飞机座舱颗粒物浓度评估方法研究

曹 祎 张絮涵

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引言

随着民航事业的不断发展，人们乘坐飞机时不仅关注飞机在飞行过程中的安全问题，而且越来越关注飞机客舱内的空气品质[1]。近年来，全国多地出现雾霾，而可吸入颗粒物是雾霾的主要成分。可吸入颗粒物包括粗颗粒物PM10和细颗粒物PM2.5。飞机在地面停机或飞行时，通风系统会将大气中的颗粒物通过送风管路带入座舱，使飞机座舱内颗粒物浓度增大。而飞机狭小的座舱环境不利于舱内颗粒物的排出，颗粒物浓度超过限值时会对人体健康造成伤害[2]。因此，在飞机通风系统设计时必须考虑座舱颗粒物浓度限值对系统设计的约束。通常在飞机设计研制阶段，这一约束作用体现为通过对通风系统设计方案进行反向校核，评估其是否满足座舱颗粒物浓度设计需求。

本文以某民用飞机为研究对象，提出飞机座舱颗粒物浓度评估方法。通过对国内外相关技术文献调研并进行指标权衡分析，得到颗粒物浓度权衡指标限值，并基于此设计需求，对某民用飞机的通风系统设计方案的需求符合性进行评估。

1 需求分析

1.1 颗粒物标准值

世界各国组织机构对于环境中颗粒物限值做了规定，各规定中相应参数见表1。

表1 颗粒物的空气质量标准

1.2 指标权衡分析

对于客机座舱颗粒物浓度PM10，目前基本所有的飞机相关标准及各国适航条例中并未对此做出详细规定，欧洲航空工业协会标准prEN 4618-2013[3]中要求PM10 24 h内加权平均浓度值不高于150 μg/m3，这个限值是从健康角度出发制定的，与国家标准GB 9673-1996[4]与GB 18883-2002[6]中对PM10浓度标准限值相同，并且150 μg/m3也是EPA-2014[7]等很多组织室内空气质量PM10浓度限值。而WHO-2005[10]对PM10规定更为严格，准则值为24 h均值50 μg/m3。美国政府工业卫生协会在ACGIH-2005[8]中规定，考虑工业环境中恶劣情况，对PM10的峰值规定为10 000 μg/m3。因此，可以按照标准取PM10峰值为10 000 μg/m3，满足安全的要求；取PM10 24 h内加权平均浓度值150 μg/m3，满足健康的要求；取PM10 24 h均值50 μg/m3，满足舒适的要求。

对于客机座舱颗粒物浓度PM2.5，各国适航条例中并未对此做出详细规定，欧洲航空工业协会标准prEN 4618-2013[3]中要求PM2.5 1 h内加权平均浓度值100 μg/m3，连续值40 μg/m3，这个限值是从健康角度出发制定的。美国环境保护局EPA-2014[7]中对PM2.5 24 h均值取35 μg/m3，而在WHO-2005[5.2-5]对PM2.5规定为更为严格的准则值24 h均值25 μg/m3。美国政府工业卫生协会ACGIH-2005[8]中，考虑工业环境中恶劣情况，对PM2.5的峰值规定为3 000 μg/m3。因此，可以按照标准取PM2.5峰值为3 000 μg/m3，满足安全的要求；取PM2.5连续值40 μg/m3，满足健康的要求；取PM2.5 24 h均值25 μg/m3，满足舒适的要求。

颗粒物浓度权衡指标限值见表2[7]。本文以舒适值作为设计需求，对某民用飞机通风系统设计方案的需求符合性进行评估。

表2 颗粒物浓度权衡指标限值

2 计算方法

进入座舱的颗粒物的污染源可分为舱外源和舱内源。舱外源是指地面污染和高空大气中的化合物，其通过飞机引气系统进入座舱，颗粒物在环控系统内部会出现沉降。舱内源可能的来源主要包括座舱内人员散发的颗粒物、餐饮服务产生的颗粒物等。本文暂不考虑由舱内源产生的颗粒物。

假设进入引气管路的颗粒物浓度CB与外界环境中的浓度Cout保持一致，则某时刻送入座舱的颗粒物浓度计算公式为：

式中：CV为送入座舱的颗粒物浓度，kg/m3；QV为总通风量，m3/s；S为再循环比例；ηB为引气过滤器效率；Ci为座舱内的颗粒物浓度，kg/m3；ηr为再循环过滤器效率；ES为颗粒物在环控系统内部的沉降量，kg/s。

颗粒物在环控系统内部的沉降量计算公式为：

ES=ηSCBQV(1-S)

(2)

式中：ηS为颗粒物在环控系统内部的沉降率。

座舱内颗粒物质量浓度平衡关系式为：

(3)

式中：V为座舱容积，m3；EC为由舱内源产生的颗粒物量，本文取EC=0 g/s。

根据上述公式即可求得某时刻座舱内颗粒物浓度值。

当座舱内颗粒物浓度达到稳定时，颗粒物浓度值计算公式为：

(4)

当不考虑舱内源时，公式(4)可简化为：

(5)

即当达到稳定时，舱内颗粒物浓度与座舱容积、通风量均无关。

对公式(3)进行拉氏变换，即可得座舱内颗粒物浓度变化的时间常数τ计算公式为：

(6)

