民用建筑PM2.5过滤器的选型与对比1.1.docx

民用建筑PM2.5过滤器的选型与对比The Filter Selection and Comparison for PM2.5 Control in Civil Buildings予哲机电工程咨询（上海）有限公司 赵欢 毛华雄同济大学 陈治清 林忠平YZ MEP Project Consulting(Shanghai) Co., Ltd Zhao Huan Mao HuaxiongTongji University Chen Zhiqing Lin Zhongping摘要：建筑设计中室内PM2.5的控制方法和室内发尘、室内外浓度等多项参数有关。本文通过建立和简化室内PM2.5宏观质量守恒模型，提出了设计过程中的过滤器选型方法。设计参数建议室外采用城市年不保证20天浓度值，室内采用分级限值，以75、50、35g/m3为标准进行划分。引入主要尘源相对人员的当量产尘系数，进而实现选型计算。此外综合阐述了当前市场中各种类型过滤产品的优缺点。Abstract：The indoor air quality control based on PM2.5 concentration are related with many complex parameters, including indoor particulate emission rate, outdoor and indoor calculation concentration. This paper focuses on the filter selection method within the design process according to mass conservation model. The outdoor particulate concentration is suggested to be the value of 20 no guarantee days, and the indoor concentration should set different levels faced up with different demand, and the suggesting limits is 75,50 and35g/m3. This paper also definites k as the equivalent emission coefficient on each person, which mean that the main emission source can be expressed by occupant density, then what level of filter needed is determined. At last this paper discusses the advantages and disadvantages of different types of filter.关键字：PM2.5；选型设计方法；市场现状Key words: PM2.5; Filter Selection Method; Filter Status0综述近年来室内空气品质被广泛关注，成为全民探讨和关心的话题。“空气安全”成为继“水安全”和“食品安全”之后的另一个亟待解决的问题。空气品质涉及到气态污染物、固体颗粒污染物等多个种类，其中颗粒物污染在室内环境污染物中占76%，且这一比例在发展中国家可能更大 Smith K R.Fuel combustion, air pollution exposure, and health: the situation in developing countries J.Annul Rev Energy Environ,1993,18:529-566.，因此室内颗粒物的控制和去除需要解决，尤其是在毒理学和流行病学中有很大危害的PM2.5颗粒，更是重中之重。目前新建建筑和改造建筑中，业主往往向设计师提出控制PM2.5的诉求，室内空气品质检测行业也面临更多的PM2.5效率检测要求。但目前我国关于室内PM2.5的规范进展明显滞后于行业的需求，相关的检测标准、浓度限值、设计控制参数和计算方法等均没有明确规范，导致以控制室内PM2.5为目的的检测和设计工作无据可依，各说各话。以建筑设计行业为例，业主提出了控制PM2.5的要求，但设计单位却因为没有确定的室内浓度限值、室内发尘量、室外浓度设计值等参数无法计算过滤产品的相关指标。就检测行业而言，室内PM2.5的浓度检测中，往往计数浓度比较容易获得，但计数浓度如何向计重浓度转换，PM2.5的分段浓度如何测量和转换，均没有确切的国家规定。曹国庆等研究人员在2015年4月中提出了一个简化的过滤器选型模型曹国庆,谢惠,赵申. 公共建筑室内PM2. 5污染控制策略研究J. 建筑科学,2015,31(4):40-44.，但其参数设定中忽略了室内发尘量。此外，市场中的过滤器产品鱼龙混杂，性能好坏往往难以分辨。许多突破常规的非纤维型过滤器是否如宣称的一样高效低阻，同样有待验证。1室内PM2.5浓度计算方法1.1质量守恒计算模型一般空调系统中常见的过滤形式有图1所示的三种，而(a)是最常见的设置方式，因此本文将主要以(a)中的过滤器安装方式进行分析。