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室内外空气污染物的耦合关系及提高室内空气品质的方法

1 室内外污染物相关性研究现状

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

国内专家亢燕铭等对3种预测空调或自然通风房间室内外气相和颗粒相有害物浓度间变化关系的典型模式进行了分析，讨论了这些模型的适用范围和应用中可能出现的问题，并提出了改进意见。国内外对于室内外空气污染物的扩散传播有广泛的研究，然而关于二者之间的直接关系是一个较新的研究领域，其科研实验和文献相对较少，因此，有必要开展这方面研究工作。研究二者之间的耦合关系可以判别室内污染物产生及来源，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 室内外污染物相关性的模型建立与数学关系

2.1 模型的建立与分析

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浓度变化模型，该模型为有室外压力（风压和热压）作用下的通风。在室外污染物进入室内后，会发生某些化学反应，良好混合反应器模型（图1）考虑了在室内不同气体间发生反应的可能性。假设气体瞬间理想均匀混合，则质量守恒微分表达式为：

式中：V 为房间的体积，m3；Q0为通过过滤后的进风量，m3/ s ；Q1为回风量，m3/s ；Q2是由室外渗入室内的空气量，m3/s ；Q4为排风量，m3/s；C0、C1分别为室内和室外污染物浓度，g/m3；S 为房间内污染源产生污染物的速率，g/s；R 为室内污染物衰减速率，g/s。由于新风和回风公用一个过滤器，则有等式a0=a1=a。微分表达式前 3项表示进入室内的污染物的速度，第4项是室内有害物排到室外的速度，，Vi表示面积为Ai的第 i 阶表面的污染物自降解速度。

求解方程得：

其中：C10是 t = 0 时的室内污染物浓度。

当室外污染物浓度变化速率远低于室内污染物时，此时可将室外污染物浓度设定为线性函数：

其中：h 在室外污染物浓度增加时为正，降低时为负。对于某些不能直接得出室外污染物浓度变化规律的情况，在应用模型求解之前，必须用实际观测所得的关系式来确定室外污染物浓度函数，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）

该模式也为有室外压力（风压和热压）作用下的通风。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为过滤器的效率，系统没有系统排风，根据质量守恒定律，可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混合要经过一段时间，并不是理想状态下的瞬间均匀混合，因此把混合因子 m 作为衡量室外空气混合程度的标尺，则质量守恒微分表达式为：

令当 t = 0 时，C1= C10，解得微分方程得：

当室内污染物散发为级数形式时，S(t)=ht=htn，h为常数，n为自然数，解得：

当室内污染物散发规律为正弦函数时，有数学关系：S(t) = K0sin (ω t)，K0和ω是常数，解得：

式中：

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

由于室内污染物的来源不同，污染物物理、化学性质不同，室内温湿热、通风情况不尽相同，若要进行室内外污染物关系的分析还要根据适合特定环境下的数学模型。良好混合反应器模式代表了室内污染物有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

在计算室内污染物浓度时，要首先确定几个模型中的参数值。室内空间体积V 和室外污染物浓V 和室外污染物浓度 C0可通过测量或者已知模型确定。

2.2.1 混合因子 m

在理想状态下，房间内整个空间的污染物浓度是相等的，此时m=1，这个假设在绝大多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、污染物浓度、房间体积等很多因素影响。

从定义上说，混合因子是室内外空气在理想情况下的混合时间与实际混合时间之比，即，但有时误差较大。通常情况下，一般使用 C1=C10e-mN来表示混合后室内污染物的变化规律，C10为混合完成后瞬间的浓度，C1为混合后任意时刻的浓度，N为换气次数，mN 为有效换气次数。在进行计算时，还要根据模型确定混合因子的变化区间，一般在0.3~0.6之间。只有较好的通风条件下，如有风扇、进排风口设置合理、对流较好、房间较小，混合因子才能近似认为是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)，如果建筑物较低，可以不考虑热压。每小时的通风量可以表示为：

