通风混合系数对过滤器效率的影响分析

谢伟 李龙 黄亦平 司鹏飞

1中交第二航务工程勘察设计院有限公司

2中国建筑西南设计研究院

通风混合系数对过滤器效率的影响分析

谢伟1李龙1黄亦平1司鹏飞2

1中交第二航务工程勘察设计院有限公司

2中国建筑西南设计研究院

为了满足空调系统室内PM10质量浓度和送风口PM10质量浓度要求，通过质量平衡方程建立一次回风空调系统过滤器选型模型。由于室内颗粒物混合是不均匀的，对空调模型进行修正，结合工程实例分析混合系数对过滤器效率的影响。计算结果表明：当混合系数由0.5增加至1.0时，主过滤器效率由88.2%降低至28.3%，降低了70%。

PM10混合系数过滤器

0引言

大多数人70%～90%的时间是在室内度过的[1～2]，Smith K.R指出室内空气颗粒物污染占整个室内空气污染的76%[3]。室内颗粒物污染控制对人体健康危险评估尤为重要。

2002年颁布的GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》[4]要求室内P的平均质量浓度不超过0.15mg/m3；同时，卫生部于2006年制定的《公共场所集中空调通风系统卫生规范》[5]规定了送风气流中的PM10的质量浓度不超过0.08mg/m3，以控制室内PM10对人体健康的危害。

目前，室内颗粒污染物主要通过空气过滤器控制的，文献[6～7]在假设空调房间颗粒物均匀分布的基础上计算出过滤器效率，考虑到通风混合的不均匀性，本文就通风不均匀性对过滤器效率选型计算的影响进行分析。

1过滤器效率的理论推导

文献[6]给出舒适性空调系统在满足《标准》时的空气过滤器选型方法；司鹏飞[7]通过建立室内颗粒物质量平衡，进一步给出了满足《标准》和《规范》下的过滤器选型方法。

实际通风状态下，室内空气混合是不完善的，混合过程也不是瞬时的，形成所谓污染物浓度的不均匀性，引入通风混合系数[8]，就通风混合的不均匀性对室内颗粒物均匀模型的影响进行分析。

1.1满足标准的数学模型

以一次回风空调系统为例，如图1所示，推导非稳态下、均匀混合时室内PM10浓度的质量平衡方程，即颗粒物的集总参数模型，如式（1）。

图1一次回风空调模型

式中：V为室内体积，m3；Q1为一次回风量，m3/h；Q2为新风量，m3/h；Cw为室外PM10的质量浓度，mg/m3；ηx、ηh、ηz分别为新风过滤器、回风过滤器、主过滤器的计重效率；G为室内单位体积发尘量，mg/(m3·h)；K为颗粒物沉降率，1/h；Cn为室内PM10浓度瞬时值，mg/m3；dCn为室内颗粒物浓度的增量，mg/m3。