图1 空调系统中可能存在的过滤方式Fig.1 Different Location of Filter in Air-conditioning System 对受控建筑中的PM2.5浓度进行分析，如图2所示。图中涵盖影响室内颗粒物浓度的所有因素。其中，C0室外颗粒物浓度，Ci室内颗粒物浓度，Qf空调新风量，Qe空调排风量，Qr空调回风量，Qn室内自然进风量，Qp维护结构渗透进风量，M室内净产尘量，f送风过滤效率，p渗透系数，V房间体积图2典型房间及空调系统Fig.2 An Typical Room and Air-conditioning System室内PM2.5浓度的平衡方程为：VdCidt=QfCo1-+QrCi1-+QnCo+QpCop+M-Qe+QrCi（式1）为简化模型，认为房间在使用空调时门窗关闭，即自然风Qn为0。针对不同的空调系统做不同的简化计算，见表1。不同空调系统的过滤效率简化公式 表1 The Reduction Formula of Different Air-conditioning System Table 1空调形式简化内容参数简化所需过滤器的效率计算集中式系统新、回风混合处理微正压，渗透进风=0，排风量=新风量Qe=Qf=QfCo-Ci+MQfCo+QrCi半集中式系统独立的新风处理系统回风量=0，微正压，渗透进风=0，排风量=新风量，Qr=0Qp=0Qe=Qf=QfCo-Ci+MQfCo分体式空调机/不设空调独立空气净化器排风量=渗透风量新风量=0最不利渗透p=1Qf=0Qe=Qf=QpCo-Ci+MQrCi上表的过滤效率计算公式中，送风量、新风量、回/排风量由设计人员确定，视为已知量，需要确定的未知参数有：1）室内PM2.5浓度设计值，2）室外PM2.5浓度设计值，3）室内PM2.5净发生量。确定这三个参数后，暖通设计人员即可确定所需过滤器效率，进而来实现对室内PM2.5的控制。1.2设计参数的确定1.2.1 室内PM2.5设计浓度目前各国关于大气环境中PM2.5的浓度限制都有规定，但室内方面则缺乏要求。我国室内空气质量标准GB18883-2002国家质量监督检验检疫总局,卫生部,国家环境保护总局.中华人民共和国国家标准室内空气质量标准(GB/T 18883-2002).北京:中国建筑工业出版社,2002.中并没有PM2.5的浓度限值要求，欧美国家同样无相关规定，台湾环境保护署在2012年11月23日施行的室内空气质量管理法中规定室内PM2.5浓度限值为35g/m厦门出入境检验检疫局,台湾地区公告室内空气质量标准草案。目前国内通常将环境空气质量标准GB3095-2012环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准环境空气质量标准(GB 3095-2012).北京:中国环境科学出版社,2012.和环境空气质量指数中的PM2.5浓度限值应用在室内环境中，也就是一级日平均浓度限值35g/m和一级限值75g/m。然而我国公共建筑目前的室内PM2.5浓度现状并不理想。图23为娱乐场所和办公场所内的PM2.5实测值。可以发现，近50%的办公房间PM2.5浓度超过75g/m， PM2.5最高值达到156g/m。图2中，除大型超市监测点外，其余建筑室内颗粒物浓度均高于室外颗粒物浓度，尤其是游戏厅内，室内颗粒物污染极其严重，达836g/m。图4为某一密闭性良好且已采取过滤措施的甲级办公室的不同楼层的颗粒物浓度，BA层存在集中打包，FY存在有人临时吸烟现象，因此浓度过高，其余正常工作的楼层室内PM2.5浓度在3575g/m之间。图2 娱乐场所内PM2.5的测试情况Fig.2 PM2.5 Concentration in Entertainment Buildings 图3 办公场所内PM2.5的测试情况Fig.3 PM2.5 Concentration in Office Buildings 图4 甲级办公场所内PM2.5的测试情况Fig.4 PM2.5 Concentration in a class A Office Building表2是国外学者关于室内PM2.5浓度的测试数据Congrong He，Lidia Morawska，Jane Hitchins，et al.Contribution from indoor sources to particle number and mass concentrations in residential housesJ.Atmospheric Environment，2004，38(21):3405-3415.Sofia Eirini Chatoutsidou，Jakub Ondr a cek，OndrejTesar，KjetilTrseth，Vladimr Zdmal，MihalisLazaridis.Indoor/outdoor particulate matter number and mass concentration in modern officesJ.Building and Environment,2015,92:462-474.Francisco Barraza，H ectorJorquera，Gonzalo Valdivia，Lupita D. Montoya.Indoor PM2.5 in Santiago, Chile, spring 2012: Source apportionment