摘要：近年来，雾霾天气频繁发生，空气污染愈加严重，有关PM2.5的信息受到广泛关注。PM2.5具有粒径小和成分复杂等特点，在一定条件下会严重危害人类身体健康。PM2.5的治理不仅限于室外，室内PM2.5的治理也至关重要。由于城市办公族大部分时间待在办公室内，对室内PM2.5的治理便成为了改善城市人居环境的重要一环。该文介绍了室内外PM2.5浓度的相关标准，分析总结了室内PM2.5的治理方法，可为室内PM2.5的治理设计提供一定参考。
关键词：办公楼；PM2.5；室内空气治理；设计方案
0引言
PM2.5指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，散播面积大，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，因而极易对人体健康、大气环境造成不利的影响。由于细颗粒物的粒径在2.5μm以下，颗粒可以深入呼吸道，到达肺泡，干扰正常的肺部活动，因此PM2.5对人体腹功能、呼吸、心脏，甚至血液循环都可能带来严重负面影响。城市办公族大部分时间待在办公室内，因此有效的室内PM2.5控制措施是改善员工办公环境的重要方式。建筑室内PM2.5的控制方式可概括为主动控制和被动控制两类，其中主动控制的典型措施之一是为空调通风系统配置空气净化装置，降低经由空调通风系统进入室内的PM2.5浓度；被动控制典型措施之一是合理增加外窗气密性能，降低经由外窗缝隙进入室内的PM2.5浓度。
1室内外PM2.5的相关标准
1.1室外PM2.5相关标准
（1）美国环境保护局室外PM2.5浓度标准NAAQS平均时间24h，PM2.5颗粒物浓度限值为35μg/m3。
（2）世界卫生组织WHO《欧洲空气质量指南》准则值，24h平均值小于25μg/m3；过渡期目标1，24h平均值小于75μg/m3；过渡期目标2，24h平均值小于50μg/m3；过渡期目标3，24h平均值小于37.5μg/m3。
（3）中国《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》HJ633-2012标准规定了与现行的AQI指数相对应的污染物浓度限值，同时明确了对应的空气质量级别。PM2.5浓度限值和空气质量指数对应关系见表1。
1.2室内PM2.5相关标准
（1）ASHRAE《可接受的室内空气质量通风标准》按照美国采暖、制冷与空调工程师学会推荐的标准，污染因子PM2.5，来源为燃烧生成产物、厨房油烟、户外进入灰尘等，浓度限值为15μg/m3。
（2）国内相关标准《室内空气质量标准》（GB/T18883—2002）仅规定了可吸入颗粒物PM10的日平均值为150μg/m3。《建筑通风效果测试与评价标准》规定，室内PM2.5日平均浓度宜小于75μg/m3。《环境空气质量标准》（GB3095—2012）规定环境空气中PM2.5的浓度限值为：一级标准24h平均值为35μg/m3，二级标准24h平均值为75μg/m3。因人们在室内停留的时间长，对室内PM2.5的标准规定不应低于室外标准，故PM2.5室内设计浓度可参考环境PM2.5浓度限值要求，即要求较高的场所PM2.5室内设计浓度为35μg/m3，一般场所为75μg/m3。
2室内外PM2.5设计浓度的确认
（1）室外PM2.5设计浓度的确认本文采用基于“不保证天数”的PM2.5室外设计浓度确认方法。“不保证天数”PM2.5室外设计浓度确认方法统计的是最近一年或多年的室外大气环境PM2.5浓度日均值，剔除“不保证天数”PM2.5浓度的最高浓度就是PM2.5室外设计浓度，例如可取“不保证天数”分别为5、10、15、20天，所对应的室外PM2.5浓度就作为PM2.5室外设计浓度[1]。
（2）室内PM2.5设计浓度的确认建议要求较高的场所PM2.5室内设计浓度为35μg/m3，即达到空气质量优的级别。一般场所设计值为75μg/m3，即达到空气质量良的级别。
3室内PM2.5的治理方法
