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室内空气质量(PM2.5)净化方式和效果的研究--辽净净化工程

2019-04-12

1 背景情况

1.1 空气现状论述

细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5。细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中,其在空气中含量浓度越高,就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分,但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比,PM2.5粒径小,面积大,活性强,易附带有毒、有害物质,且在大气中的停留时间长、输送距离远,因而对人体健康和大气环境质量的影响更大[2]。

世界范围内,美国观测最多,获得的数据点密度也******,其PM2.5质量浓度远小于其他观测区域。统计的美国近200个数据点显示美国全国PM2.5平均浓度约为7.0 μg/m,其中美国西南海岸加利福尼亚州浓度较高,为3.3 μg/m ~ 37.1 μg/m。西欧各国家的PM2.5质量浓度差距较大,德国、法国等国家浓度较小,PM2.5仅几微克每立方米,而意大利、西班牙、英国等国家的浓度较高,约为几十微克每立方米;就发展中国家印度、孟加拉国及我国而言,PM2.5质量浓度明显高出很多。印度首都新德里全年PM2.5质量浓度接近150 μg/m。孟加拉国首都达卡PM2.5质量浓度更是高达300 μg/m[2]。我国PM2.5污染情况形势也较为严重 , 质量浓度介于100μg/m~300 μg/m。图1、图2为2016年某日下午全球主要城市PM2.5检测实时数值。

我国正遭遇经济高速发展带来的后遗症,环境污染,主要包括大气污染、水污染与土壤污染三方面。近年,随着PM2.5与雾霾逐渐受到重视,大气污染成为国人关注焦点。笔者统计了近几年北京的空气质量情况数据,近几年,随着国家的治理力度的加大,北京市空气质量明显改善,但全年平均值仍有55.67 μg/m,和发达国家、发达地区相比,仍有不小的差距。见图3、图4。

1.2 PM2.5 对人体影响

PM2.5的直径还不到人的头发丝粗细的1/20,PM2.5颗粒的危害在于以下几点:

(1)可以穿透人体呼吸道的防御毛发状结构(也就是鼻腔中的鼻纤毛)进入人体内部,引发人体整个范围的疾病PM2.5 对心血管系统也可以产生毒性作用它主要通过两条途径危害人体的心血管:一是通过引起炎症反应及继发的高凝状态,二是通过改变自主神经功能人体吸入 PM2.5 颗粒物后可能会引发机体的一系列急性应激反应,并改变循环系统功能,从而导致心血管系统疾病的发生大量流行病学研究证明,心血管系统疾病患者的入院率和病死率与室外空气污染相关,特别是与PM2.5 浓度相关Schwartz 等研究发现,心肺疾病的日病死率增加与 PM2.5 有密切的关系,PM2.5 日平均值每增加 10 μg/m,当日的病死率会增加 1.5%[2]。

(2)PM2.5 对大气能见度有强烈的消光能力,使大气的消光度数倍甚至数十倍的增加,使视野大大缩短,远处变成一片暗灰色能见度下降让大自然的美丽风景黯然失色,容易使人的心理健康受到影响;能见度下降严重时,还可能导致交通受阻等Sloane 等研究表明,能见度降低的主要原因是物体和环境之间失去了对比度,大气细颗粒和气体污染物对光的吸收和散射减弱了光信号我国关于可吸入颗粒物对能见度的影响也有所研究,王京丽和宋宇等统计了不同季节里 PM2.5 对能见度的影响[2]

(3)PM2.5浓度太高对气候最显著的影响是日照显著减少,PM2.5同时还改变了气温和降水模式,导致我国雾天增多[2]。

1.3 国外 PM2.5 标准

PM2.5 的标准,是由美国在 1997 年提出的。由于细颗粒物的重要性,美国环保局在 1997 年提出的环境空气中颗粒物标准的修改提案中新增了关于PM2.5 的标准。世界卫生组织(WHO)2005 年******出台的《空气质量准则》中对大气中可吸入颗粒物的浓度限值制定了严格的标准。WHO 指出对于发展中国家的城市而言,PM10 中的 50%是 PM2.5;在发达国家城市中 , PM10 中的 PM2.5占50%~80%WHO 向全球发布了更新版的空气质量标准文件《WHO 空气质量准则 2005 年》指出:PM10的日均浓度每升高 10 μg/m,就会使死亡率增加约0.5%当 PM10 浓度达到 150 μg/m时,预期日死亡率会增加 5%在这一文件中,WHO 还提出 PM2.5的年均暴露指导值是 10 μg/m3,这一指导值在高度发达国家较大城市地区是可以实现的当低于这一水平时,预期可以显著降低健康风险同时,针对高污染的国家和地区,还提出了 PM2.5 的 3 个过渡时期目标值(即 IT),见表 1[3]。美国等国家也相继制定法规,规定PM2.5的浓度标准,现将部分国家数值列于表2。

