基于 PM2.5 浓度控制的空调系统过滤器配置研究

刘人杰 张云 徐桓

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

近年来，PM2.5 污染一直是十分敏感的话题，大量呼吸道病例都直接或间接的与 PM2.5 污染相关。自 2013 年开始我国各地开始陆续对室外 PM2.5 进行日常监测，而随着人们对生活品质要求的不断提高，室内PM2.5 浓度水平也越来越受到关注与重视。

一方面，相关学者从不同的角度切入做了大量关于PM2.5 的研究，包括 PM2.5 室外设计值的确定方法探讨[1-3]，室内外 PM2.5 浓度变化相关性分析[4-5]，不同空调形式对室内 PM2.5 浓度的影响[6]，各种类型空气过滤器对 PM2.5 的过滤效率研究[7-9]等。另一方面，我国相关法规也日趋完善，2019 年发布实施的《公共建筑室内空气质量控制设计标准》 JGJ/T 461-2019 中明确规定了公共建筑室内 PM2.5 设计日浓度限值，室内空气污染物浓度计算方法，空气净化设备的选型方法等，填补了国内关于室内空气品质设计标准的空白。

本文着眼于在满足室内 PM2.5 要求的前提下，对不同地域城市办公建筑一次回风空调系统在空调季节、过渡季变新风季节过滤器所需设计效率及选型配置进行分析，以期为实际应用工程提供参考。

1 室外PM2.5 设计浓度

室外PM2.5 的设计浓度计算依据有：不保证小时数、不保证天数、室外不保证率[1]等，本文结合相关文 献及规范[11]，以我国不同地区 8 个城市 2014～2020 年 7 年间室外 PM2.5 日均监测数据为基础，采用历年不保证5 天均值作为室外PM2.5 设计值。

对于采用一次回风全空气空调系统的办公建筑来说，室外新风引入是室内 PM2.5 浓度值的重要影响因素之一。而根据各地的节能与绿色建筑评价要求，全空气系统通常在过渡季节会采用可变新风比的运行策略，新风比在50%～100%之间。这样的运行策略使得在空调季节和过渡季节引入室内的新风量产生较大变化，也即是对室内 PM2.5 浓度的确定会产生很大影响，因此本文根据各地日均温度将全年分为空调季和过渡季，在不保证5 天条件下，进而分别统计每年各地空调季和过渡季的室外PM2.5 设计值。

图1、图2 分别为我国不同地区8 个城市空调季、过渡季历年在不保证 5 天下的室外 PM2.5 设计值，可以看出经过连年的治理，各城市的室外 PM2.5 值在空调季和过渡季整体上都呈下降的趋势，过渡季PM2.5 值略好于空调季，但并不明显。各城市的室外 PM2.5 历年不保证5 天均值见表 1。从表中可以看出我国地域 PM2.5 分布南方要好于北方，上海、广州等沿海城市要好于内陆城市。

图1 空调季室外PM2.5 设计值

图2 过渡季室外PM2.5 设计值

表1 室外PM2.5 设计值（μg/m3）

2 室内PM2.5 设计浓度

2.1 室内设计限值

表2 根据规范[11]要求列出了不同使用功能建筑室内PM2.5 限值要求，本文所研究办公建筑按照高档办公考虑，即PM2.5 室内设计浓度为35 μg/m3。

2.2 室内浓度计算公式

室内PM2.5 的来源主要有空调系统新风带入、室内发尘源、围护结构渗透等，在未设置室内空气净化器，假设室内 PM2.5 浓度稳定均匀分布的前提下，室内空气净化流程简图见图3。

图3 室内空气净化流程图

根据质量守恒方程[11]列出关系式如下：

式中：G-室内PM2.5 发尘源，μg/h；V-房间容积，m3；C-室内设计日浓度，μg/m3；Co-室外设计日浓度，μg/m3；al-渗透风换气次数，次/h，本文取 0.2 次/h；Pl-渗透穿透系数，本文取 0.8；ao-新风换气次数，次/h；Peo-新风净化设备当量穿透系数；ar-新风换气次数，次/h；Per-回风净化设备当量穿透系数。

式（1）中室内发尘源包括人员、设备发尘等，在考虑无烟办公室的前提下，人员 PM2.5 发尘强度见表 3[11]。打印机等办公设备的 PM2.5 发尘量忽略不计[10]。

表3 人员PM2.5 发尘强度

对于新、回风当量穿透系数，在一次回风全空气空调系统工程应用中，通常只在空调箱中设置总送风净 化设备，即新风、回风经过混合后再统一经过空调箱内置过滤器净化，在送风过滤器总效率为ηs时，有：

3 办公建筑计算模型

3.1 室内设计参数

本文以采用一次回风空调系统的大开间高档办公室为研究对象，假定空调送风量均能够满足不同城市办公建筑内冷热需求，以此定性分析计算系统新风量变化对过滤器效率要求。办公建筑计算模型的各项参数见表4。

