一种基于质量平衡模型的住宅建筑室内PM2.5浓度控制方法与流程

本发明涉及一种空气质量控制方法，尤其是涉及一种基于质量平衡模型的住宅建筑室内pm2.5浓度控制方法。

背景技术：

随着科学技术的快速发展，一系列环境问题随之而来且日益严峻，近年来，雾霾成为亟待解决的一个问题。我国的能源消费结构导致室外pm2.5污染严重，源头控制需要对整体能源结构进行调整，是一个长期的过程，未来很长一段时间内仍无法解决。由于pm2.5不易沉降且具有高穿透能力，一般建筑室内pm2.5浓度接近于室外浓度的70％～90％。

据统计，一般人有大约90％的时间待在室内，其中大约50％的时间待在家中，若无防霾措施，室内pm2.5的浓度在雾霾天将处于较高的浓度。pm2.5累积暴露浓度即pm2.5浓度与暴露时间的乘积，可以更好的评价室内高pm2.5浓度的影响。虽然室外pm2.5浓度比室内稍高，但人在室内的时间远远大于人待在室外的时间，由此导致室内pm2.5累积暴露浓度高，对人体的危害最大，因此住宅建筑内pm2.5浓度控制是“抗霾”的重要环节。

一般住宅建筑随着建造年代增加而导致房屋气密性变差，使室外pm2.5更易渗透进入室内，导致住宅建筑室内pm2.5浓度较高，对人的健康危害较大。而且住宅建筑一般安装分体式空调系统，无新风系统，引入新风的方式多为开启门窗，但此时室外被污染的空气直接通过门窗进入室内，导致室内pm2.5浓度急剧上升，因此新风系统过滤器的合理选型以及室内空气净化器的使用具有重要意义。

本发明是针对大量现有住宅建筑无防霾措施，导致室内pm2.5浓度较高，室内空气质量差，对人体危害较大的现状，以及我国目前住宅建筑普遍特点而设计的控制室内pm2.5污染的方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于质量平衡模型的住宅建筑室内pm2.5浓度控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于质量平衡模型的住宅建筑室内pm2.5浓度控制方法，包括：

步骤s1：设定室内正压控制的室内正压值，并基于室内正压值计算维持该室内正压值的渗透风量；

步骤s2：根据房间体积确定所需要的洁净空气量，并选定空气净化器；

步骤s3：建立质量平衡模型，并基于建立的质量平衡模型确定新风回风过滤效率；

步骤s4：根据得到的新风过滤效率选定新风回风过滤器并控制室内pm2.5浓度。

所述步骤s1中渗透风量为：

qv＝c·δpⁿ

其中：δp为室内外压差，c为流量系数，n为无量纲压力指数，qv为渗透风量。

所述质量平衡模型为：

其中：v为房间体积，ci和co分别为室内外pm2.5浓度，t为时间，p为穿透系数，λv为渗透风量换气次数，qf为新风量，ηf为新风过滤效率，k为室内沉降率，ηap为空气净化器过滤效率，qap为空气净化器循环风量。

所述步骤s3中确定新风回风过滤效率的过程具体包括：

步骤s31：设定渗透风量换气次数和新风量；

步骤s32：载入房间体积、穿透系数、室内沉降率、空气净化器过滤效率和空气净化器循环风量；

步骤s33：采集室内外pm2.5浓度；

步骤s34：根据得到的渗透风量换气次数、新风量、房间体积、穿透系数、室内沉降率，空气净化器过滤效率、空气净化器循环风量以及室内外pm2.5浓度，基于质量平衡模型，确定新风过滤效率。

所述室内正压值为5帕斯卡。

所述渗透风量换气次数具体为：λv＝qv/v。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)通过建立住宅室的质量平衡模型，可以保证在任何室外雾霾程度下，一般办公建筑室内pm2.5浓度均可降低到欧盟国家标准25μg/m^3以下，从而创造健康舒适的居住环境，具有显著的实际应用价值。

2)将室内控制在正压，可以避免外部污染物进入，更加节能，并且提高控制效果。

附图说明

图1为本发明的主要步骤流程示意图；

图2为实施例中住宅建筑室内pm2.5浓度控制方法图；

图3为本发明的室内外pm2.5浓度质量平衡模型示意图；

图4为本发明的住宅建筑室内pm2.5浓度控制方法具体实施图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

基于现有住宅建筑无防霾措施，导致室内pm2.5浓度偏高，室内空气质量差，对人体危害较大的现状，通过综合考虑影响室内pm2.5浓度的各种因素，从源头控制、传播过程控制、室内主动控制三方面进行分析，得到室内pm2.5浓度的可控及不可控因素，从而获得合理控制室内pm2.5浓度的方法，归纳为建筑气密性改善、室内正压控制，以及空气净化器三个部分。

