来源:暖通学堂 暖通空调
摘要
对当前国内应对雾霾天气所推出的有关通风系统空气过滤装置的一些设计选型方法的可行性提出了质疑。讨论了这些方法难于付诸实施的多方面原因。参考Eurovent4/23-2018指南《一般通风中按ENISO16890评级的空气过滤器之选用》,根据国内情况提出了一种便于设计及工程管理人员使用的简明方法,并对该方法的实用性、可行性进行了讨论。
关键词
细颗粒物 穿透率 不保证率 不保证时间 室外空气类别 送风类别
作者
天津大学 涂 有 涂光备
天津安美环境科技工程有限公司 王 晨
0 引言
面对我国工业现代化和城镇化进程中伴随而至的雾霾天气,业内人士进行了许多应对措施的研究与探讨,提出了不少有益的方案以至设计指南。
本文借鉴欧洲通风协会的思路,结合我国国情现状提出一个类似于Eurovent 4/23-2018指南的技术方案。此方案恰当或可行与否,期盼业内人士审视与斧正。
1 公共建筑空间通风系统设置空气过滤系统以应对雾霾天气
本文主要讨论集中式、半集中式空调通风系统为应对室外空气环境悬浮颗粒污染,配置适宜的空气过滤器的相关问题。
1.1 公共建筑空调通风系统的新风过滤
公共建筑空调通风系统随需求及所处地域等不同有多种类型。常见的有全空气系统、新风+风机盘管(水+空气)系统、新风+房间冷暖空调多联机(工质+空气)等等。无论以上何种系统类型,其新风量、新风空气处理和分配系统,以及维持空气平衡的机械或自然排风等,都应依据室内空气卫生标准和保证空调通风系统持续正常运行来设计。包括进风口在内的新风通路是此类供冷供热系统室内外空气交换与更新的主渠道。从改善室内空气品质、保护居留者健康的角度,新风通路应设置适宜的空气过滤器,去除空气中的悬浮颗粒物等,使室内空气中悬浮颗粒物浓度控制在合理范围内,这也是当前业内普遍关注的问题。而在以往的空调通风系统设计规范或标准中,对此方面规定不够明确,急待重新审视。
在当前国内众多城市环境空气中细颗粒物的监测值严重偏离世界卫生组织(WHO)空气质量准则规定的情况下,制定适合我国国情的空调通风系统空气过滤装置设计选型指南,规范新建空调通风系统空气过滤设备的性能配置,考核并改造既有空调通风系统的过滤装置,以应对当前大范围和经常出现的恶劣空气环境,普遍认为极为必要。
既有的公共建筑中还有许多其他适应气候变化的暖通空调方式。
1.2 通风房间稳态时的颗粒物浓度质量平衡式
对于公共建筑一般空调通风系统,仅从空气过滤器设计选型角度,通常可以用图1所示稳态时的颗粒物质量平衡模型概略表述。
图1 通风系统室内细颗粒物质量平衡示意图
对于新风+风机盘管系统,仅有新风通路、风机盘管无有效过滤装置时符合1a所示的颗粒物浓度质量平衡模型。
2 国内目前涉及公共建筑空调通风系统应对雾霾的设计方法不易付诸实施
近年来国内研究人员针对如何降低雾霾天气影响室内空气品质、危害人类健康的问题,进行了许多有意义、有价值的试验、实测和研讨,提出了许多建议、措施和方案,还出台了一些有关的行业标准。这些研究成果对启发和促进业内人士重视和了解公共建筑空调通风系统应对雾霾天气的方方面面,功不可没。不过,笔者站在工程技术实用的立场,认为截至目前这些研究结果尚未能给出简单易行的合理方法。眼下所见的各种建议和方案中有不少待定的参数,暂时可能难以给出令人信服的数据,而且所推荐的各种方法似乎都偏于理论和过于烦琐,不便在工程设计中普及推广。
室内外空气细颗粒物设计浓度应是最基础的设计参数,而其设计取值如何确定并不简单,既要符合客观实际,又要易于统计和方便用于设计选型,笔者认为业内人士对这些方面未必能统一认识,达成共识可能尚需时日。笔者的认识如下。
2.1 细颗粒物室外设计浓度值
室外环境细颗粒物的设计浓度如何合理确定有多种方案,目前所见主要是参考暖通空调室外温湿度确定方法,以不保证率、不保证天数、时数等为依据,甚至比照供暖、供冷度日数(HDD,CDD)的概念,依据环保部门的PM2.5监测值来推算室外细颗粒物设计浓度。笔者也曾做过类似的工作,但现在想来似乎都未必妥当。
其一,空调通风系统设计时,依据当地室外比较不利的环境条件,确定冷热负荷及相应的供热供冷设备,以保障室内温湿度及新风量在全年运行中满足建筑物居留者的生活需要。
其二,室外环境细颗粒物的浓度变化,远不像室外温湿度的变化那么规律。近几年来各大城市采取煤改气、汽车限号、污染企业外迁等多项环保措施后,大气环境PM2.5监测值呈现逐年显著下降的状况,如表1所示。