即座舱内颗粒物浓度达到稳定的时间只与座舱容积、通风量、再循环比例及再循环过滤器效率有关，与舱外环境的颗粒物浓度等因素无关。

当座舱内颗粒物浓度不满足飞机座舱环境舒适性需求时，需增加过滤器。过滤器效率值的求解过程应为稳态过程，即舱内颗粒物浓度达到稳定最大值时，对应的过滤器效率即为最低过滤效率值。

根据公式(4)，可得到引气过滤器效率计算公式为：

(7)

当不考虑舱内源时，公式(7)可简化为：

(8)

由公式(8)可知，引气过滤器效率与通风量无关。

根据公式(4)，可得到再循环过滤器效率计算公式：

ηr=1-

(9)

当不考虑舱内源时，公式(9)可简化为：

(10)

由公式(10)可知，再循环过滤器效率与通风量无关。

3 颗粒物浓度评估

以某客机为例，采用上述计算方法对座舱内颗粒物浓度进行评估分析。

3.1 计算输入分析

计算时取客舱容积为500 m3，再循环比例为0.5。

舱外环境颗粒物浓度基于目前中国主要五大机场(北京首都国际机场、上海浦东国际机场、上海虹桥国际机场、广州白云国际机场、深圳宝安国际机场)和天津滨海国际机场在2014年PM2.5和PM10平均值得到[11]。由于图1中数据为颗粒物浓度平均值，本文选取各机场浓度最大值并上浮50%作为本次计算舱外环境颗粒物浓度极限值，故PM2.5极限值取126 μg/m3；PM10极限值取207 μg/m3。

图1 中国主要机场颗粒物浓度平均值

舱外污染物通过发动机引气进入环控系统，在经过系统各个部件后会出现沉降。颗粒物的沉降包括气流经过弯头较多、管路较细或表面积较大的复杂管路或设备表面时，颗粒物的自主沉降；以及气流经过机械旋转部件、洗涤装置等设备，导致颗粒物与气流分离，从而实现气流中颗粒物浓度降低。这两种方式的去除均以沉降率进行定量描述。研究表明，0.3 μm的细小颗粒在环控系统内的沉降率约为75%，且沉降率随颗粒粒径的增大而增大[11-12]。本文取舱外空气颗粒物在环控系统内的总沉降率为75%。

3.2 浓度评估计算

根据公式(1)至公式(4)建立座舱内颗粒物浓度计算模型。分别取浓度值Cout为126 μg/m3和207 μg/m3，计算得到座舱内的PM2.5和PM10浓度变化趋势，结果如图2所示。

(1)PM2.5浓度变化趋势

由图2可知，当外界环境PM2.5浓度恒定为126 μg/m3，初始浓度为0 μg/m3，约1 945 s后座舱内PM2.5浓度达到稳定，稳定值为31.5 μg/m3。当外界环境PM10浓度恒定为207 μg/m3，初始浓度为0 μg/m3，约2 055 s后座舱内PM10浓度达到稳定，稳定值为51.75 μg/m3。

由第2章分析可知，不考虑舱内源产生的颗粒物时，达到稳定的舱内颗粒物浓度与座舱容积、通风量无关，即驾驶舱内颗粒物稳定值与客舱相同，即PM2.5为31.5 μg/m3，PM10为51.75 μg/m3。在不考虑舱内源产生的颗粒物时，座舱颗粒物浓度无法满足环境舒适性设计需求。因此，需要增加过滤器。

由公式(4)可知，引气过滤器效率与再循环过滤器效率间相互耦合，共同影响达到稳定的舱内颗粒物浓度。基于公式(8)或公式(10)建立过滤器效率计算模型，得到在座舱内颗粒物PM2.5及PM10浓度满足设计需求的前提下，引气过滤器效率与再循环过滤器效率间的相互关系。

(1)PM2.5

由图3可知，针对PM2.5，不安装再循环过滤器时，需保证引气过滤器效率不低于5.5%，即可使座舱内颗粒物PM2.5浓度满足设计需求；不安装引气过滤器时，再循环过滤器效率最低限值要求为26%。针对PM10，不安装再循环过滤器时，需保证引气过滤器效率不低于0.9%，即可使座舱内颗粒物PM10浓度满足设计需求；不安装引气过滤器时，再循环过滤器效率最低限值要求为3.5%。若已知引气过滤器效率或再循环过滤器效率值，即可通过查图3得到对应的再循环过滤器或引气过滤器的最低效率限值。综合PM2.5和PM10的再循环过滤器效率及引气过滤器效率，取其最大值即可作为座舱通风系统设计过滤器效率的最低限值。

4 结论

本文以某型民用飞机为研究对象，提出飞机座舱颗粒物浓度评估方法。通过对国内外相关技术文献调研并进行指标权衡分析，得到颗粒物浓度权衡指标限值。以舒适值作为设计需求，对某民用飞机通风系统设计方案的需求符合性进行评估。结果表明，不考虑舱内源产生的颗粒物时，达到稳定的舱内颗粒物浓度与座舱容积、通风量无关，座舱内颗粒物浓度稳定值PM2.5为31.5 μg/m3，PM10为51.75 μg/m3。针对颗粒物增加过滤器，得到在座舱内颗粒物浓度满足设计需求的前提下，引气过滤器效率与再循环过滤器效率间的相互关系。不安装再循环过滤器时，引气过滤器效率最低限值为5.5%；不安装引气过滤器时，再循环过滤器效率最低限值要求为26%。