表4 室内设计参数

由表 3 可知在人员密度小于 0.4 人/m2时人员 PM2.5 发尘量可以忽略不计，无论对于高档办公还是普通办公室而言，设计人员的密度一般均不会超过0.4 人/m2，也即办公建筑可以忽略人员 PM2.5 发尘量的影响。

3.2 过滤器计算选型

在设定好室内相关计算参数后，结合表 1、表 2 中室内外 PM2.5 设计值，以及式（1）、（2）即可计算出在满足室内 PM2.5 设计值的要求下空调系统过滤器所需达到的效率。本文分别计算了空调季、过渡季50%、70%、100%新风比四种工况下各地空调系统过滤器所需达到效率，见表5。

表5 空调系统过滤器效率（%）

由表5 中数据可以看出，在满足室内 PM2.5 设计浓度为35 μg/m3的前提下，各地空调系统过滤器所需达到的最低效率基本都出现在空调季最小新风工况下，只有乌鲁木齐对应的过滤器最低效率在过渡季 50%新风工况。而在过渡季采取空调节能措施开始增大新风比后，过滤器所需达到效率开始大幅提高，并且随着空调系统新风比增加而增加，以北京为例，空调季过滤器效率为 42.82%即可满足办公室内 PM2.5 浓度设计要求，在过渡季 100%全新风工况下，过滤器效率则需要达到 84.06%。根据前述图 1、图 2 室外 PM2.5 设计浓度的分析，由于 PM2.5 在过渡季设计值仅是略低于空调季设计值，因此对过滤器效率而言的最不利工况均出现在 100%过渡季新风比情况下，可见对于有过渡季增大新风比要求的一次回风空调系统，简单的根据室外 PM2.5 设计日浓度来选择空调系统过滤器是不合理的。

我国现行规范尚未对各级过滤器的 PM2.5 过滤效率做出规定，本文结合过滤器对PM2.5 的过滤效率相关文献[7-9]，列出舒适性空调常用的各级别过滤器 PM2.5 计重效率，见表6。

表6 各级别过滤器PM2.5 效率（%）

由表6 中可以看出，G3、G4 级别的初效顾虑器对于PM2.5 的过滤效果甚微。考虑到静电式过滤器受大气尘粒径分布、过滤器断面风速、过滤器使用状态等因素影响较大，本文选择文献[8]中 8 种型号静电过滤器 PM2.5 计重效率最低值作为计算依据。在办公建筑一次回风空调系统中，工程设计过滤器配置通常采用初效+中效袋式或初效+中效袋式+中效静电的组合配置形式，在此原则下空调系统的送风总过滤器的效率为：

式中：η1，η2…分别为级过滤器效率。

根据表5、表6 中数据，本文选取了5 种比较常用的过滤器组合配置方案，对应PM2.5 过滤效率见表7。

表7 过滤器组合效率

各地空调系统过滤器选型结果见表 8，表中字母对应表7 中各过滤器组合编号。

表8 过滤器选型结果

从表 8 中可以看出，在空调季最小新风工况下，8 个城市选用配置 A 方案（G4+M6）即可满足过滤需求。北京在过渡季对于过滤器的配置要求较高，50%～100%三种新风比工况下均需采用 D 方案（G4+F7+静电）。广州和乌鲁木齐则全年对过滤器配置要求较低，只有 100%新风工况需配置 B 方案（G4+F7），其余时段配置 A 方案即可满足要，广州属于全年室外 PM2.5 均处于较低水平，乌鲁木齐是在空调季室外 PM2.5 较高（245 μg/m3），在过渡季室外PM2.5 则明显降低（88 μg/m3）。其余城市过滤器配置总体呈随过渡季新风比增大过组合过滤器配置提升趋势，基于本文选取的各类过滤器 PM2.5 计重效率计算，D 方案（G4+F7+静电）可满足上述8 座城市在全年所有工况的PM2.5 过滤需求。

4 结论

本文在我国不同地区的 8 个城市 7 年间室外 PM2.5 日均数据基础上，用年不保证 5 天均值法分别得出室外PM2.5 在空调季和过渡季的设计值。建立了一个办公建筑一次回风空调计算模型，分析计算了在空调季最小新风工况和过渡季增大新风比工况下空调系统过滤器所需达到的效率值，并根据各级别过滤器效率给出了针对各城市不同空调工况下过滤器组合配置方案。得出以下结论：

1）经过连年治理，各城市室外 PM2.5 值在空调季和过渡季整体上呈逐年下降的趋势，过渡季室外 PM2.5 值略好于空调季，但并不明显。

2）对于采用一次回风空调系统的办公建筑而言，因节能绿建等要求过渡季节需要增大新风比运行，此时过滤器所需达到效率较空调季最小新风工况开始大幅提高，因此对于这类建筑，将室外 PM2.5 设计值按空调季和过渡季分别计算，并依此来进行过滤器选型是有必要的。

3）在文中选定的过滤器效率基础上，空调季最小新风工况采用 G4+M6 即可满足所选 8 个城市 PM2.5 过滤需求。而G4+F7+静电过滤器的组合配置，可以满足各地在全年所有工况的PM2.5 过滤需求。