and outdoor contributionsJ.Atmospheric Environment,2014,94:692-700. P. Monkkonen,P. Pai,A. Maynard,K.E.J. Lehtinen,K. Hameri,P. Rechkemmer,G. Ramachandran,B. Prasad,M. Kulmala.Fine particle number and mass concentration measurements in urban Indian householdsJ.Science of the Total Environment,2005,347:131147. Gerard Hoek,GerardKos,RoyHarrison,Jeroen de Hartog,KeesMeliefste,Harry ten Brink,KleaKatsouyanni,AnnaKarakatsani,MariaLianou,AnastasiaKotronarou,IliasKavouras,JuhaPekkanen,MarkoVallius,MarkkuKulmala,ArtoPuustinen,SteveThomas,ClaireMeddings,JonAyres,Joop van Wijnen,KaarleHameri.Indooroutdoor relationships of particle number and mass in four European citiesJ.Atmospheric Environment,2008,42:156169. Gerard Hoek,GerardKos,RoyHarrison,Jeroen de Hartog,KeesMeliefste,Harry ten Brink,KleaKatsouyanni,AnnaKarakatsani,MariaLianou,AnastasiaKotronarou,IliasKavouras,JuhaPekkanen,MarkoVallius,MarkkuKulmala,ArtoPuustinen,SteveThomas,ClaireMeddings,JonAyres,Joop van Wijnen,KaarleHameri.Indooroutdoor relationships of particle number and mass in four European citiesJ.Atmospheric Environment,2008,42:156169.G. Sangiorgi，L. Ferrero，B.S. Ferrini，C. Lo Porto，M.G. Perrone，R. Zangrando，A. Gambaro，Z. Lazzati，E. Bolzacchini.Indoor airborne particle sources and semi-volatile partitioning effect of outdoor fine PM in officesJ.Atmospheric Environment,2013,65:205-214.C. Isaxon，A. Gudmundsson，E.Z. Nordin，L. Lonnblad，A. Dahl，G. Wieslander，M. Bohgard，A. Wierzbicka.Contribution of indoor-generated particles to residential exposureJ.Atmospheric Environment,2015,106:458-466.。只有印度的室内PM2.5浓度高于100g/m，其余城市均在35g/m以下。不同城市的室内PM2.5浓度测试值 表2 Indoor PM2.5 Concentration of Different Cities Table 2地点建筑类型PM2.5浓度单位Brisbane布里斯班（澳大利亚）住宅15.7g/mNorway挪威办公建筑3.4g/mSantiago圣地亚哥（智利）住宅21.6g/mNagpur那格浦尔&Mysore迈索尔（印度）公寓101.2g/mHelsinki赫尔辛基（芬兰）住宅7.3g/mAthens雅典（希腊）住宅11.5g/mAmsterdam阿姆斯特丹（荷兰）住宅10.7g/mBirmingham伯明翰（英国）住宅8.7g/mMilan 米兰（意大利）办公建筑20.0g/mLund隆德（瑞典）住宅14.4g/m根据国内外的测试结果，本文认为目前我国室内PM2.5污染严重，但通过有效的控制手段，依然可以保持在75g/m以下，参考国外建筑内PM2.5的浓度值，本文认为室内PM2.5限值可分为不同等级，分别以小于75g/m、50g/m、35g/m为标准。1.2.2 室外PM2.5计算浓度我国PM2.5问题多出现于大型城市和工业发达地区，本文以全国6大城市为对象，列举了各个城市2014年7月到2015年6月中年的PM2.5现状（数据来自全国城市空气质量实时发布平台的历史数据），见表3。