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室内外空气污染物(wù)的耦合关系及提高室内空气品质的方法

1 室内外污染物(wù)相关性研究现状

关于室内空气品质（IAQ）模型早在 20 世纪70 年代就有(yǒu)學(xué)者开展研究，当时 Shair 等提出了一个确定室内空气污染物(wù)浓度的混合反应器模型。

國(guó)内专家亢燕铭等对3种预测空调或自然通风房间室内外气相和颗粒相有(yǒu)害物(wù)浓度间变化关系的典型模式进行了分(fēn)析，讨论了这些模型的适用(yòng)范围和应用(yòng)中可(kě)能(néng)出现的问题，并提出了改进意见。國(guó)内外对于室内外空气污染物(wù)的扩散传播有(yǒu)广泛的研究，然而关于二者之间的直接关系是一个较新(xīn)的研究领域，其科(kē)研实验和文(wén)献相对较少，因此，有(yǒu)必要开展这方面研究工作。研究二者之间的耦合关系可(kě)以判别室内污染物(wù)产生及来源，从而找到产生污染的真正原因，针对污染发生机理(lǐ)和污染源发生情况采取控制对策，以保证较高的室内空气品质。

2 室内外污染物(wù)相关性的模型建立与数學(xué)关系

2.1 模型的建立与分(fēn)析

2.1.1 良好混合反应器模式（室内污染源稳定）

Shair 等人在 70 年代给出了室内气态污染物(wù)浓度变化模型，该模型為(wèi)有(yǒu)室外压力（风压和热压）作用(yòng)下的通风。在室外污染物(wù)进入室内后，会发生某些化學(xué)反应，良好混合反应器模型（图1）考虑了在室内不同气體(tǐ)间发生反应的可(kě)能(néng)性。假设气體(tǐ)瞬间理(lǐ)想均匀混合，则质量守恒微分(fēn)表达式為(wèi)：

式中：V 為(wèi)房间的體(tǐ)积，m3；Q0為(wèi)通过过滤后的进风量，m3/ s ；Q1為(wèi)回风量，m3/s ；Q2是由室外渗入室内的空气量，m3/s ；Q4為(wèi)排风量，m3/s；C0、C1分(fēn)别為(wèi)室内和室外污染物(wù)浓度，g/m3；S 為(wèi)房间内污染源产生污染物(wù)的速率，g/s；R 為(wèi)室内污染物(wù)衰减速率，g/s。由于新(xīn)风和回风公用(yòng)一个过滤器，则有(yǒu)等式a0=a1=a。微分(fēn)表达式前 3项表示进入室内的污染物(wù)的速度，第4项是室内有(yǒu)害物(wù)排到室外的速度，，Vi表示面积為(wèi)Ai的第 i 阶表面的污染物(wù)自降解速度。

求解方程得：

其中：C10是 t = 0 时的室内污染物(wù)浓度。

当室外污染物(wù)浓度变化速率遠(yuǎn)低于室内污染物(wù)时，此时可(kě)将室外污染物(wù)浓度设定為(wèi)線(xiàn)性函数：

其中：h 在室外污染物(wù)浓度增加时為(wèi)正，降低时為(wèi)负。对于某些不能(néng)直接得出室外污染物(wù)浓度变化规律的情况，在应用(yòng)模型求解之前，必须用(yòng)实际观测所得的关系式来确定室外污染物(wù)浓度函数，进一步确定浓度变化规律。

2.1.2 混合因子模式（室内污染源不稳定）

该模式也為(wèi)有(yǒu)室外压力（风压和热压）作用(yòng)下的通风。通常在模型（图2）中，我们一般假定室外空气进入室内，在瞬间完成均匀混合，令W為(wèi)过滤器的效率，系统没有(yǒu)系统排风，根据质量守恒定律，可(kě)得与良好混合反应器通风换气类似的方程：

通常情况下室外空气进入室内充分(fēn)混合要经过一段时间，并不是理(lǐ)想状态下的瞬间均匀混合，因此把混合因子 m 作為(wèi)衡量室外空气混合程度的标尺，则质量守恒微分(fēn)表达式為(wèi)：

令当 t = 0 时，C1= C10，解得微分(fēn)方程得：

当室内污染物(wù)散发為(wèi)级数形式时，S(t)=ht=htn，h為(wèi)常数，n為(wèi)自然数，解得：

当室内污染物(wù)散发规律為(wèi)正弦函数时，有(yǒu)数學(xué)关系：S(t) = K0sin (ω t)，K0和ω是常数，解得：

式中：

如果室内污染物(wù)散发规律是非收敛的，以上两种模型有(yǒu)良好的适用(yòng)性。混合因子模式将室内污染物(wù)散发速度看作是变化的，弥补了室内污染物(wù)是常数的不足。

由于室内污染物(wù)的来源不同，污染物(wù)物(wù)理(lǐ)、化學(xué)性质不同，室内温湿热、通风情况不尽相同，若要进行室内外污染物(wù)关系的分(fēn)析还要根据适合特定环境下的数學(xué)模型。良好混合反应器模式代表了室内污染物(wù)有(yǒu)衰减并且室内外在瞬间混合的情况；混合因子模式代表室内污染物(wù)产生源变化的典型情况，但未考虑室外空气的自然渗透，也需要加以改进。