1.4 国家现行相关标准

国内也相继开展关于PM2.5的研究。针对细颗粒物的来源、成分、水平的环境科学研究,推动了决策者和研究人员重新考虑大气颗粒物的环境质量标准。室外大气PM2.5浓度变化相当大,与时间地点环境条件气象等诸多因素有着密切的关系我国环境保护部行业标准HJ 633-2012《环境控制质量指数(AQI)技术规定(试行)》给出了空气质量指数分级标准,规定室外空气质量指数类别为优良轻度污染中度污染重度污染严重污染,对应的PM2.5的24h均值范围分别为:0 μg/m3~35 μg/m335 g/m3~75μg/m3、75 μg/m~115 μg/m3115 μg/m~150 μg/m150 μg/m~250μg/m250 μg/m~500μg/m根据PM2.5检测网的空气质量新标准,24h平均值标

准值分布见表3据调查,室外的空气质量是室内污染源的主要来源,但不是全部来源,室内的二次产尘对PM2.5数值也有很大影响。见图5。

1.5.1 人员活动

人员活动与室内 PM2.5 的产生和传播密切相关,可能会导致室内 PM2.5 的浓度瞬间增加数倍。人员活动产生颗粒物的数量取决于室内的人数、活动类型、活动强度以及地面特性。人的生理活动,如皮肤代谢、咳嗽、打喷嚏、吐痰、说话以及行走都可能产生颗粒物[1]。

1.5.2 吸烟等燃烧

对于有吸烟行为的办公空间,香烟释放的烟雾是室内环境中 PM2.5 的主要来源,吸烟所产生的颗粒物直径大部分都小于 2.5 μm。

1.5.3 办公设备

打印机和复印机等设备的运行和使用是办公建筑室内 PM2.5 的主要来源。

1.5.4 餐饮活动

对于设置餐饮功能的办公建筑,餐饮区域的PM2.5 主要来源于餐厅炊事,在餐厨联通的区域尤

为明显。

1.6 室内控制质量目标设定

针对上述论述并结合我国国情,建议目标设定为:新风系统 PM2.5 净化效率≥90%;设置室内循环净化的办公室,当室外轻度和中度污染时室内PM2.5 小时均平均浓度≤35 μg/m,当室外重度污染时室内 PM2.5 小时均平均浓度≤75 μg/m。

2 现有除霾技术介绍

2.1 处理系统选用

目前常用的处理PM2.5形式有5种,我院对这5种系统实际运行情况进行了详细调研。这5种形式如下:

(1)净化新风机组+风盘净化(本文采用)

(2)新风净化

(3)单体式空气净化器

(4)集中空调+新风机组

(5)没有新风及净化装置

室内室外PM2.5数值比值见图6[1]。采用传统的集中空调新风机组时,室内PM2.5大部分时间低于室外浓度,但是如果维护不当,或者人员活动较多时,室内PM2.5浓度会远高于室外PM2.5浓度。

部分新风机组加装空气净化装置后,在室外高浓度情况下,室内PM2.5浓度能够保持明显低于室外浓度,即使在室外浓度较低的情况下,室内PM2.5依旧不会明显高于室外。数据中有三个项目是新风机组和风机盘管都加装了空气净化装置,室内PM2.5保持在室外浓度的10%左右,改善室内环境的效果非常显著。部分建筑室内使用了单体式空气净化器,可以基本保证室内PM2.5低于室外,但是也有可能因为

品牌或选用不当,造成效果不显著(室内浓度低于室外50%以上只占一半)。另由于其没有新风系统,随着室内人员活动,造成氧气消耗,使人有憋闷感。处理效果******的是采用新风处理+风盘处理的系统,本项目即采用这种形式。净化模块是新风除霾机功能实现的核心部分,选择的净化方案直接决定着除霾的效果。目前,从实现除尘的技术方式上来说,主要分为滤网式、静电式、化学式和水洗式,由于水洗式应用较少,以下主要介绍前三种形式。

2.2 PM2.5 净化技术

滤网式净化(见图7),将空气从机器中流过,通过内置的滤网过滤空气,主要能起到过滤粉尘、异味、有毒气体和杀灭部分细菌的作用。滤网又分:初效滤网、去甲醛滤网、中高效HEPA滤网、活性炭滤网等。每一种滤网针对的主要污染源都不相同,过滤的方法也不相同。其中,初效滤网主要过滤柳絮、琐屑等大颗粒杂质,相对成本略高的HEPA滤网主要负责吸附细小颗粒。

