吳 濤 張華玲 劉洋伶 杜超軍

基于污染物控制的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)技術(shù)

吳 濤 張華玲 劉洋伶 杜超軍

（重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400045）

通過(guò)目前室內(nèi)PM2.5及VOCs采用的控制技術(shù)效果分析，特別針對(duì)具有集中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的大型民用建筑，提出了可以結(jié)合其空調(diào)系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)PM2.5和VOCs濃度的一種技術(shù)，并對(duì)方案設(shè)計(jì)和硬件構(gòu)成進(jìn)行了介紹。其中，PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)控制技術(shù)以濾膜稱重法為核心原理，對(duì)室內(nèi)空氣中可吸入顆粒物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和越限報(bào)警，并據(jù)此調(diào)節(jié)空調(diào)新回風(fēng)比例。VOCs濃度控制技術(shù)是在空調(diào)回風(fēng)箱內(nèi)利用光催化技術(shù)有效降解室內(nèi)空氣污染產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物，該技術(shù)可以提高反應(yīng)效率，減少二次污染少，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。

室內(nèi)環(huán)境；PM2.5；VOCs濃度；控制技術(shù)；空氣品質(zhì)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的發(fā)展，城市人口增加、各種空氣污染物排放和懸浮顆粒物排放量增加、大氣污染負(fù)荷增大，我國(guó)大部分地區(qū)頻現(xiàn)霧霾天氣。大氣污染物防治成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是PM2.5和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的治理。PM2.5和VOCs對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響非常顯著，據(jù)研究顯示，室外污染物濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室內(nèi)污染物濃度。人員活動(dòng)大部分時(shí)間是在室內(nèi)，PM2.5和VOCs濃度增加將嚴(yán)重影響人的健康。而目前市面上的空氣凈化裝置主要以凈化器的形式存在，占用室內(nèi)空間、影響美觀。因此，研究將空氣凈化裝置與集中通風(fēng)空調(diào)結(jié)合的技術(shù)十分必要。

1 室內(nèi)PM2.5和VOCs的來(lái)源及聯(lián)系

1.1 室內(nèi)PM2.5和VOCs的來(lái)源

PM2.5是指大氣中動(dòng)力學(xué)直徑不大于2.5μm的細(xì)顆粒物，其粒徑小，比表面積巨大，活性強(qiáng)能吸附細(xì)菌、病毒和各種有毒有害物質(zhì)，且可以很久的漂浮在大氣中，嚴(yán)重?fù)p害著室外環(huán)境和人體健康[1]。建筑室內(nèi)PM2.5的來(lái)源可以分為室內(nèi)源和室外源兩部分。室內(nèi)釋放PM2.5的污染源包括人員活動(dòng)和吸煙，實(shí)驗(yàn)證明吸煙是室內(nèi)環(huán)境PM2.5的主要來(lái)源[2]。此外，對(duì)于居住建筑，燃燒過(guò)程、烹飪和家務(wù)活動(dòng)也會(huì)引起污染；對(duì)于公共建筑，內(nèi)部的設(shè)備運(yùn)行及餐飲也是PM2.5的來(lái)源。室外的PM2.5進(jìn)入室內(nèi)的主要途徑有空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙穿透、自然通風(fēng)及人員攜帶等[3]。

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）一般指常溫下飽和蒸汽壓>70.91帕或沸點(diǎn)<260℃的有機(jī)化合物，一般包括芳香烴、脂肪烴、鹵代烴、含氧烴、萜烴、醇、醛、酮和酯等，是一種重要的室內(nèi)空氣污染物。室內(nèi)VOCs的種類繁多，來(lái)源廣泛。其來(lái)源大體可以分為三類：

（1）建筑裝飾、裝修材料和生活日用品，這些產(chǎn)品會(huì)持續(xù)不斷地釋放各種污染物，含甲醛、苯和甲苯等有害VOCs，極易降低室內(nèi)空氣品質(zhì)[4,5]。