对式（1）经过积分变换，可得室内颗粒物浓度稳态值为：

对式（2）进行数学变换得主过滤器效率的表达式（3）：

式中：S为新风比，S=Q2/Q；N为换气次，N=Q/V，1/h。室内发尘量可依据下式计算：

式中：Gp为人员发尘量，mg/(h·人)；F为室内面积，m2；β为室内面积与人员密度的折合系数；ρ为人员密度，人/m2。

1.2不均匀混合下满足标准的数学模型

考虑实际通风不均匀性，引入通风混合系数λ，则实际计算主过滤器效率按照式（5）计算：

1.3满足送风口规范的模型

卫生部制定的《公共场所集中空调通风系统卫生规范》规定了送风气流中的PM10浓度≤0.08mg/m3。

根据质量平衡方程，计算送风气流中PM10浓度Ci，如式（6）所示：

式中：C∞为室内PM10的平均质量浓度，mg/m3，对式（6）经数学变换得主过滤器表达式（7）。

对比式（5）和式（7）可知，通风混合系数影响标准下的表达式，对送风口浓度计算式无影响。

2分析与讨论

在过滤器效率计算时，分别计算出满足《标准》和《规范》的主过滤器效率，然后取较大值作为空调系统主过滤器效率值。

2.1最小换气次数

文献[7～9]都给出了针对空调过滤系统的最小换气次数，但都是在假设通风系统在室内均匀混合时计算得出的。

通风空调系统在按照满足标准模型计算过滤器效率时，存在最小换气次数。由式（5）可知，主过滤器效率ηz≤100%，可得最小换气次数的计算式：

可得：N≥（G-KC∞）/λC∞，通风空调过滤系统从控制室内颗粒物污染角度存在一个最小换气次数。

2.2有效换气次数

空调系统从通风有效性方面考虑，存在一个有效换气次数，如式（9）所示：

式中：N'为有效换气次数，1/h；N为实际换气次数，1/h。混合系数越大，有效换气次数越接近实际通风换气次数。

2.3过滤器效率计算

对比式（5）和式（7），两式做差可得式（10）：

计算结果满足以下三种情况：

当计算结果满足式（11）时，计算主过滤器效率按式（7）计算；当计算结果满足式（13）时，计算主过滤器效率按式（5）计算。

3工程算例

3.1算例简介

某建筑层高为3.9m，空调面积30m×60m，人员密度取0.3m2/人[10]，当地室外P平均质量浓度为00.10mg/m3，室内允许PM10浓度为0.15mg/m3，送风口允许PM10浓度为0.08mg/m3，室内发尘量折合成人员计算为10mg/(h·人)[11]，PM10在室内的沉降率为1/h[12]，空调系统的新风比为15%，换气次数为10次/h，新、回风配置过滤效率为20%。

3.2计算结果

空调系统设计换气次数为10次/h，根据最小换气次数的定义，依据式（8），可计算通风混合系数的范围：

经计算该建筑通风混合系数λ≥1.456。根据式（5）和相关参数可做出主过滤器效率与通风混合系数λ的相关图示，如图2所示。

图2通风混合系数对过滤器效率的影响

根据式（12）计算临界混合系数，λ=0.976，主过滤器效率ηz=30%；当λ＞0.976时，过滤器效率按照式（7）计算结果计算，即过滤器效率取ηz=30%；当0.456＜λ＜0.976时，过滤器效率按照式（5）计算结果计算。

当λ≤0.456时，即公式不能满足要求，应考虑在房间局部污染物浓度较大的区域设置空气自净器。

由图2可知，混合系数对主过滤器的影响较大，当混合系数由0.5增加至1.0时，空调系统的有效换气次数由5次/h增加到10次/h，同时主过滤器效率由88.2%降低至28.3%，降低了70%。

4结论

1）在实际通风中，由于通风混合的不均匀性，应考虑混合系数对过滤器效率的影响，计算结果同时应满足《室内空气质量标准》和《公共场所集中空调通风系统卫生规范》中对PM10的要求。

2）当混合系数由0.5增加至1.0时，系统有效换气次数由5次/h增加到10次/h，主过滤器效率由88.2%降低至28.3%，降低了70%。

3）在空调系统设计中，要合理地设置送风方式、室内气流组织、及房间尺寸等，以改善通风混合的不均匀性。

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[3]Smith K R.Fuel combustion,air pollution exposure,and health: the situation in developing countries[J].Annu Rev Energy Environ,1993,18:529-566

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[5]公共场所集中空调通风系统卫生规范(卫监督发[2006]58号) [S].2006

[6]徐文华.舒适性空调空气过滤器效率计算方法[J].暖通空调, 2001,31(3):42-44

[7]司鹏飞,樊越胜,李安桂,等.公共建筑集中空调系统过滤器选型方法优化[J].暖通空调,2011,41:63-66

[8]魏润柏.通风工程空气流动理论[M].北京:中国建筑工业出版社,1987

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[10]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

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Ana lys is of the Influe nc e of Ve ntila tion Mixe d Coe ffic ie nt on Filte r Effic ie nc y

XIE Wei1,LI Long1,HUANG Yi-ping1,SI Peng-fei2
1 CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.
2 China Southwest Architecture Design Institute

In order to meet the requirements of the mass concentration of PM10in indoor air and supply air,establishes a mathematical model for filter selection of the primary return air conditioning system according to the mass conservation. The air conditioning model should be amended because the indoor particle mixing is uneven,analysis the impact of mixing coefficients on filter efficiency combined with practical engineering.The results show that the mixing coefficient increased from 0.5 to 1,the main filter efficiency decreased from 88.2%to 28.3%,reduced by 70%.

PM10,mixed coefficient,air filter

1003-0344（2014）05-035-3

2013-8-13

谢伟（1986～），男，硕士，助理工程师；武汉市武昌区民主路555号中交第二航务工程勘察设计院有限公司（430071）；

E-mail:xwei86@yeah.net