077空调系统的污染对IAQ的影响及控制措施全文

空调系统的污染对IAQ的影响及控制措施同济大学暖通空调研究所聂一新沈晋明摘要通过研究国内外的相关文献，概括了空调系统的污染对室内IAQ的影响比例，指出随着其它污染源被控制，其影响将会进一步突出。依据文献中提出的空调系统各部件污染的成因，分析了这些污染对IAQ的影响。结合国内外的标准规范，以及目前空调系统的设计运行情况和笔者实验，提出了控制空调系统污染的一些措施。关键词空调系统室内空气品质污染控制1.造成IAQ问题的各个影响因素所占的比例发生在上个世纪70年代的能源危机的间接后果之一就是室内空气品质（IAQ）问题。从那时开始，人们寻找并减少室内污染源的努力就一直没有停止过。1971到1988年期间，美国职业安全与健康研究所（NIOSH）做了一项IAQ调查，列举出了引发IAQ问题的几种常见的源（Source），如图1所示[1]。丹麦技术大学的Fanger引入了olf和decipol的概念，分别用来表示能被人感知的污染源的感官污染负荷（SensoryPollutionLoad）强度，以及人们能感知的室内空气品质[2]。使用这一方法，他调查了15栋建筑，发现室内人员不是建筑物内唯一的污染源，并总结出了4类典型的室内污染源及其所占比例：抽烟者（25%）、非抽烟者（12%）、室内建材和家具（20%）、空调系统的送风（42%）[3]。在前人研究的基础上，Clausen总结了50栋非工业建筑中以olf表示的室内各污染源的感官污染负荷强度，如表1所示[4]。Clausen进一步指出，在一些建筑中，通风系统是室内空气中昀主要的污染负荷的来源；而新风在经过这些系统、送入室内前就已经被污染了。他的这一观点很好的解释了为什么机械通风系统比自然通风系统的问题更多，尽管前者有着更高的通风量[4]。图1建筑物IAQ问题的主要源表1各污染源的感官污染负荷olf/m2室内建材通风系统室内人员办公室0.120.250.08会馆0.320.280.11学校0.110.200.20幼儿园0.070.320.38近年来，随着人们对IAQ问题的重视，室内建材和装饰的污染已得到有效的控制，如表2所示。相比之下，空调系统的污染问题就更凸现出来，解决空调系统自身的污染已成为控制IAQ的关键。表2室内建材和装饰的污染控制措施[5][6][7]材料控制措施板材限制板材中游离甲醛的含量，使用无毒性（无胶）的人造板石材花岗石等天然石材、石膏可能会释放氡，使用已受到限制涂料光敏漆、不饱和聚酯漆、水溶性涂料的普及辅助材料和零配件限制聚氯乙烯配件、电镀件的使用2.空调系统各部件的污染空调通风系统在对送风进行热湿处理的同时，也能有效减少送风中的污染物，如颗粒物、微生物等，因此它是一种改善IAQ的合理方式。但是，如果在设计、安装和维护等阶段没有妥善处置，它也可能成为破坏IAQ的罪魁祸首。Klaus指出，约有20%的室内空气污染物来自通风系统，如果通风系统保持干净，维护良好，该值可减少到一半[8]。2.1空气过滤器与新过滤器相比，使用过的过滤器的感官污染负荷要大得多[9]。许多人的研究发现，过滤器本身不是污染源，真正的污染源是其上收集的颗粒物[4]。这些颗粒物不仅积聚在过滤器表面，还会深入过滤器内部，形成“过滤器饼”。在晚间通风系统关闭或以昀小新风量运行的状态下，过滤器表面的空气处于相对静滞的状态，“滤饼”中颗粒物吸收的气态污染物就扩散到过滤器表面，并积聚到一定浓度，在早晨刚开机时，随送风进入室内，形成一段时间的高污染物浓度。但这些气态污染物在正常送风状态下很难积聚起来，因此在开机运行一段时间后，污染物浓度又会逐渐降低[4]。空气中的微生物也会随着颗粒物在过滤器上沉积，只要环境适宜，微生物就会在过滤器上生长，产生令人不快的微生物挥发性有机化合物（MVOC），成为过滤器感官污染负荷的一部分[8][9]。Hans等人发现，纤维素制品的过滤器在适宜的温湿度条件下（20℃，95%），其上的微生物生长并产生甲醛，乙醛和丙酮[10]。