學校教室室內PM2.5污染控制策略研究

鄭 磊

（同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092）

目前，國內大部分城市的室外環境質量不容樂觀，室外PM2.5污染物會經由圍護結構滲透及門窗通風等方式進入室內。尤其是學校內教室空間，往往無任何防控措施，在霧霾季節，一旦開窗通風就會導致學生暴露在PM2.5高濃度污染的環境下，但僅采取關窗阻擋的方式又會導致室內CO2濃度嚴重超標，且PM2.5污染物的控制效果也不顯著。因此，需要利用新風及PM2.5過濾系統實現教室內PM2.5的控制及空氣品質的提升。

1 當前室內空氣污染物現狀

在人們日常的室內生活和工作環境中，最常見的污染物就是灰塵。空氣中的灰塵有的肉眼可見，有的不可見。相對大一些的微小顆粒，在強烈的陽光照耀下，人們通過肉眼就能觀察到，這些灰塵通過呼吸作用進入身體內部，可能會引起呼吸道不適，造成咳嗽等癥狀，進而誘發其他病癥，對人體健康造成危害。一些肉眼不可見的污染物，由于顆粒比較小，很難通過肉眼分辨，這類污染物中很可能包含一些病毒、細菌，通過呼吸作用進入人體后，對人體的呼吸系統造成感染，誘發病癥，使得人們的正常呼吸受到阻礙。在肉眼不可見的污染物中，PM2.5是最常見的一種。PM2.5是對空氣懸浮微粒直徑≤2.5mm的顆粒物質的統稱，這類物質顆粒直徑小、質量輕，并可能攜帶重金屬、微生物等有害物質。PM2.5對空氣質量的影響很大，同樣，對人體健康的影響也很大。此外，這類污染物還有無機和有機之分，無機污染物主要指的是燃燒、汽車尾氣等帶來的SO2、NO2等物質，這類物質同樣對人體有害。

2 空調通風系統在改善室內空氣品質中的應用

室內空氣污染的源頭有很多，而空調通風系統作為內外空氣交換的媒介，是改善室內空氣品質的重要手段和途徑。目前，對于PM2.5的控制技術，主要以通風稀釋、攔截或吸附過濾為主。

2.1 對污染源進行通風稀釋

通風能夠增加空氣的流動性，這樣，空氣中的污染物質可隨著空氣的流動得到一定程度的稀釋，因此增強室內環境的通風，并引入潔凈新風來對污染物進行稀釋是十分有必要的。但在通風稀釋污染物的同時也應當注意，若室內和室外空氣的溫度差較大，則不建議直接引入室外空氣進行室內的通風稀釋，因為這樣會導致空調能耗上升及室內環境舒適性的下降。

為有效改善室內空氣質量，在對室內進行通風稀釋的時候，應當合理地設計通風氣流，借助通風使室內污染物能夠得到有效排除。但是近年來空氣污染問題日益嚴重，霧霾天氣頻現，空氣中的可吸入顆粒物增多，甚至室外的空氣質量不如室內。雖然隨著整治力度的加大，近期室外空氣環境中PM2.5污染物相較于前幾年有所改善，但控制結果距離健康的空氣環境仍舊甚遠。這種情況下，若不做過濾處理就直接進行通風稀釋，效果微乎其微，反而可能會使室內的空氣質量變差。

2.2 對室內PM2.5污染進行過濾

對空氣中污染物的過濾，主要是通過在室內末端設備的回風端口或送風端口設置空氣過濾器，以此實現對空氣中的污染物質的過濾，這是目前暖通空調空氣凈化技術中最常見的一種方式。根據其凈化的效率，空氣過濾器可以分為高效過濾器、中效過濾器和低效過濾器，具體如何選用則需要根據室外空氣的污染程度和室內環境狀態進行選型設計。

在使用過程中應注意，空氣過濾器的過濾效果受很多因素的影響，良好的過濾效果能夠有效減少空氣中的顆粒物，提高空氣的質量。空氣過濾器也需要及時進行更換，避免微塵在過濾器上堆積，對通往室內的空氣造成二次污染。

3 學校教室室內PM2.5物理及數學模型建立

根據學校教室空間的室內狀態及通風設備，對其室內PM2.5的質量濃度影響因素進行物理模型的建立，如圖1所示。學校教室空間一般無空調，基本靠門窗通風實現溫度調整。為實現教室室內PM2.5濃度的控制，考慮在學校教室空間內增加新風設備，改善人員密度較高時帶來的CO2濃度嚴重超標問題，同時通過過濾裝置的追加，實現在室內新風引入的同時，將室外PM2.5污染源隔離在外的目標。

圖1 室內PM2.5質量濃度影響因素

根據圖1建立學校教室室內PM2.5濃度平衡方程式，如下：

式中：Qf為新風系統新風，m3/h；C0為室外顆粒物濃度，g/m3；ηf為新風過濾效率；QP為圍護結構滲透風，m3/h；P為滲透系數；Qn為室內自然風，m3/h；Mr為室內表面顆粒物揚塵量，μg；Ci為室內顆粒物濃度，μg/m3；Ms為室內顆粒物沉降量，μg。另外，圖中V為室內體積，m3；M為室內人員產塵量，μg。