2.2 模型参数的确定

在计算室内污染物(wù)浓度时，要首先确定几个模型中的参数值。室内空间體(tǐ)积V 和室外污染物(wù)浓V 和室外污染物(wù)浓度 C0可(kě)通过测量或者已知模型确定。

2.2.1 混合因子 m

在理(lǐ)想状态下，房间内整个空间的污染物(wù)浓度是相等的，此时m=1，这个假设在绝大多(duō)数情况下是不成立的，室内外空气混合受空气流速、室内温度、污染物(wù)浓度、房间體(tǐ)积等很(hěn)多(duō)因素影响。

从定义上说，混合因子是室内外空气在理(lǐ)想情况下的混合时间与实际混合时间之比，即，但有(yǒu)时误差较大。通常情况下，一般使用(yòng) C1=C10e-mN来表示混合后室内污染物(wù)的变化规律，C10為(wèi)混合完成后瞬间的浓度，C1為(wèi)混合后任意时刻的浓度，N為(wèi)换气次数，mN 為(wèi)有(yǒu)效换气次数。在进行计算时，还要根据模型确定混合因子的变化區(qū)间，一般在0.3~0.6之间。只有(yǒu)较好的通风条件下，如有(yǒu)风扇、进排风口设置合理(lǐ)、对流较好、房间较小(xiǎo)，混合因子才能(néng)近似认為(wèi)是1。

2.2.2 自然通风条件下室内换气量 Q2

开窗时自然通风量：这种情况比较普遍，通风量主要取决于室内外的风压和热压ΔP=gh(Qw-Qn)，如果建筑物(wù)较低，可(kě)以不考虑热压。每小(xiǎo)时的通风量可(kě)以表示為(wèi)：

式中：Vf為(wèi)通风流速（近似认為(wèi)是室外风速），A 為(wèi)窗户和缝隙面积。通风流速受空气动力系数 d和窗户的通风流量系数μ影响：

式中：d 的物(wù)理(lǐ)意义為(wèi)动压转化為(wèi)静压的比例，μ与窗户的材料和构造、大小(xiǎo)有(yǒu)关。

关窗时自然通风量：当窗户关闭时，对于没有(yǒu)空调的房间，在室内外的压差作用(yòng)下，通过门缝和墙缝会产生自然通风（渗风），渗风量与门窗的气密性、室外风速、风向等多(duō)个因素有(yǒu)关。采用(yòng)换气次数法计算通风量：

式中：N 為(wèi)换气次数，次 /h；V 為(wèi)房间體(tǐ)积，m3。对于配置空调的房间，一般都要保持正压，风是从室内向室外渗透的。

2.3 室内污染物(wù)自清除效应

室内污染物(wù)在向外扩散的过程中，会有(yǒu)气體(tǐ)→液體(tǐ)、固體(tǐ)的相变，固體(tǐ)颗粒物(wù)的沉降，室内表面的吸收，室外清洁空气的稀释，使污染物(wù)沉积转化。

2.4 漏风和渗透的影响

窗户和门缝的渗透和漏风会对室内污染物(wù)浓度产生一定影响，在室外空气品质良好时，增加新(xīn)风量减少空调使用(yòng)时，可(kě)以增加洁净空气量，因為(wèi)空调和空气过滤系统長(cháng)时间使用(yòng)也会产生污染。控制新(xīn)风的湿度可(kě)以防止空调内部滋生细菌病菌，保证新(xīn)风洁净度。

3 室内污染的防控措施

3.1 通风效应

在室外空气品质较好的情况下或者安装新(xīn)风过滤器时，通风增加了室内洁净新(xīn)风量，进而稀释了室内污染物(wù)，要保证其正常换气才能(néng)达到降低污染物(wù)浓度的目的。通风包括机械通风和自然通风（图3）。

假定条件：（1）室内通风量稳定；（2）室外污染物(wù)浓度恒定；（3）忽略室外污染物(wù)扩散传播过程中沉降和衰减；（4）室内污染物(wù)分(fēn)布均匀，混合因子為(wèi) 1；（5）自然通风，不考虑各级过滤。

室内污染物(wù)来源：（1 ）室内污染源；（2）新(xīn)风中的污染物(wù)；（3）回风系统中的污染物(wù)。质量守恒式：

式中：為(wèi)室内换气次数，C10是室内污染物(wù)初始浓度，為(wèi)新(xīn)风比，可(kě)认為(wèi)初始时刻污染物(wù)浓度 C10=0，此时有(yǒu)：

当自然通风、机械通风、空调全新(xīn)风运行时，可(kě)认為(wèi)新(xīn)风比η=1。

结论：由图4、图5可(kě)知，增加单位时间内的换气次数 n 和提高新(xīn)风比η，都可(kě)以更好地控制和降低室内污染物(wù)浓度，使污染物(wù)浓度更快达到稳定状态，而且稳定浓度较低，较好地起到了通风的效果。

