室內(nèi)外空氣污染物的耦合關系及提高室內(nèi)空氣品質的方法

1 室內(nèi)外污染物相關性研究現(xiàn)狀

關于室內(nèi)空氣品質（IAQ）模型早在 20 世紀70 年代就有學者開展研究，當時 Shair 等提出了一個確定室內(nèi)空氣污染物濃度的混合反應器模型。

國內(nèi)專家亢燕銘等對3種預測空調或自然通風房間室內(nèi)外氣相和顆粒相有害物濃度間變化關系的典型模式進行了分析，討論了這些模型的適用范圍和應用中可能出現(xiàn)的問題，并提出了改進意見。國內(nèi)外對于室內(nèi)外空氣污染物的擴散傳播有廣泛的研究，然而關于二者之間的直接關系是一個較新的研究領域，其科研實驗和文獻相對較少，因此，有必要開展這方面研究工作。研究二者之間的耦合關系可以判別室內(nèi)污染物產(chǎn)生及來源，從而找到產(chǎn)生污染的真正原因，針對污染發(fā)生機理和污染源發(fā)生情況采取控制對策，以保證較高的室內(nèi)空氣品質。

2 室內(nèi)外污染物相關性的模型建立與數(shù)學關系

2.1 模型的建立與分析

2.1.1 良好混合反應器模式（室內(nèi)污染源穩(wěn)定）

Shair 等人在 70 年代給出了室內(nèi)氣態(tài)污染物濃度變化模型，該模型為有室外壓力（風壓和熱壓）作用下的通風。在室外污染物進入室內(nèi)后，會發(fā)生某些化學反應，良好混合反應器模型（圖1）考慮了在室內(nèi)不同氣體間發(fā)生反應的可能性。假設氣體瞬間理想均勻混合，則質量守恒微分表達式為：

式中：V 為房間的體積，m3；Q0為通過過濾后的進風量，m3/ s ；Q1為回風量，m3/s ；Q2是由室外滲入室內(nèi)的空氣量，m3/s ；Q4為排風量，m3/s；C0、C1分別為室內(nèi)和室外污染物濃度，g/m3；S 為房間內(nèi)污染源產(chǎn)生污染物的速率，g/s；R 為室內(nèi)污染物衰減速率，g/s。由于新風和回風公用一個過濾器，則有等式a0=a1=a。微分表達式前 3項表示進入室內(nèi)的污染物的速度，第4項是室內(nèi)有害物排到室外的速度，，Vi表示面積為Ai的第 i 階表面的污染物自降解速度。

求解方程得：

其中：C10是 t = 0 時的室內(nèi)污染物濃度。

當室外污染物濃度變化速率遠低于室內(nèi)污染物時，此時可將室外污染物濃度設定為線性函數(shù)：

其中：h 在室外污染物濃度增加時為正，降低時為負。對于某些不能直接得出室外污染物濃度變化規(guī)律的情況，在應用模型求解之前，必須用實際觀測所得的關系式來確定室外污染物濃度函數(shù)，進一步確定濃度變化規(guī)律。

2.1.2 混合因子模式（室內(nèi)污染源不穩(wěn)定）

該模式也為有室外壓力（風壓和熱壓）作用下的通風。通常在模型（圖2）中，我們一般假定室外空氣進入室內(nèi)，在瞬間完成均勻混合，令W為過濾器的效率，系統(tǒng)沒有系統(tǒng)排風，根據(jù)質量守恒定律，可得與良好混合反應器通風換氣類似的方程：

通常情況下室外空氣進入室內(nèi)充分混合要經(jīng)過一段時間，并不是理想狀態(tài)下的瞬間均勻混合，因此把混合因子 m 作為衡量室外空氣混合程度的標尺，則質量守恒微分表達式為：

令當 t = 0 時，C1= C10，解得微分方程得：

當室內(nèi)污染物散發(fā)為級數(shù)形式時，S(t)=ht=htn，h為常數(shù)，n為自然數(shù)，解得：

當室內(nèi)污染物散發(fā)規(guī)律為正弦函數(shù)時，有數(shù)學關系：S(t) = K0sin (ω t)，K0和ω是常數(shù)，解得：

式中：

如果室內(nèi)污染物散發(fā)規(guī)律是非收斂的，以上兩種模型有良好的適用性。混合因子模式將室內(nèi)污染物散發(fā)速度看作是變化的，彌補了室內(nèi)污染物是常數(shù)的不足。