气密性改善是通过围护结构改造来对pm2.5的传播过程进行控制。气密性是指外门窗在正常关闭状态时，阻止空气渗透的能力。气密性按照不同的等级划分，从1级到8级，气密性等级越高，说明门窗的气密性越好。空气渗透主要在窗框与窗扇之间，扇框与玻璃之间，窗框与玻璃之间的空气渗透。密封胶条必须具有足够的拉伸强度、良好的弹性、良好的耐温性和耐老化性，但是随着建筑的使用年代增加，胶条耐老化性差，经太阳长期暴晒，胶条老化后变硬，失去弹性，容易脱落，不仅气密性差，而且造成玻璃松动产生安全隐患。因此，首先需要对建筑气密性进行测试，评价其气密性等级以及其抵挡室外pm2.5渗透的性能。另外，气密性改善是室内pm2.5浓度控制的基础，只有在较好的气密性的基础上进行改造，才能减小渗透量，减少维持正压所需的新风量，以及风机能耗，从而达到预想的效果。若气密性性能较差，则需对住宅建筑整体气密性进行改善，使其气密性等级达到6级以上，从而具有较好的抵抗室外pm2.5入侵的性能。一般气密性改善可通过门窗更换或密封。

一种基于质量平衡模型的住宅建筑室内pm2.5浓度控制方法，如图1所示，包括：

步骤s1：设定室内正压控制的室内正压值，优选的，室内正压值为5帕斯卡，并基于室内正压值计算维持该室内正压值的渗透风量，渗透风量为：

qv＝c·δpⁿ

其中：δp为室内外压差，c为流量系数，n为无量纲压力指数，qv为渗透风量。

室内正压控制同样是对pm2.5的传播过程进行控制，通过主动方式阻挡室外pm2.5渗透进入室内。室内正压控制包括新风机以及新风过滤器两部分。一般室内正压值控制在5pa左右。根据blowerdoortest得到的建筑渗透风量同室内外压差之间的关系qv＝c·δpⁿ，可计算得到将室内外压差维持在5pa所需的渗透风量，从而调节新风机的风量，实现正压控制，有效防止室外pm2.5通过门窗等其他缝隙渗透进入室内。新风过滤器选型通过质量平衡模型实现。根据稳态情况下的质量平衡模型，输入已知参数，可计算得到新风过滤器效率，从而为新风过滤器的合理选择提供依据。

步骤s2：根据房间体积确定所需要的洁净空气量，并选定空气净化器；

步骤s3：建立质量平衡模型，并基于建立的质量平衡模型确定新风回风过滤效率；

质量平衡模型为：

其中：v为房间体积，ci和co分别为室内外pm2.5浓度，t为时间，p为穿透系数，λv为渗透风量换气次数，qf为新风量，ηf为新风过滤效率，k为室内沉降率，ηap为空气净化器过滤效率，qap为空气净化器循环风量。

步骤s3中确定新风回风过滤效率的过程具体包括：

步骤s31：设定渗透风量换气次数和新风量，其中，渗透风量换气次数λv＝qv/v；在实际工程设计中，新风量一般按照总风量的10％来计算，以确保卫生和安全；

步骤s32：载入房间体积、穿透系数、室内沉降率、空气净化器过滤效率和空气净化器循环风量，穿透系数p根据建筑自身气密性可选取经验值0.6～1，室内沉降率k可取经验值0.09h^-1；

步骤s33：采集室内外pm2.5浓度；

步骤s34：根据得到的渗透风量换气次数、新风量、房间体积、穿透系数、室内沉降率，空气净化器过滤效率、空气净化器循环风量以及室内外pm2.5浓度，基于质量平衡模型，确定新风过滤效率。

步骤s4：根据得到的新风过滤效率选定新风回风过滤器并控制室内pm2.5浓度。

目前一般住宅建筑空调系统形式多采用分体式空调系统，新风引入形式为开窗，受外界因素影响较大，且不能维持室内压力稳定。在这种情况下，若要进行压力控制使室内维持微正压，需要安装新风系统，新风经过滤之后进入室内，根据所需控制的微正压来设计风机风量。压力控制需综合考虑室内所需维持正压值以及所需新风量，同时需注意避免新风量过大造成新风浪费，造价增加，室内正压值过高的问题。

空气净化器使用高效过滤器通过循环过滤净化室内空气，从而消除室内颗粒物发生源的影响，使室内pm2.5浓度降到更低水平。

综合使用此三种控制方法，可以保证在任何室外雾霾程度下，一般住宅建筑室内pm2.5浓度均可降低到欧盟国家标准25μg/m³以下，从而创造健康舒适的住宅环境，具有显著的实际应用价值。

住宅建筑防霾改造控制策略如图2和图3所示。由于室外污染源短时间内难以控制，且室外气象参数对室内外传播的影响是不确定的，因此不予考虑。且一般情况下门窗紧闭，故不考虑自然通风。因此控制策略为建筑气密性改善，室内正压控制，及空气净化器。

此住宅建筑为一建筑面积为110m²，层高为2.6m的住宅，采用分体式空调系统。

首先，对此建筑的整体气密性进行评估，对使用年限较长的门窗进行密封件更换使整体气密性得到改善。其次，通过计算得到维持室内正压值5pa所需的渗透风量，从而合理选择风机风量，使室内始终维持在正压值5pa左右。根据质量平衡模型得到新风过滤器为中高效过滤器f9，pm2.5过滤效率为84.1％，放置在阳台同外界相通。空气过滤器为高效过滤器hepa，pm2.5过滤效率为99％，放置在客厅(图4)。此三种住宅建筑室内pm2.5浓度控制方法实施后，运行建筑室内24小时平均pm2.5浓度值小于25μg/m³。