新風(fēng)量對(duì)室內(nèi)空氣微生物污染控制的影響研究*

北京建筑大學(xué) 于 丹 許博文 北京城建房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 蔡志斌 北京建筑大學(xué) 吳 璇

0 引言

建筑室內(nèi)空氣中微生物濃度過高會(huì)誘使人們出現(xiàn)“病態(tài)建筑綜合征”等癥狀，給人們帶來潛在的健康危害。新風(fēng)量是室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要影響因素之一，也是新風(fēng)系統(tǒng)的重要參數(shù)，其在研究室內(nèi)空氣污染方面有重要的意義[1]。新風(fēng)系統(tǒng)將經(jīng)過凈化的室外新風(fēng)引入室內(nèi)，在室內(nèi)存在污染源的情況下，新風(fēng)系統(tǒng)相比于循環(huán)風(fēng)的送風(fēng)質(zhì)量更高，室內(nèi)空氣污染物稀釋效果更好，可提高建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量。

目前室內(nèi)CO2、PM2.5和甲醛等空氣污染物控制的研究已很廣泛且深入，眾多學(xué)者對(duì)新風(fēng)凈化室內(nèi)空氣微生物污染的控制效果展開了一定的研究。李先庭等人模擬發(fā)現(xiàn)，新風(fēng)比對(duì)室內(nèi)空氣中微生物污染有著顯著的影響，空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)工況運(yùn)行時(shí)能有效控制室內(nèi)微生物污染[2]；程剛模擬發(fā)現(xiàn)，污染源散發(fā)的空氣污染物會(huì)隨著氣流擴(kuò)散，提高新風(fēng)量有助于控制室內(nèi)微生物污染[3]；高慧杰對(duì)托幼建筑的滲透型太陽能新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)CO2處理較好，對(duì)室內(nèi)細(xì)菌氣溶膠也有一定的凈化效果[4]；蔡志斌模擬發(fā)現(xiàn)，采取過濾級(jí)別更高的組合過濾器時(shí)，新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣細(xì)菌濃度有更好的控制效果[5]。目前關(guān)于新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣微生物污染的控制效果還需進(jìn)一步研究。

本文對(duì)某學(xué)校設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)后室內(nèi)空氣中微生物控制效果進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，并且模擬分析了新風(fēng)量對(duì)室內(nèi)氣溶膠顆粒控制效果的影響，為改善室內(nèi)空氣微生物污染狀況提供數(shù)據(jù)支持。

1 新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣微生物控制效果實(shí)測(cè)

筆者分別于2020年9月和11月對(duì)設(shè)有新風(fēng)系統(tǒng)的教室室內(nèi)空氣中的細(xì)菌和真菌濃度進(jìn)行測(cè)試，以考察新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣微生物污染的控制效果。測(cè)試房間的新風(fēng)系統(tǒng)為小型上側(cè)送下側(cè)排式新風(fēng)系統(tǒng)，通過粗效過濾器+靜電除塵器+高效過濾器的組合凈化裝置對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化控制，新風(fēng)系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行1年左右。測(cè)試房間為8間教室，其中教室1～4面積均為75 m2，換氣次數(shù)為1.60 h-1，教室5～8面積均為200 m2，換氣次數(shù)為1.20 h-1。測(cè)試期間，房間門窗保持關(guān)閉，室內(nèi)有2名測(cè)試人員，新風(fēng)系統(tǒng)開啟時(shí)長(zhǎng)與上課時(shí)長(zhǎng)相同，為1.5～2.0 h。

依據(jù)GB/T 18204.3—2013《公共場(chǎng)所衛(wèi)生檢驗(yàn)方法 第3部分：空氣微生物》[6]，采用自然沉降法對(duì)室內(nèi)空氣細(xì)菌和真菌進(jìn)行采樣、培養(yǎng)、計(jì)數(shù)。其中，每個(gè)房間設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，分別以37 ℃和28 ℃的恒溫環(huán)境對(duì)細(xì)菌和真菌培養(yǎng)48 h和72 h，利用奧梅梁斯基公式計(jì)算微生物濃度，并計(jì)算5個(gè)樣本微生物濃度的平均值。測(cè)試期間，教室1～4室外空氣中細(xì)菌和真菌濃度分別為629 cfu/m3和865 cfu/m3，教室5～8室外空氣中細(xì)菌和真菌濃度分別為1 336 cfu/m3和2 319 cfu/m3。開啟新風(fēng)系統(tǒng)前后教室1～8室內(nèi)空氣中細(xì)菌和真菌濃度如圖1、2所示。由圖可知，新風(fēng)系統(tǒng)開啟1.5～2.0 h后，室內(nèi)細(xì)菌和真菌濃度分別降低到30～150 cfu/m3和0～50 cfu/m3的較低水平，室內(nèi)空氣中細(xì)菌濃度相比于開啟新風(fēng)系統(tǒng)前平均降低82.10%，真菌濃度平均降低86.64%。房間換氣次數(shù)與室內(nèi)空氣細(xì)菌濃度之間存在顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.031<0.05)，與真菌濃度之間不存在顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。其中，教室6空氣中的細(xì)菌和教室3與5空氣中的真菌均未檢出。綜上所述，新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣中細(xì)菌和真菌的凈化效果較為顯著。