式中：Vf为通风流速（近似认为是室外风速），A 为窗户和缝隙面积。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 的物理意义为动压转化为静压的比例，μ与窗户的材料和构造、大小有关。

关窗时自然通风量：当窗户关闭时，对于没有空调的房间，在室内外的压差作用下，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、风向等多个因素有关。采用换气次数法计算通风量：

式中：N 为换气次数，次 /h；V 为房间体积，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 室内污染物自清除效应

室内污染物在向外扩散的过程中，会有气体→液体、固体的相变，固体颗粒物的沉降，室内表面的吸收，室外清洁空气的稀释，使污染物沉积转化。

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浓度产生一定影响，在室外空气品质良好时，增加新风量减少空调使用时，可以增加洁净空气量，因为空调和空气过滤系统长时间使用也会产生污染。控制新风的湿度可以防止空调内部滋生细菌病菌，保证新风洁净度。

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风过滤器时，通风增加了室内洁净新风量，进而稀释了室内污染物，要保证其正常换气才能达到降低污染物浓度的目的。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）室外污染物浓度恒定；（3）忽略室外污染物扩散传播过程中沉降和衰减；（4）室内污染物分布均匀，混合因子为 1；（5）自然通风，不考虑各级过滤。

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

式中：为室内换气次数，C10是室内污染物初始浓度，为新风比，可认为初始时刻污染物浓度 C10=0，此时有：

当自然通风、机械通风、空调全新风运行时，可认为新风比η=1。

结论：由图4、图5可知，增加单位时间内的换气次数 n 和提高新风比η，都可以更好地控制和降低室内污染物浓度，使污染物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。

如果换气次数较小和新风比较低的话，或者仅仅依靠自然通风来净化空气，没有过滤、除尘等净化措施，室内污染物不仅不会降低，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，而且更加经济有效。

3.2.1 室内颗粒状污染物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）分析含尘气体的性质。

根据质量守恒式：

随着通风时间的延长和过滤作用，室内污染物浓度会逐步趋于稳定，当 t →∞时，根据上式可得稳定后的室内污染物浓度：

由式（18）可以看出，稳定状态下的室内污染物浓度与换气次数、新风比、室内污染源、室内污染物初始浓度、各级过滤器有关，稳定污染物表达式对于确定各级过滤器的对降低室内污染物浓度的作用有重要意义。

3.2.2 新风过滤器的作用

将稳定式中对η0求偏导得：

由式（19）看出：偏导数小于 0，即提高新风过滤器效率可以降低室内污染物浓度。在新风口安装过滤器，对于净化室内空气是十分有效的。

3.2.3 回风过滤器作用

将稳定式中对求偏导得：

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

3.2.4 主过滤器作用

因此稳定浓度对主过滤器效率偏导小于0，较高的主过滤器效率可以有效降低污染物浓度。由此可见：Cw对η0的偏导与无关，而对的偏导与有关，而且随着增大偏导数的绝对值减小，表明对室内污染物浓度降低的效应随效率的增加作用越来越小；较高的η0有助于改善室内空气品质，而且投资小，便于运行管理；室内空气污染物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，也可以起到良好的净化作用。

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

4 结论

（1）室内、外污染物浓度有着密切的耦合关系，室外空气对室内污染物的数量和分布有很大影响，正常气密性下二者的变化趋势基本一致。由于污染物和数学模型的不同，二者的耦合关系式不同。因为找到一个通用的表示二者关系的模型较难，所以只能根据污染物的种类和空气流动情况确定特定数学模型进行分析计算。

（2）使用空气过滤器可以净化室内空气，但是各级过滤器的净化效应不尽相同，通过新风过滤器可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，最终的室内污染物浓度很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以很好地控制室内污染物浓度。

（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。风速较低的区域，扩散作用占主导，而在风速较高的区域，惯性作用起主要作用。