（2）人類吸煙、人自身的新陳代謝；

（3）室外汽車尾氣、工業(yè)污染物、意外失火等[6,7]。

1.2 PM2.5和VOCs的聯(lián)系

當(dāng)前，我國(guó)大氣污染問(wèn)題復(fù)雜，呈現(xiàn)高污染負(fù)荷、多污染物疊加等特征，已從傳統(tǒng)的煤煙型污染逐漸過(guò)渡為以PM2.5和O3為特征的復(fù)合污染。揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）不僅很多本身就是有害或致癌性物質(zhì)，對(duì)人體危害極大。而且VOCs與汽車尾氣中的氮氧化物等在太陽(yáng)光紫外線照射下會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),生成二次顆粒狀污染物，這是造成PM2.5濃度增高的重要原因之一[8]。其它研究顯示，空氣中的顆粒物質(zhì)PM（Particulate Matter）約有50%來(lái)源于人為源和自然源，其余50%是由于VOCs與空氣中的氮氧化物（NOX）、二氧化硫（SO2）、氨（NH3）等氣態(tài)污染物在太陽(yáng)光紫外線照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成的二次顆粒污染物。

2 室內(nèi)PM2.5的控制方法及技術(shù)

2.1 室內(nèi)PM2.5的控制方法

建筑室內(nèi)PM2.5控制措施可以根據(jù)其來(lái)源分為兩大類，一是主動(dòng)控制措施，二是被動(dòng)控制措施。主動(dòng)控制中，對(duì)于安裝有集中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的建筑，可在空調(diào)系統(tǒng)中安裝空氣凈化裝置，一些研究者已提出了集中空調(diào)系統(tǒng)空氣過(guò)濾器等級(jí)組合策略[9]；對(duì)于住宅等無(wú)集中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的建筑，一般采用空氣凈化器；而對(duì)于建筑的餐飲區(qū)域，則要控制廚房油煙在建筑內(nèi)的擴(kuò)散和凈化[3]。被動(dòng)控制措施中，主要考慮隨滲透風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)的PM2.5滲透負(fù)荷，可采用措施有條外窗氣密性、保證外窗密封條安裝質(zhì)量、加強(qiáng)墻體預(yù)留孔口密封及定期維護(hù)等。

2.2 PM2.5濃度越線報(bào)警及空調(diào)風(fēng)量調(diào)節(jié)技術(shù)

2.2.1 方案總體設(shè)計(jì)

該調(diào)節(jié)系統(tǒng)由顆粒物檢測(cè)和空調(diào)風(fēng)量調(diào)節(jié)模塊組成（如圖1所示），風(fēng)量調(diào)節(jié)模塊對(duì)新風(fēng)和回風(fēng)顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)量和比較后發(fā)出反饋信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度減少顆粒物濃度較大一方的風(fēng)量，從源頭上減少進(jìn)入室內(nèi)的顆粒物。并且在新風(fēng)量減小時(shí)能減輕新風(fēng)熱濕處理設(shè)備的負(fù)荷，減少能源消耗[10,11]。

同時(shí)，置于室內(nèi)的顆粒物濃度檢測(cè)模塊判斷出室內(nèi)空氣顆粒物濃度是否超過(guò)預(yù)設(shè)值。若未越限則表明室內(nèi)空氣顆粒物濃度水平正常，檢測(cè)模塊進(jìn)入下一檢測(cè)循環(huán)。一旦顆粒物濃度水平越限則發(fā)出越限反饋信號(hào)說(shuō)明室內(nèi)空氣顆粒物已嚴(yán)重超標(biāo)，該反饋信號(hào)與風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)進(jìn)一步減少顆粒物濃度較大一方風(fēng)量。如果用戶在使用獨(dú)立的空氣凈化裝置，則該越限信號(hào)可控制啟動(dòng)凈化裝置，與風(fēng)量調(diào)節(jié)模塊合作從源頭減量和室內(nèi)凈化兩個(gè)方面控制顆粒物濃度到達(dá)正常水平，減少了獨(dú)立凈化的負(fù)荷，降低了凈化裝置的能源消耗量。

圖1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成及運(yùn)行流程

2.2.2顆粒物檢測(cè)模塊工作過(guò)程

顆粒物檢測(cè)模塊對(duì)原有的室內(nèi)空氣可吸入顆粒物進(jìn)行定量的采樣收集，利用顆粒物濾膜對(duì)空氣樣本中的顆粒物進(jìn)行吸附積累，并在重力沉降作用下壓迫顆粒物收集濾膜發(fā)生彈性形變，當(dāng)形變量到一定程度時(shí)帶動(dòng)報(bào)警開(kāi)關(guān)動(dòng)作。根據(jù)形變量與顆粒物濃度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系可定性判斷室內(nèi)空氣顆粒物濃度是否超過(guò)預(yù)設(shè)值，并在顆粒物濃度越限后打開(kāi)室內(nèi)空氣凈化設(shè)備，而在顆粒物濃度達(dá)標(biāo)時(shí)關(guān)停凈化設(shè)備，避免凈化設(shè)備沒(méi)有必要的運(yùn)行造成能源浪費(fèi)，如圖2所示。