主要城市PM2.5近五年统计数据 表3 The Environmental PM2.5 Concentration of 6 cities within 5 Years Table 3城市PM2.5年均值（g/m）年不保证5天（g/m）年不保证20天（g/m）哈尔滨73.5318.8215.1北京78.7284.5198.2上海51.7145.8109.6武汉71.0190.0143.9广州41.5101.378.6重庆61.0175.0141.1除北京均值为78.7g/m之外，其余几个城市的年均值均在75g/m以下，但并不代表其空气质量符合规范要求（75g/m），显然年不保证5天和20天值远大于均值和规范限值，因此室外设计值并不能简单的采用年平均值。人们全天中70%的时间在室内活动，为保证对室内空气品质的控制，同时避免个别极端天气造成造价和风机能耗的上升，建议采用不满足20天的PM2.5室外浓度值作为计算值。设计计算时，建议采用当地统计值，或者周围相近城市的浓度值。1.2.3室内PM2.5产尘量人员活动（包括自身产尘、清洁活动、吸烟、烹饪等）和设备（打印机等）的产尘是室内空气的主要尘源，尤其是吸烟和烹饪对PM2.5有很大影响Jones N.C., Thornton C.A., Mark D., et al. Indoor/outdoor relationships of particulate matter in domestic homes with roadside, urban and rural locationsJ. Atmospheric Environment, 2000,34: 2603-2612.Abt E, Suh H H, Catalano P, et al. Relative contribution ofsourcestoindoorconcentrationsJ.Environmentalscience&outdoor and indoor particle technology.2000,34(17): 3579-3587。因此针对自身产尘、设备、吸烟、烹饪产尘项，将国内外多名学者678912黄育华.重庆市办公建筑室内外颗粒物浓度水平及暴露评价D.重庆:重庆大学,2013. Wallace, L.Indoor particles: a reviewJ. Journal of the Air and Waste Management Association,1996,46:98126.张少梅,段玉林.室内点蚊香和香烟PM2.5浓度监测分析J. 北方环境,2013, 25(12):184-185.曹昌盛,高军,周翔,张旭.住宅厨房油烟颗粒散发阶段呼吸区短期暴露的实验研究J.建筑科学（增刊）,2012,28:7274.的测试结果进行了整理（如表4），发现现场实测结果因为环境（通风模式、房间面积、室外浓度等）不同而差异巨大，很难总结出统一的产尘量，室内产尘量的确定需要另辟蹊径。不同学者关于室内产尘量的测试值 表4 The PM2.5 Emission Rate of Main Indoor Sources Table 4测试人测试项产尘浓度单位测试地点备注黄育华等人员7.9g/m3办公建筑模型计算值Congrong He等吸烟ETS0.99mg/min住宅15个样本，3.15换气次数，燃料天然气室内清洁0.040.07做饭1.592.78人员走动无明显变化Wallace等做饭1.12.3mg/min未说明未说明吸烟ETS0.20.4Sofia等人员0.8g/m3办公建筑空调开启，含中效袋式过滤器Francisco等清洁&做饭2.02.6g/m3住宅47个样本，春季，燃料天然气吸烟&做饭5.46.8Monkkonen等做饭47.25g/m3公寓11个样本，45 m2/人，燃料煤油或LPGSangiorgi等人员+打印机设备等3.55.3g/m3办公建筑4个样本，夏季，无空调和吸烟张少梅等香烟343g/m3环境仓60m3曹昌盛等炒菜0.1984.493g/m3模拟厨房门、窗、排风不同状态下本文认为可以借鉴许钟麟许钟麟.关于洁净室含尘浓度动静比等问题J. 建筑技术通讯(暖通空调),1980,3:16-19.在洁净室设计计算中提出“人员密度指标法”解决此问题。即公共建筑中，室内产尘往往与人员数量呈正相关，可将其余产尘项的PM2.5发生量用人员数量表示。例如，办公室设备配置情况通常为人均一台电脑，10人一台打印机（利用率20%），单台设备发尘量130g/h，人员数量N人，人员活动强度为走动（产尘量为310g/h），无其他产尘项，则办公室内产尘量M为：M=Mp+Me=310N+130N+N1020%=442.6N（式2）其中，M办公室1h内的产尘量，Mp为人员，Me为设备，g/h；N总人数，1；假设ki为建筑内各个产尘项相对于单个人员的当量产尘系数。则有：m=MN=ki （式3）当量产尘系数=单项产尘量发生率/人员配备率，各个产尘项的当量产尘系数见表5。室内产尘项的当量产尘系数表 表5 The Equivalent Emission Coefficient of indoor sources Table 5号项目单项产尘量(g/h)发生率人员配备率(人/个)ki(g/hp)1人员St62a100%1St622设备电脑130b100%c1c133.03打印机20%c10c投影仪10%c30c3香烟100200Brauer, M., Hirtle, R., Lang, B., Ott,W.,. Assessment ofindoor fine aerosol contributions from environmentaltobacco smoke and cooking with a portable nephelometerJ.Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology, 2000,10(2):136144.100%c3c334004烹饪5400000曹昌盛.住宅厨房油烟颗粒个体暴露与通风改善D.上海:同济大学,2013.40%c4c540000备注：a.人员活动强度St为110级，1级静坐产尘量为6106个/h许钟麟. 洁净室的设计计算J. 建筑技术通讯(暖通空调),1983,03:19-25.，按照作者一般通风用空气过滤器PM2.5效率的探究探讨的计算方法，估算为62g/h；b.尚无相关文献表明单台设备的产尘量，在此借鉴洁净室内带碳刷电机设备的产尘量20；C.尚无文献或资料显示相关项目的概率统计值，在此按照经验值保守估计；d.考虑到同时吸烟情况。1.2.4 工程设计方法的确定根据上文中的模型和参数，可以确定室内PM2.5的工程控制计算方法。由于分体机或无空调的住宅往往通过室内空气净化器控制PM2.5，净化器厂家一般根据房间面积提供选型方法，因此不再讨论。集中式空调系统可简化为：=QfCo-Ci+MQfCo+QrCi=Co-Ci+M/QfCo+Qr+Qf-QfCi/Qf=Co-Ci+M/qfNCo+Xf-1Ci=Co-Ci+ki/qfCo+Xf-1Ci（式4）半集中式空调系统可简化为：=QfCo-Ci+MQfCo=Co-Ci+M/QfCo=Co-Ci+M/qfNCo=Co-Ci+ki/qfCo（式5）其中，qf人均新风量，可参照公共建筑节能设计标准，m3/h；Xf新风比的倒数，按经验可设1/30%=3.33；Ci、CoPM2.5室内、外设计浓度，g/m3；ki建筑内各个产尘项相对于单个人员的当量产尘系数，见表5。根据上述计算方法，以北京某高档办公室为例进行计算，室外不保证20天计算浓度为198.2g/m3，室内业主要求达到35g/m3，采用集中式空调系统，人均新风量为30 m3/h，新风比30%，人员活动强度为走动St5，室内尘源当量系数为k1+k2=443，则可计算得到需要过滤器对PM2.5的计重过滤效率为：=Co-Ci+ki/qfCo+Xf-1/Ci=198.2-35+443/30198.2+3.33-1/35=63.6% （式6）式6中的效率为计重效率，而市场上的过滤器均使用计数效率进行等级标注，理论上可按照ISO 16890-1的技术规范、说明及基于PM的效率分类系统 ISO 16890-1:2014, Air filters for general ventilation - Part 1: Technical specifications, requirements and efficiency classification system based upon Particulate Matter (PM)S. Geneva: International Organization for Standardization, 2014中的方法，在假定粒子堆积密度的前提下，根据其粒径分布进行PM2.5的计数-计重转换计算。在此本文采用实测方法对不同等级过滤器进行计重效率测试，测试气溶胶DEHS，使用仪器BCJ-1激光粒子计数器和TSI 8534粉尘仪，结果见表6所示。根据表6数据可知，上述案例中选择G4+F7或者C2+Z2可以达到室内35g/m3的控制要求。不同等级过滤器效率测试 表6 The PM2.5 Filtration Efficiency of Filtration Levels Table 6欧洲标准EN779 European Committee for Standardization.BS EN779-2012, Particulate Air Filters for General Ventilation- Determination of the Filtration Performance S. 2012.过滤器等级G3G4M5M6F7F8F9样品实测PM2.5计重效率/%5.336.0828.4152.3458.7264.25国家标准GB/T 14295GB/T 14295-2008,空气过滤器S. 北京: 中国标准出版社, 2008.国标分级C2C1Z3Z2Z1GZYG样品实测PM2.5计重效率/%12.230.949.568.075.282.6另一方面，若用户需要综合考虑不同室内外浓度比下对应的过滤器效率，则可定义室内外浓度比为RIO=CiCo，带入式4得到RIO与穿透率（1-）的关系，如图5。图5 室内外浓度比(RI/O)与过滤器效率关系Fig.5 the Relationship of Indoor/Outdoor Ratio and Filtration Efficiency值得注意的是，空调系统中的过滤器并不一定能解决所有室内PM2.5污染问题，当室内发尘量过大（如吸烟室、火锅店等）时，很难将室内PM2.5浓度控制在目标值以内。表7对几种常见功能的建筑进行估算，发现餐厅和会所所需过滤器效率100%，即在现有换气次数和新风量的情况下，即使过滤效率为100%，其PM2.5的稀释速度也小于尘源散发速度。若增大风量可改善室内情况，但可能造成明显的吹风感和室内噪声，因此建议这两种场所有效组