空調箱內使用,可大幅降低安裝的要求,產品結構堅固,不易變形,維護方便。

4 空調凈化控制系統設計

風速在2.5m/s 及以下時,小顆粒物去除效果較好,要保持現場的良好環境,在滿足空調要求的前提下,保證顆粒物在凈化的較好的效果,必須對風機進行調速控制[4]。本文主要介紹室內污染顆粒物的控制,關于一般空調的控制有較多文獻,本文不再累述。

通過空氣質量傳感器檢測到空氣的污染數據,根據空氣的污染數據,對風機和凈化裝置進行調節控制,在不影響空調使用的情況下,確保系統的風速不大于2.5m/s；如圖2,控制系統主要由空氣質量傳感器、人機交互系統、控制裝置、風機和凈化裝置五個部分組成。

圖2 系統結構圖

控制裝置為可編程控制器,其中,硬件主要包括內部中央處理器、系統存儲器和控制器接口、電源等；中央處理器(CPU)作為整個可編程控制器的重要部分,能夠實現信號傳輸,實施風機轉速控制和凈化裝置的開/關控制。

空氣質量傳感器/溫濕度傳感器主要是指顆粒物質量濃度傳感器和溫濕度傳感器；負責采集環境的信息數據,并將信息發送到控制器,控制器輸出調節信號控制執行單元。

人機交互系統：用戶通過設置在控制面板上的按鍵、手/自轉化開關等,調整控制風機、凈化器的工作模式,并通過顯示屏讀取顆粒物的參數及控制單元的運行狀態,實現人/機間的信息交流。

風機為凈化器提供動力,引導污染空氣進入凈化器,加快室內空氣循環,達到凈化效果。

空調凈化裝置主要有自動凈化、手動凈化和強力凈化三種方式。風機支持三級調速,自動模式下,風機轉速可實現三級調速(低速、中速、高速)；快速凈化模式時風機為高速狀態。具體設計如下：(1)自動凈化,根據傳感器監測的小顆粒物質量濃度,自動調節風機轉速和凈化裝置的開/關；(2)手動凈化,用戶控制面板手動調節風機轉速和凈化裝置的開/關；(3)強力凈化,風機維持在最高轉速,凈化裝置開啟。凈化器的工作方式如表1。

表1 凈化器工作策略

5 新風系統對室內PM2.5 控制效果分析

2019 年上海地區累計有28 天為空氣顆粒(PM10、PM2.5)污染天氣,以1 月空氣細小顆粒物(PM10、pM2.5)濃度平均數60μg/m3為例,現場有兩臺風量為6000m3/h 新風機,空調運行時間為9 小時,凈化效率以90%計算:在冬季,每天通過空調系統帶進室內的污染顆粒物為：

未凈化處理時：6000m3/h*2*60μg/m3*9 小時=6480mg

凈化處理后：6480mg*(1-90%)=648mg

冬季,在辦公區域每個工作日的風機帶入的顆粒物約有6480mg,再加上建筑物內部的產生的顆粒物,有更多的有害顆粒物存在,長期在這樣的工作環境工作,不利于身體健康。經空氣凈化處理后,污染物有大幅的降低,達到和超過國家一級標準,對人體健康幾乎不產生影響。

6 結論

本文基于室內環境細小顆粒物(PM10、PM2.5)的問題,就改善空氣質量的方法及控制的方法展開分析,經過產品的應用及其控制系統的設計,為室內環境細小顆粒物(PM10、PM2.5)污染問題提供了一個很好的解決辦法,創造出一個合理的生態辦公環境,有利于工作人員的身體健康,同時希望本項目設計的空調控制系統給相關從業人員提供借鑒與參考。