圖2 顆粒物檢測(cè)模塊運(yùn)行過(guò)程

2.2.3 風(fēng)量調(diào)節(jié)模塊工作過(guò)程

1—回風(fēng)管道；2—新風(fēng)管道；3—電動(dòng)風(fēng)閥；4—旁通管入口段；41—硅膠防潮層；42—干燥劑格柵；43—PM10濾膜；5—旁通管中間段；511—安裝盒；512—計(jì)時(shí)器；513—電磁鐵；514—繞線圈；515—拉線；516—密封用橡膠；52—旁通管下半管；521—箍圈；522—PM2.5粘附膜；6—旁通管出口段；7—托盤；8—減震墊；9—位置開(kāi)關(guān)；10—平衡杠桿

該部分的組成主要包括回風(fēng)、新風(fēng)管道以及對(duì)應(yīng)的新回風(fēng)比例調(diào)控裝置三個(gè)部分。實(shí)施時(shí)將此系統(tǒng)嵌入空調(diào)系統(tǒng)中，判斷出回風(fēng)管道和新風(fēng)管道中顆粒物含量濃度差異，然后根據(jù)該差異調(diào)節(jié)回風(fēng)管道和新風(fēng)管道的通風(fēng)量，其中顆粒物含量濃度高的管道中降低通風(fēng)量或者關(guān)閉通風(fēng)，顆粒物含量濃度低的管道中提高通風(fēng)量。

空調(diào)風(fēng)量調(diào)節(jié)模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，其工作過(guò)程為：

（1）收集回風(fēng)管道和新風(fēng)管道的PM2.5，收集過(guò)程結(jié)束后控制電磁鐵斷電，使得兩根旁通管中的下半管各自在重力作用下掉落到下方對(duì)應(yīng)的托盤上；

（2）當(dāng)回風(fēng)管道和新風(fēng)管道中固體顆粒物含量不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的PM2.5粘附膜重量不同，使得平衡杠桿失去平衡，較重一側(cè)的托盤下降并觸發(fā)下方對(duì)應(yīng)的位置開(kāi)關(guān)；

（3）位置開(kāi)關(guān)和回風(fēng)新風(fēng)比例調(diào)控裝置相關(guān)聯(lián)進(jìn)行調(diào)控，使得對(duì)應(yīng)管道中的通風(fēng)量被降低或者關(guān)閉；

（4）電磁鐵斷電的同時(shí)打開(kāi)計(jì)時(shí)器，用于記錄電磁鐵斷電到位置開(kāi)關(guān)觸發(fā)的時(shí)間，當(dāng)重量相差越大時(shí)，平衡杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，故計(jì)時(shí)器可以檢測(cè)出位置開(kāi)關(guān)被觸發(fā)的時(shí)間大小的差異性，進(jìn)而反應(yīng)出對(duì)應(yīng)管道中顆粒物濃度大小的差異，進(jìn)而可以根據(jù)濃度大小差異更加精確地對(duì)回風(fēng)管道和新風(fēng)管道的通風(fēng)量的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以實(shí)現(xiàn)更好的調(diào)節(jié)效果。

（5）檢測(cè)裝置還包括輔助復(fù)位機(jī)構(gòu)，在檢測(cè)完畢后，下半管靠電磁鐵復(fù)位的同時(shí)，靠輔助復(fù)位機(jī)構(gòu)輔助復(fù)位，能夠提高復(fù)位準(zhǔn)確性，復(fù)位后可以等待下次檢測(cè)調(diào)節(jié)使用。

3 室內(nèi)VOCs的控制方法及技術(shù)

3.1 室內(nèi)VOCs的控制方法

目前針對(duì)VOCs濃度的控制方法有三種[7]。一是消除污染源，但現(xiàn)在中國(guó)沒(méi)有法律禁止高VOCs揮發(fā)率的建筑材料，因此很難實(shí)現(xiàn)；二是增大新鮮空氣的進(jìn)入，但它不能完全去除污染物，尤其在高污染物揮發(fā)率和氣流組織不均勻的地方，增大通風(fēng)量不過(guò)是浪費(fèi)能源；三是用凈化器處理空氣，例如最常用的吸附技術(shù)、光催化氧化技術(shù)及尚處于探索階段的組合技術(shù)[12]。