由于室內(nèi)污染物的來源不同，污染物物理、化學性質不同，室內(nèi)溫濕熱、通風情況不盡相同，若要進行室內(nèi)外污染物關系的分析還要根據(jù)適合特定環(huán)境下的數(shù)學模型。良好混合反應器模式代表了室內(nèi)污染物有衰減并且室內(nèi)外在瞬間混合的情況；混合因子模式代表室內(nèi)污染物產(chǎn)生源變化的典型情況，但未考慮室外空氣的自然滲透，也需要加以改進。

2.2 模型參數(shù)的確定

在計算室內(nèi)污染物濃度時，要首先確定幾個模型中的參數(shù)值。室內(nèi)空間體積V 和室外污染物濃V 和室外污染物濃度 C0可通過測量或者已知模型確定。

2.2.1 混合因子 m

在理想狀態(tài)下，房間內(nèi)整個空間的污染物濃度是相等的，此時m=1，這個假設在絕大多數(shù)情況下是不成立的，室內(nèi)外空氣混合受空氣流速、室內(nèi)溫度、污染物濃度、房間體積等很多因素影響。

從定義上說，混合因子是室內(nèi)外空氣在理想情況下的混合時間與實際混合時間之比，即，但有時誤差較大。通常情況下，一般使用 C1=C10e-mN來表示混合后室內(nèi)污染物的變化規(guī)律，C10為混合完成后瞬間的濃度，C1為混合后任意時刻的濃度，N為換氣次數(shù)，mN 為有效換氣次數(shù)。在進行計算時，還要根據(jù)模型確定混合因子的變化區(qū)間，一般在0.3~0.6之間。只有較好的通風條件下，如有風扇、進排風口設置合理、對流較好、房間較小，混合因子才能近似認為是1。

2.2.2 自然通風條件下室內(nèi)換氣量 Q2

開窗時自然通風量：這種情況比較普遍，通風量主要取決于室內(nèi)外的風壓和熱壓ΔP=gh(Qw-Qn)，如果建筑物較低，可以不考慮熱壓。每小時的通風量可以表示為：

式中：Vf為通風流速（近似認為是室外風速），A 為窗戶和縫隙面積。通風流速受空氣動力系數(shù) d和窗戶的通風流量系數(shù)μ影響：

式中：d 的物理意義為動壓轉化為靜壓的比例，μ與窗戶的材料和構造、大小有關。

關窗時自然通風量：當窗戶關閉時，對于沒有空調的房間，在室內(nèi)外的壓差作用下，通過門縫和墻縫會產(chǎn)生自然通風（滲風），滲風量與門窗的氣密性、室外風速、風向等多個因素有關。采用換氣次數(shù)法計算通風量：

式中：N 為換氣次數(shù)，次 /h；V 為房間體積，m3。對于配置空調的房間，一般都要保持正壓，風是從室內(nèi)向室外滲透的。

2.3 室內(nèi)污染物自清除效應

室內(nèi)污染物在向外擴散的過程中，會有氣體→液體、固體的相變，固體顆粒物的沉降，室內(nèi)表面的吸收，室外清潔空氣的稀釋，使污染物沉積轉化。

2.4 漏風和滲透的影響

窗戶和門縫的滲透和漏風會對室內(nèi)污染物濃度產(chǎn)生一定影響，在室外空氣品質良好時，增加新風量減少空調使用時，可以增加潔凈空氣量，因為空調和空氣過濾系統(tǒng)長時間使用也會產(chǎn)生污染?？刂菩嘛L的濕度可以防止空調內(nèi)部滋生細菌病菌，保證新風潔凈度。

3 室內(nèi)污染的防控措施

3.1 通風效應

在室外空氣品質較好的情況下或者安裝新風過濾器時，通風增加了室內(nèi)潔凈新風量，進而稀釋了室內(nèi)污染物，要保證其正常換氣才能達到降低污染物濃度的目的。通風包括機械通風和自然通風（圖3）。

假定條件：（1）室內(nèi)通風量穩(wěn)定；（2）室外污染物濃度恒定；（3）忽略室外污染物擴散傳播過程中沉降和衰減；（4）室內(nèi)污染物分布均勻，混合因子為 1；（5）自然通風，不考慮各級過濾。

室內(nèi)污染物來源：（1 ）室內(nèi)污染源；（2）新風中的污染物；（3）回風系統(tǒng)中的污染物。質量守恒式：

式中：為室內(nèi)換氣次數(shù)，C10是室內(nèi)污染物初始濃度，為新風比，可認為初始時刻污染物濃度 C10=0，此時有：

當自然通風、機械通風、空調全新風運行時，可認為新風比η=1。

結論：由圖4、圖5可知，增加單位時間內(nèi)的換氣次數(shù) n 和提高新風比η，都可以更好地控制和降低室內(nèi)污染物濃度，使污染物濃度更快達到穩(wěn)定狀態(tài)，而且穩(wěn)定濃度較低，較好地起到了通風的效果。

