学校教室室内PM2.5污染控制策略研究

郑 磊

（同济大学机械与能源工程学院，上海 200092）

目前，国内大部分城市的室外环境质量不容乐观，室外PM2.5污染物会经由围护结构渗透及门窗通风等方式进入室内。尤其是学校内教室空间，往往无任何防控措施，在雾霾季节，一旦开窗通风就会导致学生暴露在PM2.5高浓度污染的环境下，但仅采取关窗阻挡的方式又会导致室内CO2浓度严重超标，且PM2.5污染物的控制效果也不显著。因此，需要利用新风及PM2.5过滤系统实现教室内PM2.5的控制及空气品质的提升。

1 当前室内空气污染物现状

在人们日常的室内生活和工作环境中，最常见的污染物就是灰尘。空气中的灰尘有的肉眼可见，有的不可见。相对大一些的微小颗粒，在强烈的阳光照耀下，人们通过肉眼就能观察到，这些灰尘通过呼吸作用进入身体内部，可能会引起呼吸道不适，造成咳嗽等症状，进而诱发其他病症，对人体健康造成危害。一些肉眼不可见的污染物，由于颗粒比较小，很难通过肉眼分辨，这类污染物中很可能包含一些病毒、细菌，通过呼吸作用进入人体后，对人体的呼吸系统造成感染，诱发病症，使得人们的正常呼吸受到阻碍。在肉眼不可见的污染物中，PM2.5是最常见的一种。PM2.5是对空气悬浮微粒直径≤2.5mm的颗粒物质的统称，这类物质颗粒直径小、质量轻，并可能携带重金属、微生物等有害物质。PM2.5对空气质量的影响很大，同样，对人体健康的影响也很大。此外，这类污染物还有无机和有机之分，无机污染物主要指的是燃烧、汽车尾气等带来的SO2、NO2等物质，这类物质同样对人体有害。

2 空调通风系统在改善室内空气品质中的应用

室内空气污染的源头有很多，而空调通风系统作为内外空气交换的媒介，是改善室内空气品质的重要手段和途径。目前，对于PM2.5的控制技术，主要以通风稀释、拦截或吸附过滤为主。

2.1 对污染源进行通风稀释

通风能够增加空气的流动性，这样，空气中的污染物质可随着空气的流动得到一定程度的稀释，因此增强室内环境的通风，并引入洁净新风来对污染物进行稀释是十分有必要的。但在通风稀释污染物的同时也应当注意，若室内和室外空气的温度差较大，则不建议直接引入室外空气进行室内的通风稀释，因为这样会导致空调能耗上升及室内环境舒适性的下降。

为有效改善室内空气质量，在对室内进行通风稀释的时候，应当合理地设计通风气流，借助通风使室内污染物能够得到有效排除。但是近年来空气污染问题日益严重，雾霾天气频现，空气中的可吸入颗粒物增多，甚至室外的空气质量不如室内。虽然随着整治力度的加大，近期室外空气环境中PM2.5污染物相较于前几年有所改善，但控制结果距离健康的空气环境仍旧甚远。这种情况下，若不做过滤处理就直接进行通风稀释，效果微乎其微，反而可能会使室内的空气质量变差。

2.2 对室内PM2.5污染进行过滤

对空气中污染物的过滤，主要是通过在室内末端设备的回风端口或送风端口设置空气过滤器，以此实现对空气中的污染物质的过滤，这是目前暖通空调空气净化技术中最常见的一种方式。根据其净化的效率，空气过滤器可以分为高效过滤器、中效过滤器和低效过滤器，具体如何选用则需要根据室外空气的污染程度和室内环境状态进行选型设计。

在使用过程中应注意，空气过滤器的过滤效果受很多因素的影响，良好的过滤效果能够有效减少空气中的颗粒物，提高空气的质量。空气过滤器也需要及时进行更换，避免微尘在过滤器上堆积，对通往室内的空气造成二次污染。

3 学校教室室内PM2.5物理及数学模型建立

根据学校教室空间的室内状态及通风设备，对其室内PM2.5的质量浓度影响因素进行物理模型的建立，如图1所示。学校教室空间一般无空调，基本靠门窗通风实现温度调整。为实现教室室内PM2.5浓度的控制，考虑在学校教室空间内增加新风设备，改善人员密度较高时带来的CO2浓度严重超标问题，同时通过过滤装置的追加，实现在室内新风引入的同时，将室外PM2.5污染源隔离在外的目标。

图1 室内PM2.5质量浓度影响因素

根据图1建立学校教室室内PM2.5浓度平衡方程式，如下：

式中：Qf为新风系统新风，m3/h；C0为室外颗粒物浓度，g/m3；ηf为新风过滤效率；QP为围护结构渗透风，m3/h；P为渗透系数；Qn为室内自然风，m3/h；Mr为室内表面颗粒物扬尘量，μg；Ci为室内颗粒物浓度，μg/m3；Ms为室内颗粒物沉降量，μg。另外，图中V为室内体积，m3；M为室内人员产尘量，μg。