在現(xiàn)有市場(chǎng)上的空氣凈化器中，基本以過(guò)濾和吸附功能為主，而過(guò)濾原理的空氣凈化器只是除去了空氣中的懸浮顆粒，對(duì)有機(jī)揮發(fā)化合物和細(xì)菌的凈化效果很不理想；吸附原理凈化器又有吸附飽和及二次污染等凈化問(wèn)題，實(shí)用效果并不好。

光催化技術(shù)能在一定環(huán)境溫度和壓力下對(duì)有機(jī)化合揮發(fā)物進(jìn)行降解，最終生成CO2和H2O等小分子產(chǎn)物，是目前最有效的空氣凈化方法。我國(guó)市面上已有許多光催化空氣凈化器，如殷乃超等研制了一種使用紫外光催化的凈化器[13]，但這些空氣凈化器只是單純的以凈化器的形式存在，不僅需要占用室內(nèi)空間，并且影響建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的美觀性。

3.2 民用建筑VOCs的控制技術(shù)

3.2.1 方案設(shè)計(jì)

該方法可與民用建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合，其方案設(shè)計(jì)如下：

（1）由紫外光源、透明燈管、光催化濾網(wǎng)、肋片等組成的光催化結(jié)構(gòu)組件安裝于殼體中，置于中央空調(diào)回風(fēng)箱中空氣過(guò)濾工斷后；

（2）中央空調(diào)系統(tǒng)把帶有大量污染物的回風(fēng)經(jīng)過(guò)回風(fēng)機(jī)吸入回風(fēng)箱后，經(jīng)混合段混合，過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)行光催化空氣凈化；

（3）經(jīng)凈化后再經(jīng)空調(diào)其它工段對(duì)空氣的加工處理，最后經(jīng)過(guò)濾后由送風(fēng)機(jī)送出，如此循環(huán)，使空氣不斷凈化，達(dá)到室內(nèi)空氣品質(zhì)要求狀態(tài)。

3.2.2 硬件設(shè)計(jì)

其硬件設(shè)計(jì)包括殼體、風(fēng)機(jī)、過(guò)濾器、光催化結(jié)構(gòu)組件（光催化濾網(wǎng)、透明套管、紫外光源、光催化半導(dǎo)體材料）等。發(fā)明具體實(shí)施時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，在空氣過(guò)濾段安裝空氣凈化器[14]。

圖4 空氣凈化器結(jié)構(gòu)示意圖

1—濾網(wǎng)；2—?dú)んw；3—肋片；4—光催化過(guò)濾網(wǎng)；5—燈座；6—紫外光源LED燈

光催化空氣過(guò)濾器中：光催化濾網(wǎng)呈直片型，每組設(shè)有三片，平行嵌裝設(shè)置于殼體內(nèi)，殼體紫外光LED燈垂直于濾網(wǎng)安裝在透明燈管內(nèi)，透明燈管外部安裝有與組件橫向長(zhǎng)度一致的肋片，殼體兩端裝有用于安裝紫外燈管的燈座，燈座通過(guò)導(dǎo)線與外部電源連接，濾網(wǎng)和肋片上均涂有納米級(jí)TiO2光催化劑。由于光催化濾片每組有三片，加大了光催化的反應(yīng)面積，逐步深化凈化，有利于凈化效率的提高。其中，單獨(dú)光催化濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，單獨(dú)殼體內(nèi)壁和肋條的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，其中內(nèi)表面2上貼有用于加強(qiáng)光利用率的反光鋁箔紙。

圖5 單獨(dú)光催化濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 單獨(dú)殼體內(nèi)壁和肋條的結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