當室內無新風時，由于建筑非完全密閉，存在圍護結構滲透風，若開啟門窗，受自然風的影響，會將室外PM2.5污染帶入室內，加上室內學生密集，人員活動導致揚塵等的產生，在室外PM2.5濃度較高時，室內PM2.5濃度也同樣存在過高的問題。為簡化模型，不考慮室內表面揚塵與沉降的影響，則上式可以簡化為：

當室內采用新風過濾設備，存在新風時，為達到較好的室內PM2.5控制效果，一般新風會采用微正壓，則圍護結構滲透風與自然風造成的室內PM2.5污染基本可以忽略。為簡化模型，不考慮室內表面揚塵與沉降的影響，則上式可以簡化為：

則：

由公式（4）可見，當室外PM2.5濃度不變、新風量不變的情況下，室內PM2.5濃度與新風過濾效率成反比；當新風量不變、過濾效率不變的情況，室內PM2.5濃度與室外PM2.5濃度呈線性相關性。

4 基于某實際項目采用新風追加過濾裝置的控制效果分析

針對上海某學校六年級一班教室采用新風追加過濾裝置前后其室內PM2.5濃度及CO2濃度變化情況進行測試，該教室面積為102m2，無空氣處理設備，測試分別針對如下幾種情況進行：（1）教室無新風及過濾裝置時，開關門窗前后；（2）采用新風及過濾裝置后，室內無人員活動時；（3）采用新風及過濾裝置后，學生正常上課。在這三個條件下，測試其室內PM2.5及CO2濃度的變化情況。

在滿足上述控制條件時，通過粉塵測試儀器及CO2濃度檢測進行室內空氣參數的記錄。測試期間僅對控制條件進行嚴格控制，其余人員活動等行為均依照學生正常教學上課行為進行。

該次測試采用型號為MetOne831粉塵測試儀及鑫斯特HT2000的CO2濃度測試設備進行布置，設備詳細參數如圖2所示。

圖2 測試設備的詳細參數表

針對上述測試條件，該期間測試結果如下：

（1）教室無新風及過濾裝置時，開關門窗前后的室內外PM2.5及CO2濃度變化如圖3所示。關閉門窗測試時段為7：00—9：15，在該時間段內進行室內空氣質量的監測。9：15后按照正常的教室使用習慣進行門窗的開關。根據測試結果，門窗關閉時，室內CO2濃度急速上升至5300mg/L，室內PM2.5濃度則相對穩定，受室外PM2.5濃度變化影響不大；當門窗開啟后，室內CO2濃度驟降，而室內PM2.5則與室外PM2.5濃度呈線性相關性，且室內PM2.5濃度上升。

圖3 無新風過濾裝置時開關門窗后的室內外PM2.5及CO2濃度變化

（2）采用新風及過濾裝置后，選取周末教室無人時進行了12h測試，測試結果如圖4所示。在門窗關閉狀態下，新風全熱交換器開啟，室內PM2.5濃度基本不受室外濃度變化，其影響甚微。該測試狀態下室內無其他影響因素，室內控制結果基本接近于過濾設備本身的過濾效率，該狀態下的控制效果較為理想。且CO2濃度也與室外CO2濃度接近，由此可見新風設備對CO2濃度控制較佳。

圖4 室內無人活動時室內外PM2.5及CO2的濃度變化

圖5 安裝新風過濾裝置后的室內外PM2.5及CO2濃度變化

（3）采用新風及過濾裝置后，設備在正常使用下，室內PM2.5及CO2濃度控制效果如圖5所示。在項目實際使用過程中，一定存在室內人員活動的影響因素，以及一些人員進出行為導致的室內PM2.5濃度波動，因此該項目同時測試了實際教室上課時室內PM2.5及室內CO2的控制效果。

根據測試結果，當上課期間門窗緊閉時，室內PM2.5濃度得到有效控制；當課間人員進出，門開啟后，室內PM2.5濃度污染上升，但CO2濃度下降；當開始上課后，室內PM2.5濃度下降，CO2濃度略有上升，但也基本維持在1000mg/L左右，室內空氣品質得到有效改善和控制。

綜上實測效果所得，針對學校教室空間，采用新風追加過濾裝置能對室內PM2.5污染控制實現較好的改善與控制，且同時滿足室內CO2濃度不會超標的要求，是一個相對便捷有效的控制方式。

5 結束語

當前，國內空氣污染情況日益嚴重，室外的空氣質量不容樂觀，為了保障人們室內的生活環境，在空氣處理系統中增加新風引入及過濾裝置是十分有必要的。暖通空氣凈化技術的應用，應當根據污染物質的特性，靈活選擇合適的空氣凈化技術。由于空氣中存在多種污染物，可以采用多管齊下的方式，對空氣中的污染物質進行有效凈化，使人們在室內呼吸的空氣質量有一定的保障。同時，對于空氣凈化裝置，需要加強后期的檢修和維護，避免對室內空氣造成二次污染。