辦公樓室內PM2.5治理設計分析

楊品德，曾敏Yang Pinde,Zeng Min

（1湖南城市學院設計研究院有限公司，湖南益陽 413002；2中國輕工業長沙工程有限公司，湖南長沙 410114)

0 引言

PM2.5指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm的顆粒物。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，散播面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質（例如重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而極易對人體健康、大氣環境造成不利的影響。由于細顆粒物的粒徑在2.5μm以下，顆粒可以深入呼吸道，到達肺泡，干擾正常的肺部活動，因此PM2.5對人體腹功能、呼吸、心臟，甚至血液循環都可能帶來嚴重負面影響。

城市辦公族大部分時間待在辦公室內，因此有效的室內PM2.5控制措施是改善員工辦公環境的重要方式。建筑室內PM2.5的控制方式可概括為主動控制和被動控制兩類，其中主動控制的典型措施之一是為空調通風系統配置空氣凈化裝置，降低經由空調通風系統進入室內的PM2.5濃度；被動控制典型措施之一是合理增加外窗氣密性能，降低經由外窗縫隙進入室內的PM2.5濃度。

1 室內外PM2.5的相關標準

1.1 室外PM2.5相關標準

（1）美國環境保護局室外PM2.5濃度標準NAAQS平均時間24h，PM2.5顆粒物濃度限值為35μg/m3。

（2）世界衛生組織WHO《歐洲空氣質量指南》

準則值，24h平均值小于25μg/m3；

過渡期目標1，24h平均值小于75μg/m3；

過渡期目標2，24h平均值小于50μg/m3；

過渡期目標3，24h平均值小于37.5μg/m3。

（3）中國《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》

HJ 633-2012標準規定了與現行的AQI指數相對應的污染物濃度限值，同時明確了對應的空氣質量級別。PM2.5濃度限值和空氣質量指數對應關系見表1。

表1 PM2.5濃度限值和空氣質量指數對應關系

1.2 室內PM2.5相關標準

（1）ASHRAE《可接受的室內空氣質量通風標準》

按照美國采暖、制冷與空調工程師學會推薦的標準，污染因子PM2.5，來源為燃燒生成產物、廚房油煙、戶外進入灰塵等，濃度限值為15μg/m3。

（2）國內相關標準

《室內空氣質量標準》（GB/T 18883—2002）僅規定了可吸入顆粒物PM10的日平均值為150μg/m3。

《建筑通風效果測試與評價標準》規定，室內PM2.5日平均濃度宜小于75μg/m3。

《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）規定環境空氣中PM2.5的濃度限值為：一級標準24h平均值為35μg/m3，二級標準24h平均值為75μg/m3。

因人們在室內停留的時間長，對室內PM2.5的標準規定不應低于室外標準，故PM2.5室內設計濃度可參考環境PM2.5濃度限值要求，即要求較高的場所PM2.5室內設計濃度為35μg/m3，一般場所為75μg/m3。

2 室內外PM2.5設計濃度的確認

（1）室外PM2.5設計濃度的確認

本文采用基于“不保證天數”的PM2.5室外設計濃度確認方法。“不保證天數”PM2.5室外設計濃度確認方法統計的是最近一年或多年的室外大氣環境PM2.5濃度日均值，剔除“不保證天數”PM2.5濃度的最高濃度就是PM2.5室外設計濃度，例如可取“不保證天數”分別為5、10、15、20天，所對應的室外PM2.5濃度就作為PM2.5室外設計濃度[1]。

（2）室內PM2.5設計濃度的確認

建議要求較高的場所PM2.5室內設計濃度為35μg/m3，即達到空氣質量優的級別。一般場所設計值為75μg/m3，即達到空氣質量良的級別。

3 室內PM2.5的治理方法

室內PM2.5主要來源于室內燃料的燃燒、烹飪、裝飾材料和家具表面的散發、設備（如打印復印機、計算機等）的使用、空調通風系統的運作、由室外通過開窗及縫隙滲透進入室內的顆粒物，以及由人員在室內進行吸煙、呼吸、咳嗽、走動、打掃等活動引起的顆粒再懸浮和凝聚等。

室內PM2.5治理的主要方法為以下幾種：①加強圍護結構氣密性；②利用空調通風系統過濾；③增加室內空氣凈化設備；④禁止室內吸煙；⑤適當的通風換氣。

在傳統空調通風系統設計中，空調末端配置有初效過濾器，主要過濾5μm及以上粒徑的塵埃粒子，過濾效率在40%～95%。對于小于等于2.5μm的顆粒污染，初效過濾器達不到需要的效果。