如果换气次数较小(xiǎo)和新(xīn)风比较低的话，或者仅仅依靠自然通风来净化空气，没有(yǒu)过滤、除尘等净化措施，室内污染物(wù)不仅不会降低，甚至会随时间而升高。

3.2 空气过滤效应

与自然通风相比，过滤通风（图6）能(néng)够更好地按照室内空气标准和人们的要求控制室内污染物(wù)，而且更加经济有(yǒu)效。

3.2.1 室内颗粒状污染物(wù)与空气过滤器的确定

（1）根据室内要求的洁净净度标准，确定最末级的空气过滤器的效率，合理(lǐ)地选择空气过滤器的组合级数和各级的效率。

（2）正确测定室外的含尘量和尘粒特征。

（3）正确确定过滤器特征；

（4）分(fēn)析含尘气體(tǐ)的性质。

根据质量守恒式：

随着通风时间的延長(cháng)和过滤作用(yòng)，室内污染物(wù)浓度会逐步趋于稳定，当 t →∞时，根据上式可(kě)得稳定后的室内污染物(wù)浓度：

由式（18）可(kě)以看出，稳定状态下的室内污染物(wù)浓度与换气次数、新(xīn)风比、室内污染源、室内污染物(wù)初始浓度、各级过滤器有(yǒu)关，稳定污染物(wù)表达式对于确定各级过滤器的对降低室内污染物(wù)浓度的作用(yòng)有(yǒu)重要意义。

3.2.2 新(xīn)风过滤器的作用(yòng)

将稳定式中对η0求偏导得：

由式（19）看出：偏导数小(xiǎo)于 0，即提高新(xīn)风过滤器效率可(kě)以降低室内污染物(wù)浓度。在新(xīn)风口安装过滤器，对于净化室内空气是十分(fēn)有(yǒu)效的。

3.2.3 回风过滤器作用(yòng)

将稳定式中对求偏导得：

由式（20）看出：偏导数小(xiǎo)于 0，即提高回风过滤器也可(kě)以降低室内污染物(wù)浓度。在回风口安装过滤器也可(kě)起到良好的作用(yòng)，但在实际中，过高的回风过滤器效率会产生较大能(néng)耗，对系统要求高，相比新(xīn)风过滤器高效率而言，不易实现。

3.2.4 主过滤器作用(yòng)

因此稳定浓度对主过滤器效率偏导小(xiǎo)于0，较高的主过滤器效率可(kě)以有(yǒu)效降低污染物(wù)浓度。由此可(kě)见：Cw对η0的偏导与无关，而对的偏导与有(yǒu)关，而且随着增大偏导数的绝对值减小(xiǎo)，表明对室内污染物(wù)浓度降低的效应随效率的增加作用(yòng)越来越小(xiǎo)；较高的η0有(yǒu)助于改善室内空气品质，而且投资小(xiǎo)，便于运行管理(lǐ)；室内空气污染物(wù)浓雾最终取决于最后一级过滤器―主过滤器ηz，只要提高最后一级过滤器的效率，即便是前面几级的过滤效果不明显，也可(kě)以起到良好的净化作用(yòng)。

影响过滤器的效率的因素主要有(yǒu)过滤微粒的直径、内部纤维直径、填充率、滤料厚度和滤速。对于小(xiǎo)粒径微粒的过滤，以扩散效应為(wèi)主，拦截效应次之，最后是惯性效应。对于大粒径微粒，主要以惯性效应為(wèi)主。由于小(xiǎo)粒子的扩散作用(yòng)明显，大粒径的惯性作用(yòng)明显，因此它们的过滤效率会稍高于中间大小(xiǎo)的粒子。

4 结论

（1）室内、外污染物(wù)浓度有(yǒu)着密切的耦合关系，室外空气对室内污染物(wù)的数量和分(fēn)布有(yǒu)很(hěn)大影响，正常气密性下二者的变化趋势基本一致。由于污染物(wù)和数學(xué)模型的不同，二者的耦合关系式不同。因為(wèi)找到一个通用(yòng)的表示二者关系的模型较难，所以只能(néng)根据污染物(wù)的种类和空气流动情况确定特定数學(xué)模型进行分(fēn)析计算。

（2）使用(yòng)空气过滤器可(kě)以净化室内空气，但是各级过滤器的净化效应不尽相同，通过新(xīn)风过滤器可(kě)以对室外空气初过滤，高效的回风过滤器对设备要求较高，较难实现，最终的室内污染物(wù)浓度很(hěn)大程度上取决于主过滤器的效率，因此提高主过滤器的效率可(kě)以很(hěn)好地控制室内污染物(wù)浓度。

（3）纤维直径增大，过滤效率呈降低趋势。填充率和滤材厚度增大，过滤效率逐步提高。风速较低的區(qū)域，扩散作用(yòng)占主导，而在风速较高的區(qū)域，惯性作用(yòng)起主要作用(yòng)。