置换通风下不同风速对负离子净化PM2.5的研究*

吴兆波　郭强　王金良　张亮　王海林

(常州大学建筑环境与能源应用工程系　江苏常州 213016)



大气污染治理

置换通风下不同风速对负离子净化PM2.5的研究*

吴兆波郭强王金良张亮王海林

(常州大学建筑环境与能源应用工程系江苏常州 213016)

摘要利用人工环境舱进行实验，从衰减常数、去除率等方面分析了在置换通风下不同送风速度对负离子净化PM2.5的影响。结果表明：负离子对PM2.5具有净化作用；随着送风速度的增加，负离子对PM2.5的净化作用先降低后增大。在保证工作区不会产生吹风感的情况下，所选的8个工况中，置换通风送风速度为0.3 m/s左右时，负离子对PM2.5的净化效果最佳，净去除率达到20.4%。

关键词置换通风环境舱负离子PM2.5净化效果

0引言

人们80%以上的时间是在室内度过的，室内空气品质与人们的健康息息相关[1]。在室内空气污染物中PM2.5气溶胶颗粒物会引起人员健康问题(如人体过敏、哮喘及肺癌等)，而采用传统被动式净化方法(如过滤法等)很难有效去除室内悬浮的PM2.5。近年的最新研究表明主动式负离子技术是去除PM2.5的有效办法。负离子具有降尘作用，尤其是对小至0.01 μm的微粒和难以去除的飘尘[2]。国际标准ISO16814明确肯定了负离子技术是改善室内空气质量的技术之一[3]。

文献[4]提到负离子对室内PM2.5的净化是一个发生、作用、凝并、沉降的过程，并对混合通风、地板送风及置换通风3种工况下负离子的动态传播进行了数值模拟，结果表明，置换通风比其余两种工况更能有效控制房间较低位置产生的污染物。文献[5]通过研究表明置换通风下负离子在地面沉降损失量最多，墙壁次之，天花板上较少。沈晋明等人[6-7]采用实验方法研究了负离子对地铁站和食堂的改善效果，分析了负离子、人流密度和颗粒物浓度之间的关系，得出负离子在人流密度大的开放性场所净化的可行性。

虽然前人对负离子净化技术做了大量研究，但是在同一气流组织下，不同送风速度对负离子净化PM2.5效果的影响方面的研究还比较少。GB 3095—2012《环境空气质量标准》规定室内PM2.5日平均浓度不大于35 μg/m3[8]，细颗粒物初始浓度应为相关卫生标准的2～5倍，故本实验设定环境舱内PM2.5背景浓度为100 μg/m3。利用环境舱在不同工况下进行实验，以期获得在置换通风下不同的送风速度对负离子净化PM2.5的影响机理，从而最终能为负离子技术应用于空调室内PM2.5净化提供工程应用指导。

1实验平台与研究方法

1.1实验平台

研究采用的实验平台是4 m×4 m×2.8 m的环境舱系统，温度控制范围：16～30 ℃(±0.5 ℃)，相对湿度控制范围：30%～80%(±5%)，保温要求：各面墙体均做成绝热保温，如图1所示。

图1　人工环境舱结构及送风系统

实验测量仪器：PC-6A粉尘计数仪(4台)，量程为0.001～10 mg/m3，检测灵敏度为0.001 mg/m3，重复性误差≤±2%；AIC-2000负离子浓度检测仪，量程为100～2.0×107个/cm3，精度为±25%；TESTO 405热敏式风速仪，量程0～10 m/s，分辨率为0.01 m/s，精度为±(0.1 m/s+5%测量值)(0～2 m/s)。

1.2研究方法

调节环境舱内温度为(21±2.5)℃，相对湿度40%±5%[9]。点燃4支香烟作为PM2.5释放源(放置位置如图2)，同时开启舱内风扇搅拌，在呼吸区(距地面高度1.1 m处)均匀选取4个样点(样点位置如图2)，用粉尘计数仪监测样点的PM2.5浓度，当达到100 μg/m3时，熄灭香烟、关闭风扇，测试PM2.5的自然衰减状况。将负离子发生器放在距离置换通风送风口20 cm处(放置位置如图2)，恢复舱内PM2.5浓度为100 μg/m3，开启发生器(距发射口20 cm处测得负离子发生量约为5.68×106个/cm3)，测试PM2.5的衰减状况。