如果換氣次數(shù)較小和新風比較低的話，或者僅僅依靠自然通風來凈化空氣，沒有過濾、除塵等凈化措施，室內(nèi)污染物不僅不會降低，甚至會隨時間而升高。

3.2 空氣過濾效應

與自然通風相比，過濾通風（圖6）能夠更好地按照室內(nèi)空氣標準和人們的要求控制室內(nèi)污染物，而且更加經(jīng)濟有效。

3.2.1 室內(nèi)顆粒狀污染物與空氣過濾器的確定

（1）根據(jù)室內(nèi)要求的潔凈凈度標準，確定最末級的空氣過濾器的效率，合理地選擇空氣過濾器的組合級數(shù)和各級的效率。

（2）正確測定室外的含塵量和塵粒特征。

（3）正確確定過濾器特征；

（4）分析含塵氣體的性質。

根據(jù)質量守恒式：

隨著通風時間的延長和過濾作用，室內(nèi)污染物濃度會逐步趨于穩(wěn)定，當 t →∞時，根據(jù)上式可得穩(wěn)定后的室內(nèi)污染物濃度：

由式（18）可以看出，穩(wěn)定狀態(tài)下的室內(nèi)污染物濃度與換氣次數(shù)、新風比、室內(nèi)污染源、室內(nèi)污染物初始濃度、各級過濾器有關，穩(wěn)定污染物表達式對于確定各級過濾器的對降低室內(nèi)污染物濃度的作用有重要意義。

3.2.2 新風過濾器的作用

將穩(wěn)定式中對η0求偏導得：

由式（19）看出：偏導數(shù)小于 0，即提高新風過濾器效率可以降低室內(nèi)污染物濃度。在新風口安裝過濾器，對于凈化室內(nèi)空氣是十分有效的。

3.2.3 回風過濾器作用

將穩(wěn)定式中對求偏導得：

由式（20）看出：偏導數(shù)小于 0，即提高回風過濾器也可以降低室內(nèi)污染物濃度。在回風口安裝過濾器也可起到良好的作用，但在實際中，過高的回風過濾器效率會產(chǎn)生較大能耗，對系統(tǒng)要求高，相比新風過濾器高效率而言，不易實現(xiàn)。

3.2.4 主過濾器作用

因此穩(wěn)定濃度對主過濾器效率偏導小于0，較高的主過濾器效率可以有效降低污染物濃度。由此可見：Cw對η0的偏導與無關，而對的偏導與有關，而且隨著增大偏導數(shù)的絕對值減小，表明對室內(nèi)污染物濃度降低的效應隨效率的增加作用越來越??；較高的η0有助于改善室內(nèi)空氣品質，而且投資小，便于運行管理；室內(nèi)空氣污染物濃霧最終取決于最后一級過濾器―主過濾器ηz，只要提高最后一級過濾器的效率，即便是前面幾級的過濾效果不明顯，也可以起到良好的凈化作用。

影響過濾器的效率的因素主要有過濾微粒的直徑、內(nèi)部纖維直徑、填充率、濾料厚度和濾速。對于小粒徑微粒的過濾，以擴散效應為主，攔截效應次之，最后是慣性效應。對于大粒徑微粒，主要以慣性效應為主。由于小粒子的擴散作用明顯，大粒徑的慣性作用明顯，因此它們的過濾效率會稍高于中間大小的粒子。

4 結論

（1）室內(nèi)、外污染物濃度有著密切的耦合關系，室外空氣對室內(nèi)污染物的數(shù)量和分布有很大影響，正常氣密性下二者的變化趨勢基本一致。由于污染物和數(shù)學模型的不同，二者的耦合關系式不同。因為找到一個通用的表示二者關系的模型較難，所以只能根據(jù)污染物的種類和空氣流動情況確定特定數(shù)學模型進行分析計算。

（2）使用空氣過濾器可以凈化室內(nèi)空氣，但是各級過濾器的凈化效應不盡相同，通過新風過濾器可以對室外空氣初過濾，高效的回風過濾器對設備要求較高，較難實現(xiàn)，最終的室內(nèi)污染物濃度很大程度上取決于主過濾器的效率，因此提高主過濾器的效率可以很好地控制室內(nèi)污染物濃度。

（3）纖維直徑增大，過濾效率呈降低趨勢。填充率和濾材厚度增大，過濾效率逐步提高。風速較低的區(qū)域，擴散作用占主導，而在風速較高的區(qū)域，慣性作用起主要作用。