上海家扬投资管理有限公司 上海 200126
摘要：随着社会的高速发展空气的污染越来越严重，人们对于空气质量的关注程度的提高，空气净化系统在建筑环境中被提上了一个新的高度，而空气处理原本是暖通专业的本质工作，通过这些年来的不断升级换代、技术革新，已然成为了一个新兴的技术领域，各个高新技术厂家、环保企业纷纷涉足这一领域，本次的惠灵顿国际学校的项目，校方对校内空气质量非常重视，对整个项目提出了很高的要求，在设计和实施的过程中遇到了很多复杂的问题，接下来详细介绍一下惠灵顿国际学校的空气处理系统的运用技术分析。
关键词：空气处理；PM2.5；过滤；新风系统
一、引言
2011年10月一场灰霾笼罩京城，美国大使馆自测的空气质量PM2.5指数反复跳上200大关，达到美国认定的“很不健康”级别。美国实施的AQI指标是综合PM2.5、PM10、一氧化碳、二氧化硫、臭氧和二氧化氮的浓度计算出来的；而当时中国通用的API只考虑了PM10、二氧化硫、二氧化氮。从此PM2.5开始进入中国公众的视线。2015年初原央视记者兼主持人柴静推出的空气污染深度调查《穹顶之下》再次使得PM2.5成为近两年网络最热本词语之一。
二、PM2.5的定义
P M为ParticulateMatter缩写，即可吸入颗粒物，PM2.5指环境空气中当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。
PM2.5指数指的是每立方米空气中这种颗粒的含量单位为μg/m3（微克每立方米）我国2012年颁布的GB3095-2012《环境空气质量标准》中只将环境环境空气功能区分为两类：一类区为自然保护区、风景名胜等适用于一级，二类区为居住区、商业交通居民混合区、文化区、农村地区等适用于二级。
通过对中外指数的对比可以看出，目前我国的标准在国际上还是比较落后的，但是我国拟于2016年实施《空气质量准则》（征求意见中）标准已经大大提高。
三、项目背景介绍
本项目位于浙江省杭州市萧山科技城，基地面积约74130平方米，为教育培训建筑，可同时满足约1500人进行日常使用。本项目空调系统为VRV多联机，VRV空调室外机布置在屋顶平面，冷热源由VRV空调提供，经过冷媒铜管送到大楼各设备末端。本建筑房间主要由餐厅、培训室、办公室组成。空调末端采用四面出风式室内机，全部于吊顶内安装，气流组织为上送上回。
四、设计要点
学校的原设计原则是平移上海已有的国际学校的空调移机新风系统，原设计新风系统采用全热回收新风机组，全热回收效率不低于60%，其中新风取风管道上装设空气净化器去除PM2.5等杂质。但我司在接手设计管理后，针对学校的现有设计以及学校交付标准中提出的要求经过综合分析，首先确定了本项目的深化设计的要点，即边界条件，根据校方的要求：
1、学校内PM2.5指数需要在密闭空间内一小时内达到优良的状态。
2、学校的空气净化处理系统不可以有臭氧的产生。
3、学校的新风系统需要采用介质过滤的过滤方式。
4、现有建筑外立面顶面不可以有大的调整。
除已知设计条件及学校设计要求外，我们对杭州本地的外界空气条件也做了调查，2016年杭州PM2.5历史数据汇率总表：
我司还使用专业设备在项目实地测量实际数据，所得到的数据基本与气象统计表相符合，从上面的表格中可以看出，该项目该地区的室外空气环境污染指数主要在100~150之间，个别极限污染指数达到200以上，因此本项净化处理对象为100~150之间的指数范围，设计时最不利条件按照指数超过200以上考虑。
本项目外门窗气密性等级为6级，室内采用VRV空调系统。
以上为本次深化设计的边界条件。
五、系统选择
确定边界条件后我司首先对市场上所有的空气净化产品进行了一次排摸，了解到目前针对PM2.5处理的主要的处理形式分为三大类：
一、室内循环式处理
二、新风式处理
三、中央空调处理
室内循环处理：适用于：小区域、独立空间净化、多点式分布；其优点为：布置灵活，安装方便，无需对建筑、外立面进行改造；其缺点为：处理范围小、效率低、无法引入新风除去过滤功能对室内氧气环境无法改善；安装形式：壁挂、吸顶、落地多种。
新风处理：适用于中等空间，对新风有要求的环境；其优点为：在设计初统一考虑，系统布置合理，在保证新风供应的情况下同时满足优质的空气质量；其缺点为：需要在窗墙上预留洞口，需要单独设置新风口或排风口；安装形式：吊顶、壁挂（都需要穿墙洞）。