恢复舱内PM2.5浓度为100 μg/m3，开启置换通风，送风温度20 ℃，按照表1分别对工况3至工况8进行测试，得出不同工况下呼吸区PM2.5浓度的衰减状况。按照公式(1)[9]计算各工况下的衰减常数k。为保证数据的可靠性，采用相关系数的平方(R2)进行评价。计算式如式(2)[9]。

图2　不同样点在环境舱中的布置

置换通风关闭风速0.1m/s风速0.2m/s风速0.3m/s负离子发生器关闭工况1工况3工况5工况7负离子发生器开启工况2工况4工况6工况8

衰减常数k(min-1)：

(1)

相关系数的平方(R2)：

(2)

其中：

去除率η(%)：

(3)

式中，n为数据对的数目；ti为时间，min；ct0为样点PM2.5的平均初始浓度，μg/m3；cti为在时间ti时样点PM2.5的平均浓度，μg/m3。

2实验结果与讨论

2.1各工况下对PM2.5的净化效果

图3　自然沉降与置换通风不同风速下PM2.5的衰减曲线

图4　在置换通风不同风速下开启负离子

(a)置换通风关闭时

(b)送风速度v=0.1 m/s时

(c)送风速度v=0.2 m/s时

(d)送风速度v=0.3 m/s时

在不同工况下，净化环境舱中实际初始浓度为(100±3)μg/m3的PM2.5，其衰减曲线见图3、图4。根据不同工况下PM2.5的衰减数据，按照式(1)计算出总衰减常数ke、自然衰减常数kn，见表2。按照式(2)计算出衰减曲线的线性回归方程的相关系数的平方(R2)≥0.98(见表2)，说明采集的衰减数据是可靠的[9]。

表2　同一初始浓度下各工况下的相关参数

按照式(3)计算出经过30 min后PM2.5的去除率η，见表3。

表3　不同工况下30 min后PM2.5的去除率　%

从图3、图4中可以看出：在置换通风及置换通风+开启负离子发生器下，工作区的PM2.5衰减趋势一致，衰减速度均是由慢到快，最后趋向稳定。这主要是因为置换通风以低速在房间下部送风，新风气流在房间底部扩散的时间较长，然后以类似层流的活塞流的状态向上移动到达呼吸区，以及负离子具有良好的气流跟随性。从衰减常数、去除率及图5来看，在同一送风速度下，开启负离子发生器工作比负离子发生器不工作时的衰减常数、去除率要大，说明负离子对PM2.5具有一定的净化作用。

2.2不同风速下负离子对PM2.5净化效果

由以上实验结果可知，负离子对PM2.5具有一定净化作用。为了比较不同风速对负离子净化PM2.5效果的影响，在工况4、工况6、工况8下，除去因自然沉降、置换通风对PM2.5的衰减，得出该3种工况下负离子对PM2.5的净去除率、净衰减常数，见图6。

图6　不同风速下负离子对PM2.5的净去除率、净衰减常数

从图6中得出：置换通风送风风速约为0～0.1 m/s时，随着风速的增大，负离子对PM2.5的净去除率、净衰减常数随着风速的增大而降低，净去除率由14.5%降低至7.4%，表明此时负离子对PM2.5的净化作用随着风速的增大而减弱。而置换通风送风速度约为0.1～0.3 m/s时，负离子对PM2.5的净去除率、净衰减常数随着风速的增大而增加，净去除率由7.4%增加到20.4%，表明此时随着风速的增加，负离子对PM2.5的净化作用增大。这可能是由于送风速度较小时，气流在房间底部扩散的时间更长，造成负离子在地面的沉降损失较多，负离子利用率较低；而送风速度较大，负离子随气流以较快的速度向上方移动，减少了负离子在地面的沉降损失，迅速与呼吸区的PM2.5发生作用，从而降低呼吸区PM2.5的浓度。