大型的新風系統一部分配置了初、中效兩級過濾器，可以去除空氣中大于等于1μm的顆粒粉塵及各種懸浮物，過濾效率可達60%～95%。其對室外新風中的PM2.5有一定去除作用，但受限于效率低且容易造成二次污染，對室內PM2.5的治理難以起到明顯作用。

目前市場上成熟且能夠有效去除PM2.5污染的設備主要有：高效過濾器HEPA、靜電除塵設備和靜電駐極過濾設備，這三種設備的對比見表2。

表2 高效過濾器HEPA、靜電除塵設備和靜電駐極過濾設備對比[2]

4 案例分析

4.1 項目概況

為應對當前日趨嚴重的霧霾天氣，為廣大員工提供一個健康、舒適的辦公環境，某大型公司S欲對其辦公樓D進行室內PM2.5治理改造。

該辦公樓D位于長沙市天心區，主樓共23層，單層面積約2000m2，總體建筑面積約46000 m2。其中2層為會議樓層，3—23層為標準辦公樓層，附樓為地下1層、地上14層。日常辦公人數約600人，整樓運行時間為周一至周五的8:00～18:00，周六、周日及法定節假日不使用，年運行天數為250天，年運行總時數為2500h。

辦公樓D的室內PM2.5設計控制目標：在全年不保證15天的情況下，室內PM2.5的24 h平均濃度不超過35μg/m3，即達到《環境空氣質量指數（AQI）技術規定》中空氣質量“優”的級別。

4.2 室外大氣環境PM2.5分析

查閱長沙市氣象局公布的室外PM2.5歷史數據，最近一整年（2017年1月～2017年12月）長沙市室外PM2.5濃度年平均值為51.5μg/m3。長沙市室外PM2.5濃度呈現冬季高、夏季低的時間分布趨勢 （圖1），24h平均濃度的最大值出現在1月份，為251μg/m3。

圖1 長沙市2017年全年室外PM2.5月平均濃度統計（來源：自繪）

辦公樓D以全年不保證天數為15天情況下的24h平均濃度最高值作為室外設計條件，由室外PM2.5濃度歷史數據統計可得，該設計條件下室外PM2.5的濃度為188μg/m3。

4.3 建筑及圍護結構分析

辦公樓D的建筑結構為砌體結構，室內PM2.5治理范圍為人員長期停留的場所，不考慮樓梯間、設備間、衛生間等輔助房間。

辦公樓外窗為鋁合金上懸窗，鋁合金外窗氣密等級為6級。根據《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》（GB/T 7106—2019），氣密性6級外窗的空氣滲漏量為3.0～4.5 m3/(m2·h)，工程上取較為保守的值，即4.5 m3/(m2·h)。

4.4 新風系統分析

辦公樓D中標準樓層采用的是風機盤管+獨立新風的空調形式。辦公室的制冷、制熱由安裝在吊頂內的風機盤管提供；新風由安裝在新風機房的新風機組集中供應，通過風管送至各個房間。

辦公樓D中會議樓層采用的是全空氣系統的空調形式，會議室的制冷、制熱由安裝在機房內的組合式空調機組提供；新風由室外經新風管送至組合式空調機組內與回風混合后，再通過風管送至各個會議室。

4.5 設計方案

4.5.1 室內PM2.5濃度計算[3]

如圖2為室內PM2.5顆粒的傳輸機理。由圖2可知，室內PM2.5的濃度主要取決于PM2.5顆粒通過門窗等縫隙進入室內的量、空調系統新風帶入顆粒、離開室內的顆粒、室內顆粒物的沉積、空氣凈化器去除的顆粒。

圖2 PM2.5濃度計算模型（來源：董怡平《辦公樓項目室內PM2.5控制的最優化研究》）

根據質量守恒定律，可建立室內PM2.5濃度計算模型的表達式。

其中：C為室內顆粒物濃度（μg/m3）；V為房間體積（m3）；Co為室外顆粒物濃度（μg/m3）；Qp為圍護結構滲透風量（m3/h）；Pp為顆粒物從室外進入室內的穿透系數，取常數（參考值0.9）；Qx為空調系統送入室內的新風量（m3/h）；x為新風系統PM2.5去除率；k為室內顆粒物的沉積率，取常數（參考值0.09）；CADR為空氣凈化器去除顆粒物的潔凈空氣量（m3/h）。