表1 近6年来国内一些城市大气环境PM2.5质量浓度实测年平均值的变化情况
笔者深信,由于环保措施进一步完善与强化,如随着城市规划更趋合理,电动汽车和绿色出行方式普及,建筑及装修工艺、道路施工技术的改进,等等,国内城市的细颗粒物浓度还可能在近些年内有较为明显的变化。那么依据近期大气监测值统计得到的,符合不保证率、不保证天数规定的室外计算浓度值,恐怕一时难于稳定。期待规范、指南及时变更设计依据未必现实,而要求设计、管理人员随大气监测值变化及时跟进,似乎更不合情理。
2.2 细颗粒物室内设计浓度值
长期以来,国外所有涉及空气悬浮细颗粒物危害人类健康的研究,都是以室外大气环境的细颗粒物浓度为依据的,极少有文献给出室内空气悬浮细颗粒物浓度与居留者健康状况及引发疾患的循证医学研究的统计数据。可能正因为如此,截至目前曾经是影响力最大的室内细颗粒物浓度限值,仍是出自于1987年由加拿大卫生部所初次颁发的《居住建筑暴露指南》,以及该文件1995年的新版《住宅室内空气品质暴露指南》。
总而言之,如果要明确给定室内设计浓度值似乎缺少科学根据,而国内目前所推出的、以进出室内的PM2.5质量平衡为依据的各种空调通风系统空气过滤器选型方法,都必须确定室内PM2.5设计浓度值。而Eurovent 4/23-2018指南所推荐的空气过滤器选型技术方案恰恰回避了此问题。
除此之外,前面所提及的细颗粒物通过建筑围护结构的穿透系数、室内细颗粒物的发生量等相关参数的确定或取值,在工程设计应用中都存在一定的难度和缺少可靠性,这也是笔者格外关注Eurovent 4/23-2018指南的原因,期盼借助其思路制定适合我国国情的、按ISO 16890分级选用空气过滤器的技术方案。
3 借鉴Eurovent 4/23-2018指南的设想
3.1 适合国情的相关参数确定
制定适合我国国情的标准,需要确定适合我国目前经济发展水平、大气环境污染现状及公共建筑既有空调通风系统设计方法与运行规律等方面的相关因素,显然不宜照搬Eurovent 4/23-2018指南的规定。WHO也特别强调,不同国家和地区在制定其相关空气质量标准及措施时不能脱离当地的实际状况。
WHO指出:“WHO空气质量准则(AQG)是为在全世界范围内使用而制定的。各国制定的国家标准之间是有差异的。因为标准是依据所采用的权衡健康风险的方法、技术可行性和经济方面的考虑,以及其他各种政治和社会因素来制定的,而这些因素反过来又取决于国家发展水平和空气质量管理能力。WHO承认这些差异的存在,在制定这些政策目标时,应该充分考虑当地情况后再决定是否直接将准则值作为当地具有法律效力的标准。”
笔者认为,WHO的上述立场及其具体提出的除准则值以外的3个过渡时期目标值(如表2所示),为我国制定适合国情的标准提供了依据。
表2 WHO颗粒物质量准则及过渡时期目标
3.1.1 室外空气级别
国内环保主管部门颁发的HJ 633-2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定》,以空气质量指数类别判定空气的污染程度,空气质量指数类别及相应的PM2.5 24h平均质量浓度限值如表3所示。
表3 空气质量指数类别及相应的PM2.5 24h平均质量浓度限值
笔者认为,根据我国国情现状用6个级别来标识某天的空气质量是合适的,但用作空调通风系统空气过滤设备的选型依据则未必恰当。
笔者认为,以PM2.5等颗粒物的年平均浓度值作为大气环境污染状况的指标及设计依据,较以24h平均浓度值为标志更适宜。因为几乎所有涉及空气悬浮细颗粒物危害人类健康的论述,都是以多年医学循证的研究统计结果为依据的。而这些研究对应的坐标基本都是大气环境细颗粒物年平均浓度值。
笔者认为,采用细颗粒物的年平均值为准,而不是采用与24h平均值相关联的不保证率、不保证天数等方法来确定室外空气PM2.5浓度设计值。
欧洲通风协会根据欧洲大气环境PM2.5质量浓度年平均测值现状,将室外空气仅分为≤10μg/m3,>10μg/m3且≤15μg/m3和>15μg/m33挡。表4给出了欧美部分城市近年PM2.5质量浓度年平均测值。
表4 欧美部分城市今年PM2.5质量浓度年平均测值