2.3工作区风速

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)指出置换通风系统的最大送风风速一般在0.3 m/s左右。送风速度若过大，必增加风机功耗及可能会使人产生吹风感。由以上分析结果知：在送风风速为0.3 m/s时，开启负离子净化器(工况8)时，对PM2.5的净化效果最好。选取平面X=1.0 m、X=2.0 m，在每个平面的同一高度上选取2个测量点(见图7)，对工作区进行风速测量。到达稳态后，该工况下工作区的速度分布见图8。

图7　工作区速度测量点布置

图8　送风速度0.3 m/s时开启负离子

从图8看出：人在坐姿时，人体脚踝位置(距地面0.1 m处)风速约为0.16 m/s，人体头部位置(距地面1.1 m处)风速约为0.14 m/s。当工作区大部分区域的风速在0.15 m/s左右时，不会产生吹风感[10]。

3结论

在环境舱内对置换通风不同送风速度下，负离子对PM2.5净化效果的实验测试，分析得出以下结论：

(1)置换通风对负离子及PM2.5的流动起到了很好的控制作用。仅在置换通风工况下，呼吸区PM2.5的浓度随着送风速度(在0～0.3 m/s内)的增加而降低。

(2)同一送风速度下，开启负离子发生器比关闭负离子发生器时PM2.5的衰减常数、去除率大，说明负离子对PM2.5具有净化作用。

(3)置换通风送风速度为0～0.3 m/s时，负离子对PM2.5的净化作用随送风速度的增大先减弱后增强。送风速度为0.3 m/s时，经过30 min后，除去自然沉降与置换通风对PM2.5的衰减，负离子对PM2.5的净去除率达到20.4%，此时工作区不会产生吹风感。

参考文献

[1]A P Jones. Indoor air quality and health [J].Atmospheric Environment,1999,33(28):4535-4564.

[2]Daniell W, Camp J, Horstman S.Trial of a negative ion generator device in re-mediating problems related to indoor quality [J].J Occup Med,1991,33(6):68-72.

[3]ISO/TC205.ISO/DIS16814 Building environment design-indoor air quality-methods of expressing the quality of indoor air for human occupancy[S].Geneva,2005.

[4]成霞，钟珂.不同送风方式对负离子分布影响的数值模拟[J].建筑热能通风空调,2011,1(30)：50-54.

[5]成霞.不同送风方式下负离子净化器净化效果的研究[D].上海：东华大学，2011.

[6]沈晋明，饶松涛，王玲玲.负离子技术对地铁站环境改善效果的研究[J].暖通空调,2009,39(2)：122-127.

[7]饶松涛，沈晋明，陈巍，等.负离子对某食堂环境改善效果的实验研究[J].建筑热能通风空调,2008,27(3):1-5.

[8]GB 3095—2012，环境空气质量标准[S].

[9]GB/T 18801—2002，空气净化器[S].

[10]周鹏，李强民.置换通风与冷却顶板[J]. 暖通空调，1998，28(5)：1-5.

*基金项目：国家自然科学基金(51408072)，江苏省高校自然科学研究项目(14KJB560001)。

作者简介吴兆波，硕士，研究方向：建筑节能与污染物控制。

(收稿日期：2015-05-10)

Research on the Effect of Different Air Supply Velocities on the Negative Ions Purification for PM2.5under Displacement Ventilation

WU ZhaoboGUO QiangWANG JinliangZHANG LiangWANG Hailin

(DepartmentofBuildingEnvironmentandEnergyEngineering,ChangzhouUniversityChangzhou,Jiangsu213016)

AbstractThe effect of different air supply velocities on the negative ions purification for PM2.5under displacement ventilation has been analyzed from the aspects of attenuation constant and removal rate based on the experimental studies in an environmental chamber. The results show that negative ions have purification effect on PM2.5; with the increase of air supply velocity, the purification effect of negative ions on PM2.5firstly decreases then enhances. Under the prerequisite of causing no draft risk in the working zone, when the air supply velocity is around 0.3 m/s for displacement ventilation among the eight selected working conditions, the negative ions can perform the best purification function for PM2.5with the remove rate up to 20.4%.

Key Wordsdisplacement ventilationenvironmental chambernegative ionsPM2.5purification effect