中央空调处理：适用于大空间，对新风有要求，并且需要冷热源的环境；其优点为：集成整个空调系统内，不需独立再设置系统，不需要在外墙或窗上做单独开孔，更高效、舒适；其缺点为：需要设置专业机房，新风布置需要风管传输，需要吊顶，对空间高度有要求；安装形式：设备落地安装、风管吊顶内吊装。
不管采用何种空气处理的形式其主要是通过对空气过滤的方式来完成除尘，过滤的基本原理如下：空气过滤形式一般采用：初效+中效，有特殊要求的还会添加加湿、高效过滤、杀菌等功能模块（如医院、实验室、洁净厂房、无尘车间）
目前我国在设计时初中高效过滤器的等级标准基本已经与欧洲标准接轨，过滤器规格基本套用欧洲的CEN EN标准初效G1~G4，中效F5~F9，高效H10~H17，当试验终阻力为450Pa时，对0.4μm处的平均技术效率值相当于比色法效率值，由于是发尘试验，平均计数效率值高于中国现行方法测出的初始效率值，欧洲标准化协会新的技术法标准将取代原有的EN779中规定的比色法。
过滤器的形式以及过滤材料为：
1、初效过滤；一般采用化纤卷料或纸框褶皱板式过滤形式
2、中效过滤：一般采用合成纤维或玻璃纤维布袋式或箱式过滤形式
3、高效过滤：一般采用玻璃纤维滤纸箱式、W型、板式过滤形式
4、等级再升高可到分子过滤级别：渗碳型合成纤维滤材、活性炭滤料、离子交换树脂
5、过滤中的特种设备还有：光触媒、离子交换等等
6、静电除尘：静电除尘的过滤等级属于中效，介于F7~F8之间
目前国内产品中，内循环式的PM2.5净化器采用的一般为初效（G4）+静电除尘，柜式、落地式净化设备采用的一般为初效（G4）+中效箱式或板式过滤器（F7~F8）新风处理PM2.5净化设备采用的一般为初效（G4）+中效板式过滤器（F7~F8）在暖通设计中，一般出于节能和运营成本的考虑，空调箱的常规配置的过滤器为：初效过滤器（G4）+中效过滤器（F5~F6），有对于PM2.5过滤要求或者需要评奖认证的（如LEED认证），才会将中效过滤等级提升至F7~F8。因为静电除尘这种过滤形式没有可套用的标准来确定它的过滤等级，因此我们公司委托第三方检测机构做过一份专业的试验对比报告，得出的结果各级过滤器对PM2.5过滤效率如下：
过滤形式的选择：
通过上面的报告可以看到，采用初效过滤器（G4）+中效过滤器（F8）的形式效果较为理想，在PM2.5指数重度污染250μg/m3情况下、处理后浓度仍然可以达到37.5~25μg/m3，国内外优良级指标。静电除尘系统虽然也可以达到较好的过滤效果，但是由于高压静电所产生的臭氧和氮氧化物都是对人体有害的气体，在我国的国家规范中对臭氧和氮氧化物也有规范限制，因此还是传统的过滤形式，更加的安全、环保、可靠。
经过以上一系列试验和分析对于空气净化的系统选择我们基本有了大致的了解，并得出了阶段性结论，空气净化产品种类聆郎繁多、多种多样，在选择的时候需要考虑多方因素，但基本上还是有序可循：对于小空间建筑（如公寓、住宅、酒店等）可选择内循环或者管道风机式这种单元式产品来解决空气净化的问题。对于空间中等的建筑（如会所、别墅、小型独栋式办公等）可选择全热交换器或者新风机组来解决空气净化问题。而对于大型商场、办公、写字楼、剧场、室内球场则采用中央空调箱集中处理的方案为最优，集中、高效。
本学校项目原设计团队仅仅采用的全热回收新风机组，明显不适用于本项目，因为学校内空间大、人员多，并且学校方面对PM2.5过滤要求高，既要满足校园设计规范中对新风量的设计要求，还要满足在规定时间内将指数控制在要求范围内，我司认为新风处理仅能控制外部环境的污染物无法侵入室内，但学校为人员密集场所，教室及走廊内的人员活动以及衣物沾染仍会引起大量灰尘和污染。且当室外空气质量出现严重污染的时候，新风系统的处理效果也会打折扣，因此我司决定采用新风系统+室内循环机的联合处理方式来作为本次国际学校的空气处理方案。
六、技术疑难