本文提出的關(guān)于控制室內(nèi)PM2.5及VOCs濃度的兩種方法均可以與集中式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合，相較于普通的空氣凈化器，改進(jìn)了傳統(tǒng)空氣凈化器自身占室內(nèi)空間大，結(jié)構(gòu)模塊復(fù)雜的缺點(diǎn)，不影響美觀，節(jié)省空間和材料，并可與空調(diào)系統(tǒng)其它空氣處理功能結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，過(guò)濾效果好，催化反應(yīng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，2.2節(jié)中PM2.5的控制方法成本低、能耗小，能進(jìn)行實(shí)施檢測(cè)和調(diào)控；3.2節(jié)中VOCs的控制方法是利用光催化技術(shù)直接將空氣中細(xì)菌、病毒等殺死，并且可以將室內(nèi)揮發(fā)有機(jī)物VOCs直接分解為CO2和H2O等無(wú)機(jī)小分子產(chǎn)物，具有反應(yīng)效率高、條件溫和、能耗少、二次污染少等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 黃玉嫡,苑翔.室內(nèi)PM2.5污染控制的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].山西建筑,2017,43(27):156-158.

[2] 丁澤群,許延荔,王陽(yáng).辦公建筑室內(nèi)PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)分析與控制研究[J].中國(guó)科技縱橫,2017(7):12-17.

[3] 王清勤,李國(guó)柱,趙力,等.建筑室內(nèi)細(xì)顆粒物(PM2.5)污染現(xiàn)狀、控制技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)[J].暖通空調(diào),2016,46(2):1-7.

[4] 莫金漢,張寅平,楊瑞.管狀光催化反應(yīng)器甲醛降解強(qiáng)化研究[J].暖通空調(diào),2007,37(10):70-72.

[5] Farhanian D, Haghighat F, Lee C S, et al. Impact of design parameters on the performance of ultraviolet photocatalytic oxidation air cleaner[J]. Building & Environment, 2013,66:148-157.

[6] 李國(guó)文,樊青娟,劉強(qiáng),等.揮發(fā)性有機(jī)廢氣的污染控制技術(shù)[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998,30(4):399-402.

[7] 王斌.揮發(fā)性有機(jī)化合物對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響[D].天津:天津大學(xué),2004.

[8] 金偉力.VOCs污染空氣的凈化與PM2.5污染防空技術(shù)[C].2016中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（第四卷）,中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì),2016:9.

[9] 曹國(guó)慶,謝慧,趙申.公共建筑室內(nèi)PM2.5污染控制策略研究[J].建筑科學(xué),2015,31(4):40-44.

[10] 鄭潔,苗慧鴻,張雨,等.一種空氣可吸入顆粒物濃度越限報(bào)警方法[P].中國(guó)專利: ZL201410581176.0. 2015.

[11] 鄭潔,張雨,崔玉琦,等.一種空氣可吸入顆粒物濃度越限報(bào)警裝置[P].中國(guó)專利,ZL201410586736.1.2015-1-14.

[12] 陳清,余剛,張彭義.室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的污染及其控制[J].上海環(huán)境科學(xué),2001(12):616-620,628.

[13] 殷乃超,孫智廣.光催化降解室內(nèi)VOCS氣體空氣凈化機(jī)的研制[J].科研,2017(2):00124-00124.

[14] 串禾,曹浩,張雨,等.一種空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)回風(fēng)調(diào)節(jié)裝置及方法[P].中國(guó)專利:ZL201410757255.2.2015-3-25.

Indoor Air Conditioning Technology Based on Air Pollutant Control

Wu Tao Zhang Hualing Liu Yangling Du Chaojun

( Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Based on the analysis of the control technology used in indoor PM2.5 and VOCs, especially for large-scale civil buildings with centralized ventilation and air conditioning system, a technology that can control the concentration of PM2.5 and VOCs in combination with its air conditioning system is proposed. Design and hardware composition were also introduced. Among them, the filter membrane weighing method is the core principle of the monitoring and control technology of PM2.5 concentration. The control technology can monitor and alarm the concentration of inhalable particles in indoor air, and adjust the proportion of new air return air. VOCs concentration control technology is the use of photocatalytic technology in air-conditioned return bellows to effectively degrade volatile organic compounds produced by indoor air pollution. This technology can improve the reaction efficiency, reduce secondary pollution and improve indoor air quality.

indoor environment; PM2.5; VOCs concentration; control technology; air quality

TU023

A

1671-6612（2019）05-462-05

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“既有公共建筑室內(nèi)物理環(huán)境改善關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（編號(hào)：2016YFC0700705）

吳 濤（1994.10-），男，在讀碩士研究生，E-mail：wutao19950121@163.com

張華玲（1966-），女，教授，E-mail：635972207@qq.com

2018-11-08