根据国内338个城市PM2.5近年监测数据,对照欧美部分城市近年的测值(见表4),并兼顾今后国内环境改善的前景,笔者建议国内室外空气宜按PM2.5质量浓度年平均测值分为5级,如表5所示。
表5 室外空气(ODA)按PM2.5质量浓度年平均测值的分级
3.1.2 室内送风级别
JGJ/T 461-2019规定了室内PM2.5设计日质量浓度值,以用于空气过滤器选型计算,并举例说明了各级的适用场所,如表6所示。
表6 JGJ/T 461-2019的室内PM2.5设计日质量浓度值及与其他标准的对照
笔者认为,JGJ/T 461-2019的规定比较适合当前国内现状,而其给出的适用场所举例似乎标准略微偏高,如果说JGJ/T 461-2019此举是为将来国内大气环境显著改善而预留空间的话,倒也可以理解。
JGJ/T 461-2018所规定的4个目标等级,一定程度上反映了对国内公共建筑各种场所不同室内空气品质要求的类别,并为未来升级留有适当余地,所以笔者认为该标准以室内PM2.5设计日质量浓度值所确定的目标等级,可用作国内当前与Eurovent 4/23-2018指南相对应的送风等级。
3.2 根据室外空气和新风等级推荐的最低过滤效率ePM2.5
参照Eurovent 4/23-2018指南的思路,笔者经计算后给出了适合我国国情、对应于各送风颗粒物浓度,如表7所示。
表7 送风等级(SUP)和相应新风限值
依照表5的5个室外空气级别和表7的4个送风等级,笔者算得出了按照室外空气级别和送风等级所推荐的新风通路最低过滤效率ePM2.5,见表8。
表8 按照室外空气级别和送风等别所推荐的新风通路最低过滤效率ePM2.5
参照Eurovent 4/23-2018指南的规定,为保护HVAC系统,新风的第一级空气过滤器的过滤效率ePM10应不低于50%,根据欧洲通风协会认证中心(Eurovent Certita Certification)的测试统计,约相当于ePM2.5为10%~15%。
欧洲通风协会认证中心对市售的91台空气过滤器,按EN 779和按ISO 16890的测试对比结果,可大略以表9表述表8。
表9 按照室外空气和送风级别所推荐的EN 779最低效率
4 结语
截至目前,国内的相关研究结果尚未能给出简单易行的合理方法。眼下所见的各种建议和方案中有许多待定的参数,暂时可能还难以给出令人信服的实用数据。而且所推荐的各种方法似乎都偏于理论和过于烦琐,不便在工程设计中普及推广。而Eurovent 4/23-2018指南是理论与实践相结合的产物,值得借鉴。几十年来国内所建ISO5级以下,数以百万、千万m2计的各级洁净室,都是根据洁净室的换气次数经验数值设计计算的。笔者未曾听说有哪个工程是甩开经验值而按理论公式计算设计的。实践证明所用的这些工程经验值是简便和可信的。这样想来借鉴Eurovent 4/23-2018指南,搞一套适合我国当前现状的、简易可行的方案又有何不可呢?
此外,ASHRAE 的《立场文件》提醒业内人士,“预测室外空气颗粒物浓度与对健康不利影响的关系,所依据的大部分的健康结果都发生在小部分人群,所以还需要用大量的实证研究验证这些预测结果的普遍性和适用性。”同时WHO也一再强调,“各国标准的制定需要考虑当地条件的限制和公共卫生的优先重点问题。因为标准是依据所采用的权衡健康风险的方法、技术可行性和经济方面的考虑,以及其他各种政治和社会因素来制定的。而这些因素反过来又取决于国家发展水平和空气质量管理能力。”正因为如此,笔者认为,公共建筑空调通风系统应对雾霾天气所采取的技术措施规定宜相对宽松,并且便于实施和考核。
再者,从减少空调通风系统运行能耗考虑,笔者认为宜在主要空气过滤段装置旁通阀,在室外空气相对良好的时段可考虑适当开启,以降低空气过滤段的流通阻力,减少驱动能耗。
当然,室内PM2.5浓度的感知元件及旁通阀的开度指令和相应的执行机构都是需要研发和工程应用检验的。
带新风或自循环的房间空气净化器安装简单、移动方便,更有开停自如的优点,可作为空调通风系统应对雾霾天气的一种补充方式,综合应用;也可作为公共建筑空调通风系统在采取本文推荐的空气过滤措施基础上,对个别特殊高要求房间所采取的一种辅助手段。
本文所建议的方案必有疏漏之处,供应内人士审视并斧正。
5 致谢
碑文撰写过程中得到大气物理研究所孙扬博士鼎力支持,提供了许多监测数据,在此表示感谢!
(全文刊登于《暖通空调》2020年第50卷第一期55~63页,96页)