学校原有新风系统设计采用全热回收新风机组，而市场上标准化的全热交换器本身不具备安装空气过滤的条件，需要在其前端增加一个独立的过滤段，这种组合方式会降低全热交换机的机外余压，对过滤器的风阻系数要求很高，若采用风阻小的低等级过滤器达不到对室外空气的净化目标，若采用高等级的介质过滤器则机外余压无法满足，新风系统送风无法满足，若采用风阻小效率高的静电吸附式过滤器，会产生对孩子身体不利的臭氧和氮氧化物。
全热回收新风机组无法满足我们的需求我司调查了市场上其他的新风系统产品并且分析对比如下表
七、解决方案
综上直彭式新风空调箱最能够满足本学校项目的需求，新风系统就此确定为直彭式新风空调箱机组，采用热回收，过滤系统采用不产生臭氧以及氮氧化物的纯介质过滤，采用G4+F8的过滤组合方式。
接下来我司对原设计的总的室内送回风量进行了总的风量平衡的计算，按照原设计的新风送回风量，以及机械排风的排风量存在明显的不平衡，导致整个教学楼内的空气环境处于负压的状态，详见下表以5#楼为例：
这样的负压状态对于空调负荷以及室内PM2.5的净化系统都是很不利的，因此我们决定调整适量加大新风送风量，少许减少排风量，调整后可保证新风量略大于整体排风量，使得整个建筑处于微正压的状态，我们根据已有的试验数据以及已投入使用项目的实测数据，模拟测算下来，即使室外空气污染在200左右，也可以保证经过新风处理过滤后的污染指标达到65以下，虽然还不嫩满足学校要求的目标，但已是在新风处理上做出了最大的努力了。
由于学校的室内空气是不停的在循环的，并且人员出入也是不停在流动的，室外没有处理完全的尘埃颗粒，以及由于室内地毯、人员、衣物、走动带来的扬尘颗粒就只能依靠室内独立循环机来处理了。由于室外的污染源头已经被新风机组处理掉绝大多数，室内的扬尘有有限，通过实则以及模拟测算得出就算教室内有25个孩子在跑跳玩耍，室内的指数也不会超过100以上，我们只需要计算出房间体积，然后通过各个厂家的产品参数计算出处理时间即可。
我们以其中一个产品为例：
学校内标准教室的面积为60㎡
教室的高度为4.5米，吊顶后高度3米
该产品的PM2.5颗粒的理论单次去除率达到90%，风口风速小于2米/秒，低速处理风量350m3/小时
60㎡*3m=180m3
350/180=1.94
也就是说一台设备每小时能将教室内的空气净化近两次，应该绝对能够满足本项目的目前的将100指数净化到50以下的目标，我们考察了几个独立净化设备的已完成项目，使用过一段时间以后理论上的单次去除率会有折损的现象，因此出于可靠稳定性的考虑决定就以风口风速≤2米/秒，低速工况下处理风量≥350m3/小时，因为是学校项目教室内教学有噪声的要求，所以另加一条要求：在低风速运转时噪声值不得超过40分贝，过滤介质由于学校方有明确要求不得产生臭氧，因此与空调箱一样采用介质过滤的形式，而独立净化系统中的静电吸附的形式全部都不接受。
八、结论
经过这一番的讨论、试验、检测及综合分析，最终本项目的空气净化系统与新风系统最终定位为采用直彭新风式空调箱机组加上室内循环净化器的处理方式完成。
目前由于项目的5#号楼作为学校招生人员的办公场所已经率先投入使用，而5号楼就使用的是上述空气净化系统，目前为止完全可以达到学校的使用要求，在实际运行一段时间以后还需要再次验证效果衰减是否在可接受范围内。我司在楼内设置了专业检测点位，实时掌握室内外数据差额，以供后期项目应用提供第一手实测数据资料。
参考文献
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[2]《公共建筑节能设计标准》 GB 50189-2015
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[4]《浙江省绿色建筑评价标准》 DB33/T1039-2007
[5]《浙江省绿色建筑设计标准》 DB33/1092-2016
[6]《2009全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调.动力》
[7]《实用供热空调设计手册》 第二版
论文作者:冯程辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第12期
论文发表时间:2017/10/13
标签：新风论文; 过滤器论文; 空气论文; 学校论文; 系统论文; 形式论文; 室内论文; 《建筑学研究前沿》2017年第12期论文;