圖1 開啟新風(fēng)系統(tǒng)前后室內(nèi)空氣中細(xì)菌濃度

圖2 開啟新風(fēng)系統(tǒng)前后室內(nèi)空氣中真菌濃度

2 新風(fēng)量對(duì)室內(nèi)空氣微生物控制效果模擬分析

2.1 物理模型的建立

房間與送排風(fēng)口尺寸和觀察面位置如圖3所示。

圖3 房間與送排風(fēng)口尺寸和觀察面位置

2.2 邊界條件確定

本文模擬對(duì)象為室內(nèi)空氣中的氣溶膠顆粒，選擇離散相模型(DPM)處理顆粒相模型。房間內(nèi)和墻壁附近的空氣流動(dòng)模型分別選擇RealizableK-ε和壁面函數(shù)模型。

ASHRAE Standard 62指出，在保證室內(nèi)空氣質(zhì)量可被人們接受的條件下，高密度人群建筑教室的最小新風(fēng)量為18 m3/(人·h)[7]；GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮到高密度人群建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境和人員健康，指出教室人均占有面積大于2.5 m2/人時(shí)，最小新風(fēng)量為28 m3/(人·h)[8]；GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為保證室內(nèi)空氣無毒、無害、無異常嗅味，指出房間最小新風(fēng)量為30 m3/(人·h)[9]。學(xué)校內(nèi)教學(xué)樓等功能區(qū)屬于高密度人群建筑，GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，學(xué)校建筑人均占有建筑面積的設(shè)計(jì)值為6 m2/人[10]。故本文室內(nèi)人員數(shù)量設(shè)為12人，房間新風(fēng)量分別為216、336、360 m3/h。

人員靜態(tài)時(shí)氣溶膠散發(fā)量為5 cfu/(人·s)[11]，為分析新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)典型位置污染物的控制效果，污染源為集中在房間中央距地面1.2 m處的點(diǎn)式細(xì)菌氣溶膠顆粒污染源，氣溶膠污染源強(qiáng)度為60 cfu/(人·s)。

2.3 模擬結(jié)果分析

室內(nèi)空氣中氣溶膠顆粒濃度如圖4所示。由圖可知，隨著新風(fēng)量由216 m3/h增加到360 m3/h，室內(nèi)污染源處氣溶膠顆粒濃度由41 630 cfu/m3降低到21 210 cfu/m3，降低了49.05%。人們工作區(qū)域(z=1.2 m平面)內(nèi)氣溶膠平均濃度由396 cfu/m3降低到109 cfu/m3，降低了72.39%。整體上看，經(jīng)過新風(fēng)系統(tǒng)的處理，空氣中氣溶膠顆粒集中在房間中央的污染源、左側(cè)排風(fēng)口處及送風(fēng)口對(duì)側(cè)墻壁處，氣溶膠規(guī)則地分布在房間各處，可見房間內(nèi)氣溶膠濃度分布比較合理，3種新風(fēng)量下工作區(qū)域氣溶膠濃度均達(dá)到清潔水平[12]，室內(nèi)不同區(qū)域氣溶膠濃度隨著新風(fēng)量的增加而降低。李磊模擬分析了房間通風(fēng)量對(duì)點(diǎn)式微生物污染源的控制效果，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)量越大，空氣齡越小，空調(diào)系統(tǒng)排出空氣污染物的能力越強(qiáng)[13]，本文模擬結(jié)果與其基本一致。

圖4 上側(cè)送下側(cè)排時(shí)觀察面內(nèi)氣溶膠顆粒濃度分布

3 結(jié)論

對(duì)北京某中學(xué)室內(nèi)空氣中細(xì)菌和真菌濃度測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，開啟新風(fēng)系統(tǒng)1.5～2.0 h后，三級(jí)過濾新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣中細(xì)菌和真菌均可保持較好的控制效果。室外空氣存在一定程度細(xì)菌和真菌污染的條件下，教室內(nèi)空氣中細(xì)菌濃度平均降低82.10%，真菌濃度平均降低86.64%。

模擬分析新風(fēng)量對(duì)室內(nèi)氣溶膠顆粒濃度分布的影響，依照國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)確定的教室新風(fēng)量作為邊界條件，新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)人們工作區(qū)域的氣溶膠污染控制效果較好，隨著新風(fēng)量的增大，室內(nèi)人員工作區(qū)域空氣中氣溶膠顆粒濃度會(huì)有所降低。

綜上所述，經(jīng)三級(jí)過濾的新風(fēng)系統(tǒng)可有效控制室內(nèi)空氣中細(xì)菌和真菌污染。