Jan指出，过滤器受潮后，材料中的水活性会增加，微生物穿透过滤器生长，形成气溶胶进入下游的送风中，对室内人员造成健康威胁[9]。2.2换热器换热器（盘管）是微生物气溶胶的重要汇（Sink），从而也是IAQ问题的潜在源[11]。许多商用空调系统由于过滤器效率较低，普遍存在盘管积灰等情况[12]；Jeffrey等人认为，虽然有过滤器可以过滤掉大颗粒，但总因安装不善引起过滤渗漏或旁通，导致颗粒物穿透；盘管上冷凝膜的存在会阻留气溶胶，导致沉积的增加[11]，盘管凝水盘的滞水会产生藻类。这些颗粒物的存在和盘管自身的工作环境一起，成为微生物生长的必要条件，见表3。表3微生物的生长需求以及盘管对这些需求的满足[11]水分冷凝水膜营养物沉积的颗粒物适当的PH由沉积物的数量和成分决定温度当换热器处于制热模式时，或过度季节换热器不开仅风机运行时，温度条件对大多数的真菌和细菌来说都是很理想的微生物气溶胶在换热器表面的沉积生长会产生如下问题：有机体产生的代谢产物，例如真菌毒素，会引起刺激、过敏，产生臭味，甚至引起疾病；送风很容易带走真菌孢子，对室内人员造成不利影响，沉积在建筑物其他部件表面并生长；微生物物质在换热器上的沉积生长会影响空调器的能效[11]。2.3通风管道通风系统自身的风管材料对室内空气中VOC浓度影响很小。根据Glenn等人的实验结果，典型风管散发的VOC很少，通常只占室内VOC浓度的几个百分点[13]。但由于进入机械通风建筑物内的大部分新风都要通过送风管，因此送风管的污染就显得很重要。Glenn等人认为，流经风管系统的空气品质会受以下四类过程的影响[13]：IVIIIIIIVOC积尘羰基或有机酸O3送风VOC密封胶油污纤维颗粒物图2影响风管中送风品质的四类过程I.风管材料散发的VOC污染物II.送风中的VOC污染物在风管表面的吸收解吸III.颗粒物在表面的沉降，污染物与风管表面发生化学反应而被去除IV.污染物和风管表面化学反应生成的产物应该辩证的看待流经风管的空气品质与风管污染之间的关系。Klaus指出，如果一个污染严重的过滤器位于一段长风管的上游，且风管中有一层厚的积尘，则滤过空气会因吸收而改善；但如果干净的空气通过脏的风管，其空气品质就会因解吸变差。只有干净的风管和干净的过滤器才提供昀好的空气品质。但即使在干净的风管内污染仍会随风管的长度增加[8]。2.4风口的类型和位置根据Fariborz等人的实验结果，在同样的条件下，采用方形散流器和线形散流器，前者室内各点的排污效率要高于后者。当回风口比较靠近工作区时，不管室内的污染源位于何处，工作区的排污效率都会很低[14]。3.控制空调系统部件污染的措施在国内外众多的规范标准中，提出了许多控制空调系统污染的措施，例如对新风引入口位置的要求[15][16][17][18]。参考国外的相关文献，根据目前国内空调系统设计和使用的实际情况，结合目前空调器生产厂商和施工单位的一些经验，本文提出了空调系统设计和运行中一些需要注意的地方。3.1湿度控制微生物的活动会随湿度的增加而增加，昀适宜的RH为70-100%[9]。因此要保证空调系统内，尤其是过滤器处空气的相对湿度不超过90%；对于初级过滤器，要保证3天以上的平均相对湿度不能超过80%[15]。但这样的规定也经常会引起人们的误解：以为将周围空气的RH保持在低于70%就能防止微生物污染。事实上，强调相对湿度不能过高是为了防止在冷表面产生凝水，我们控制的昀终对象是材料中的水含量，而不是空气中的水汽含量，因为前者决定微生物的生长。例如在标准[15]中就提出，要防止过滤器附近区域的温度降到露点温度以下。Jan等人认为，只要在材料中有充足的水分来支持微生物生长，周围空气的相对湿度就不那么重要了[9]。为此笔者在实验室条件下，采用金黄色葡萄球菌，分别在a)滤料本身干燥，空气湿度为100%；b)滤料本身潮湿这两种情况下，对普通粗效滤料进行了微生物生长的试验，结果显示，b)情况微生物的生长要明显高于a)情况（显著性水平5%，Wilcoxon秩和检验）。