当室内无新风时，由于建筑非完全密闭，存在围护结构渗透风，若开启门窗，受自然风的影响，会将室外PM2.5污染带入室内，加上室内学生密集，人员活动导致扬尘等的产生，在室外PM2.5浓度较高时，室内PM2.5浓度也同样存在过高的问题。为简化模型，不考虑室内表面扬尘与沉降的影响，则上式可以简化为：

当室内采用新风过滤设备，存在新风时，为达到较好的室内PM2.5控制效果，一般新风会采用微正压，则围护结构渗透风与自然风造成的室内PM2.5污染基本可以忽略。为简化模型，不考虑室内表面扬尘与沉降的影响，则上式可以简化为：

则：

由公式（4）可见，当室外PM2.5浓度不变、新风量不变的情况下，室内PM2.5浓度与新风过滤效率成反比；当新风量不变、过滤效率不变的情况，室内PM2.5浓度与室外PM2.5浓度呈线性相关性。

4 基于某实际项目采用新风追加过滤装置的控制效果分析

针对上海某学校六年级一班教室采用新风追加过滤装置前后其室内PM2.5浓度及CO2浓度变化情况进行测试，该教室面积为102m2，无空气处理设备，测试分别针对如下几种情况进行：（1）教室无新风及过滤装置时，开关门窗前后；（2）采用新风及过滤装置后，室内无人员活动时；（3）采用新风及过滤装置后，学生正常上课。在这三个条件下，测试其室内PM2.5及CO2浓度的变化情况。

在满足上述控制条件时，通过粉尘测试仪器及CO2浓度检测进行室内空气参数的记录。测试期间仅对控制条件进行严格控制，其余人员活动等行为均依照学生正常教学上课行为进行。

该次测试采用型号为MetOne831粉尘测试仪及鑫斯特HT2000的CO2浓度测试设备进行布置，设备详细参数如图2所示。

图2 测试设备的详细参数表

针对上述测试条件，该期间测试结果如下：

（1）教室无新风及过滤装置时，开关门窗前后的室内外PM2.5及CO2浓度变化如图3所示。关闭门窗测试时段为7：00—9：15，在该时间段内进行室内空气质量的监测。9：15后按照正常的教室使用习惯进行门窗的开关。根据测试结果，门窗关闭时，室内CO2浓度急速上升至5300mg/L，室内PM2.5浓度则相对稳定，受室外PM2.5浓度变化影响不大；当门窗开启后，室内CO2浓度骤降，而室内PM2.5则与室外PM2.5浓度呈线性相关性，且室内PM2.5浓度上升。

图3 无新风过滤装置时开关门窗后的室内外PM2.5及CO2浓度变化

（2）采用新风及过滤装置后，选取周末教室无人时进行了12h测试，测试结果如图4所示。在门窗关闭状态下，新风全热交换器开启，室内PM2.5浓度基本不受室外浓度变化，其影响甚微。该测试状态下室内无其他影响因素，室内控制结果基本接近于过滤设备本身的过滤效率，该状态下的控制效果较为理想。且CO2浓度也与室外CO2浓度接近，由此可见新风设备对CO2浓度控制较佳。

图4 室内无人活动时室内外PM2.5及CO2的浓度变化

图5 安装新风过滤装置后的室内外PM2.5及CO2浓度变化

（3）采用新风及过滤装置后，设备在正常使用下，室内PM2.5及CO2浓度控制效果如图5所示。在项目实际使用过程中，一定存在室内人员活动的影响因素，以及一些人员进出行为导致的室内PM2.5浓度波动，因此该项目同时测试了实际教室上课时室内PM2.5及室内CO2的控制效果。

根据测试结果，当上课期间门窗紧闭时，室内PM2.5浓度得到有效控制；当课间人员进出，门开启后，室内PM2.5浓度污染上升，但CO2浓度下降；当开始上课后，室内PM2.5浓度下降，CO2浓度略有上升，但也基本维持在1000mg/L左右，室内空气品质得到有效改善和控制。

综上实测效果所得，针对学校教室空间，采用新风追加过滤装置能对室内PM2.5污染控制实现较好的改善与控制，且同时满足室内CO2浓度不会超标的要求，是一个相对便捷有效的控制方式。

5 结束语

当前，国内空气污染情况日益严重，室外的空气质量不容乐观，为了保障人们室内的生活环境，在空气处理系统中增加新风引入及过滤装置是十分有必要的。暖通空气净化技术的应用，应当根据污染物质的特性，灵活选择合适的空气净化技术。由于空气中存在多种污染物，可以采用多管齐下的方式，对空气中的污染物质进行有效净化，使人们在室内呼吸的空气质量有一定的保障。同时，对于空气净化装置，需要加强后期的检修和维护，避免对室内空气造成二次污染。