静电式净化(见图8),利用静电场使空气电离,从而使尘粒带电吸附到电极上的收尘方法。在强电场中空气分子被电离为正离子和电子,电子奔向正极过程中遇到尘粒,使尘粒带负电吸附到正极被收集。当然通过技术创新,也有采用负极板集尘的方式。由于电离连锁反应,在极间运动的离子数大大增加,且高强电压捕获附带细菌颗粒,瞬间导电击穿由蛋白质组成的细胞壁,达到杀灭细菌吸附除尘的效果。化学式净化(见图9),光催化技术是利用洁净、安全、环境友好的光催化材料,把太阳能转化为化学能,对有毒有害的物质进行氧化降解,达到无害化处理。

光触媒必须在紫外线的照射下才能发挥作用。如果不能获得太阳光照,须另外加上紫外灯发射紫外线,但是过多的紫外线对人体有伤害,所以要避免紫外线灯裸露。

从表5中可以看出,几种过滤技术各有优劣。针对当前建筑环境,建议采用滤网和静电复合的净化方案,既能保证对大颗粒杂质和PM2.5的有效处理,又能******程度上延长滤网寿命,有效降低维护成本。至于化学式的方式,由于其对太阳光的依赖程度较高,没有太阳光时需要紫外线灯具,局限性和安全性偏低,其适用于特殊场合中。

上述多种处理技术,再加上多种系统形式,衍生出很多种组合。综合各种因素,笔者认为在净化原理方面,静电式有需要空间小、运行阻力小等优势,比较适用于公共建筑场所,最适用于改造项目使用。新风净化+室内风机盘管循环净化的系统形式,即解决了雾霾的室外源头问题,又解决了室内二次产尘的问题。故笔者认为,静电净化技术与新风净化+室内风机盘管循环净化的组合形式更能满足空气处理效果。但大家都比较关心的是其净化效率及臭氧发生情况,下面笔者通过国家电网白广路项目的具体实例,说明该问题。

3 项目实例

3.1 项目概况

国家电网白广路办公楼空调系统改造项目位于北京市宣武区白广路二条一号。该综合办公楼 4 层空调系统采用风机盘管加新风系统,新风系统共设置 2 个新风机房。因该新风系统对新风未做空气处理导致室外空气质量污染影响室内空气,也降低了对室内空气调节的效果。

3.3 目标设定

结合项目现状确定目标即设置室内循环净化的办公室,当室外轻度和中度污染时室内 PM2.5 小时均平均浓度≤35μg/m,当室外重度污染时室内PM2.5 小时均平均浓度≤75 μg/m。

3.4 系统形式

本项目采用新风净化加室内风机盘管净化的系统形式,除尘技术采用微静电新风除尘净化。新风系统净化:该项目的现有 2 台空调新风机

组保持不动,结合 2 个新风机房内的实际状况,在新风机组中效过滤段位置加装微静电过滤器。室内风机盘管净化:该项目 4 层选定了 8 个房间,分别是值班室、409、412、413、418、428、431和 432,共计 10 台风机盘管,在回风口处安装微静电式室内循环净化装置。

3.5 第三方检测

经过一段时间运行,为检验运行效果,本项目委托国家建筑工程质量监督检验中心对本项目进行了两次检验,第一次对整个系统净化效率进行检测,第二次对微静电净化设备臭氧发生情况进行了监测,检测结果在室外浓度 310 μg/m3 时,室内 PM2.5浓度<35 μg/m3,达到了优级水平,超过了项目之初的设定目标。由于篇幅所限,现仅列出检验的数据结果(见表 7),如有兴趣查看检验报告可联系笔者。

通过本项目的各方面数据显示,该净化系统完全可以解决公共建筑的空气净化问题,且不会产生不利影响。

3 结论与建议

我们在实际研究中发现,仅采用新风净化系统即可达到一定的净化效果,但不能完全消除雾霾对室内环境的影响,再加上室内风机盘管循环净化,会达到理想的处理效果。另外也说明,目前的静电净化技术已经比较先进,可以解决臭氧的发生问题可以在净化系统中使用。但系统经过几年的运行后,是否还能达到目前的净化效率,是否会有臭氧产生,待笔者后续测试后再行发布。

对于该系统,笔者还有下述建议供大家参考:

(1)适当增加新风量,减少排风量,以维持室内足够的正压。

(2)室内有风机盘管或组合式空调器的项目,应在风盘和组空设备中增加净化装置。

(3)施工过程中要严格控制门窗边框的缝隙。

(4)加强强弱电缆管端头封堵措施。

(5)适当加大新风量,但新风量也不宜过大,

过大新风量将加大室内冷热负荷,在设计阶段应综合考虑。 

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