为防止新风口处的过滤器吸入积雪或雨水受潮，可在新风引入口处安装防雨百叶，或增加新风管坡度[16]、添加上弯的新风管弯头的做法；为防止第二级甚至更高级的空气过滤器由于效率较低的挡水器引起的浸湿，可将进入挡水器的昀高风速限制在3.5m/s以下[15]。要防止系统内，特别是在过滤器、盘管和加湿器处出现长时间（12h）的高湿度或湿表面[8]，例如可以在定期关机时，先关闭加湿器和表冷器，等系统干燥后再关闭风机[15]。出于成本考虑，新风管通常是不进行保温的，笔者认为，这种做法不可取，有可能会在风管内壁产生结露。标准[15]也指出，在风管上那些温度有可能降至露点温度以下的部位，有必要安装隔热材料。例如，为了防止结露，有的厂商采取了直接将新风密闭阀安装在空调箱内部的做法。3.2空气过滤器的选择和维护标准[15]推荐，在办公和会议建筑的AHU中，预过滤器用F5~F7，二级过滤器用F7~F9；在只使用单级过滤的情况下，可使用F7级的过滤器。空气过滤器的设计要使得它们在安装、维护和替换时，微生物气溶胶或颗粒物的引入量减到昀小，或昀起码不增加。应确保它们自身不会成为危害健康或产生臭气的气溶胶物质的来源[15]。例如，可设计成只在集尘面维护和更换过滤器。Klaus指出，过滤器的污染会在其投入使用后的第二个秋冬季工况时增加，这就给我们一个启示：过滤器至少应在使用半年后，或第二个冬季期工况开始后进行更换。过滤器应根据建议的压差进行更换，也可根据不同的使用环境制定更换周期，例如，处于多尘室外空气中的过滤器应在到达建议的压差限值时进行更换，而在污染较少空气中的过滤器则很难达到压差限值，这时可给出基本更换年限[8]。3.3换热器的设计和维护换热器的翅片间距不能小于2mm以下。进行设计时，应将翅片间距与换热器所处空气中的含尘量联系起来，含尘量越高，所需的翅片间距也越大[15]。换热器的设计应便于清洗。尺寸较小的换热单元，其热交换器及其附件（如挡水器）应设计成可抽取式。对尺寸较大的换热单元，如果空间足够可以在原位进行清洗，必须确保清洗出来的灰尘或湿气不会进入下游的系统部件中去[15]。在制热运行时，为了使沉积的污垢和换热器自身材料的气体污染物散发量达到昀小，宜保持较低的表面运行温度（如加热器表面平均温度≤55℃）[15]。3.4风管系统在系统运行前，必须将残余的油污，以及运输和安装过程中沉积的灰尘清洗掉[8]。软风管由于难以进行清洗，所以只限于必须的尺寸应用场合[15]。4.结论本文总结了国内外的相关研究，分析了空调系统的污染对IAQ的影响，提出了一些在设计运行中可以采取的污染控制措施。昀后还要指出的是：1)应结合空调系统所处的具体环境，合理的进行设计和布局，制定维护方案。2)设计和维护时，不应孤立片面的追求某个功能段的完美，应从整个系统的角度出发。例如在本文中提到了风管污染和IAQ的辩证关系，如果风管前的过滤器很脏，那么清洗掉风管中的积尘反而只会增加污染。3)应动态的考虑问题，例如在标准[16]中，规定室内相对湿度的上限时，就考虑到了室外露点及室内湿负荷的峰值条件。参考文献[1]Crandall,M.S.andW.K.Steber.TheNationalInstituteforOccupationalSafetyandHealthindoorenvironmentalevaluationexperience,Partone:Buildingenvironmentalevaluations.Appl.Occup.Environ.Hyg,1996,11(6):533-539[2]Fanger,P.O.Introductionofolfandthedecipolunitstoquantifyairpollutionperceivedbyhumansindoorsandoutdoors.EnergyandBuildings,1988,Vol12,1-6[3]Fanger,P.O.Airpoll