則公式1簡化為：CADR·CoQpPp+CoQx(1-ηx)-C(Qp+Qx)-kVC

4.5.2 改造設計方案

為保證過濾PM2.5的效果和穩定性，此項目選用高效過濾器HEPA。

辦公樓D中標準樓層采用的是風機盤管+獨立新風的空調形式，原有新風機組工作原理如圖3。

圖3 標準樓層原有新風機組工作原理（來源：自繪）

辦公樓D中會議樓層采用的是全空氣系統的空調形式，原有空調機組工作原理如圖4。

圖4 會議樓層原有新風機組工作原理（來源：自繪）

原有新風管安裝了電子除塵，現場反饋電子除塵運行效果較差，改造后將拆除原有電子除塵和初效濾網段。

按照國內去除PM2.5常規設計技術要求：新風過濾段需按照初效（G4）+中效（F5/F6）+高效（F9/F10）的方式逐級配置[4]；高效過濾設置在送風正壓端，高效過濾裝置通過風速要求≤1m/s[5]。但因現場條件受限，在滿足將房間內PM2.5含量降低至35μg/m3的前提下，根據現有空間對安裝在現有樓層空調機房內的機組進行改造，并盡量控制高效過濾裝置通過風速≤1.5m/s，表冷器的迎面風速≤2.5m/s。

辦公樓D中標準樓層改造方案如圖5。

圖5 標準樓層原有新風機組工作原理（來源：自繪）

設計方案為改造原新風機組風機，增大電機功率，增大全壓，新增高效過濾風柜，增加初效（G4）+高效（H11/H12）過濾段。高效過濾器布置在進風端過濾風柜內，對PM2.5的去除率按0.99的標準配置[6]。根據各個辦公室房間的情況，將已知數據代入公式1，新風全部高效過濾，部分房間室內需相應配置PM2.5空氣循環凈化器[7]。

基于表3，典型的辦公室PM2.5新風系統設備選型計算示例如下。

表3 典型辦公室工程數據

室外檢測數據為80.3μg/m3；送風口檢測數據為0μg/m3；樣板間會議室內檢測數據為15.3μg/m3；走廊檢測數據為60.2μg/m3。

改造運行后，樣板間PM2.5室內濃度小于35μg/m3，滿足設計要求，并得到業主一致好評。

4.5.4 存在的問題

此案例為改造項目，因空調通風系統已施工完畢并處于使用階段，只能在現有條件下盡量保證PM2.5的治理效果，難以做到優化設計。

高效過濾器設在送風末端效果最好，能夠避免風管送風形成二次污染，但因現場條件受限，無法在末端增加高效過濾器，且目前還沒有和普通辦公樓建筑相配套的高效過濾風口，所以此設計方案將高效過濾器設在機房，后續對風管進行清掃和密封檢查，盡量避免風管送風形成二次污染。

5 結語

辦公樓的室內PM2.5設計濃度C為35μg/m3，將工程數據代入計算公式模型，采用內點法的算法，通過MATLAB軟件求解：

圍護結構單位面積漏風量qw=4.5 m3/(m2·h)；

新風系統PM2.5去除率ηx=0.9；

空氣凈化器去除顆粒物的潔凈空氣量CADR=109 m3/h。

典型的辦公室設備選型見表4。

表4 典型辦公室設備選型

本文結合實際工程案例，對辦公樓室內PM2.5的治理設計進行了論述。首先說明了室內外PM2.5的相關標準，采用基于“不保證天數”的方法確認了PM2.5室外設計濃度；其次對比分析了目前市場上有效成熟的PM2.5治理設備；最后根據質量守恒定律對室內PM2.5治理設備進行了計算選型。

本文中的案例為改造項目，改造后的效果達到并高于設計標準，得到業主好評。但因改造項目受現場條件限制，無法采用更為優化的方案，若今后項目有條件選用高效過濾器HEPA，過濾段可按照初效+中效+高效方式逐級配置，節省運行費用。可將高效過濾器設置在送風末端，避免風管二次污染；高效過濾裝置通過風速宜≤1m/s，減少過濾器阻力。本文的研究結合實例對室內PM2.5的治理設計進行了詳細分析，可為相關研究設計提供一定參考。

辦公樓D中會議樓層改造方案如圖6。

圖6 會議樓層原有新風機組工作原理（來源：自繪）

因現場條件受限，新風管上沒有空間單獨安裝高效過濾器，為保證PM2.5治理效果，新增一臺高效過濾風柜對新風和回風進行全處理。改造拆除原機組進風管、靜壓箱及混風段，新增一臺高效過濾風柜，并與原機柜連接。根據各個會議室房間情況，將已知數據代入公式模型計算，改造后能達到PM2.5的設計濃度值。

4.5.3 改造后效果

改造后樣板間PM2.5檢測數據如下：