室内PM2.5主要来源于室内燃料的燃烧、烹饪、装饰材料和家具表面的散发、设备（如打印复印机、计算机等）的使用、空调通风系统的运作、由室外通过开窗及缝隙渗透进入室内的颗粒物，以及由人员在室内进行吸烟、呼吸、咳嗽、走动、打扫等活动引起的颗粒再悬浮和凝聚等。室内PM2.5治理的主要方法为以下几种：①加强围护结构气密性；②利用空调通风系统过滤；③增加室内空气净化设备；④禁止室内吸烟；⑤适当的通风换气。在传统空调通风系统设计中，空调末端配置有初效过滤器，主要过滤5μm及以上粒径的尘埃粒子，过滤效率在40%～95%。对于小于等于2.5μm的颗粒污染，初效过滤器达不到需要的效果。大型的新风系统一部分配置了初、中效两级过滤器，可以去除空气中大于等于1μm的颗粒粉尘及各种悬浮物，过滤效率可达60%～95%。其对室外新风中的PM2.5有一定去除作用，但受限于效率低且容易造成二次污染，对室内PM2.5的治理难以起到明显作用。目前市场上成熟且能够有效去除PM2.5污染的设备主要有：高效过滤器HEPA、静电除尘设备和静电驻极过滤设备，这三种设备的对比见表2。
4案例分析
4.1项目概况
为应对当前日趋严重的雾霾天气，为广大员工提供一个健康、舒适的办公环境，某大型公司S欲对其办公楼D进行室内PM2.5治理改造。该办公楼D位于长沙市天心区，主楼共23层，单层面积约2000m2，总体建筑面积约46000m2。其中2层为会议楼层，3—23层为标准办公楼层，附楼为地下1层、地上14层。日常办公人数约600人，整楼运行时间为周一至周五的8:00～18:00，周六、周日及法定节假日不使用，年运行天数为250天，年运行总时数为2500h。办公楼D的室内PM2.5设计控制目标：在全年不保证15天的情况下，室内PM2.5的24h平均浓度不超过35μg/m3，即达到《环境空气质量指数（AQI）技术规定》中空气质量“优”的级别。
4.2室外大气环境
PM2.5分析查阅长沙市气象局公布的室外PM2.5历史数据，最近一整年（2017年1月～2017年12月）长沙市室外PM2.5浓度年平均值为51.5μg/m3。长沙市室外PM2.5浓度呈现冬季高、夏季低的时间分布趋势（图1），24h平均浓度的最大值出现在1月份，为251μg/m3。办公楼D以全年不保证天数为15天情况下的24h平均浓度最高值作为室外设计条件，由室外PM2.5浓度历史数据统计可得，该设计条件下室外PM2.5的浓度为188μg/m3。
4.3建筑及围护结构分析
办公楼D的建筑结构为砌体结构，室内PM2.5治理范围为人员长期停留的场所，不考虑楼梯间、设备间、卫生间等辅助房间。办公楼外窗为铝合金上悬窗，铝合金外窗气密等级为6级。根据《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》（GB/T7106—2019），气密性6级外窗的空气渗漏量为3.0～4.5m3/(m2•h)，工程上取较为保守的值，即4.5m3/(m2•h)。
4.4新风系统分析
办公楼D中标准楼层采用的是风机盘管+独立新风的空调形式。办公室的制冷、制热由安装在吊顶内的风机盘管提供；新风由安装在新风机房的新风机组集中供应，通过风管送至各个房间。办公楼D中会议楼层采用的是全空气系统的空调形式，会议室的制冷、制热由安装在机房内的组合式空调机组提供；新风由室外经新风管送至组合式空调机组内与回风混合后，再通过风管送至各个会议室。
4.5设计方案
4.5.1室内PM2.5浓度计算
[3]如图2为室内PM2.5颗粒的传输机理。由图2可知，室内PM2.5的浓度主要取决于PM2.5颗粒通过门窗等缝隙进入室内的量、空调系统新风带入颗粒、离开室内的颗粒、室内颗粒物的沉积、空气净化器去除的颗粒。根据质量守恒定律，可建立室内PM2.5浓度计算模型的表达式。公式1：vdCdt=Co-QpPp+CoQx(1-ηx)-C(Qp+Qx)-kVC-CADR•C其中：C为室内颗粒物浓度（μg/m3）；V为房间体积（m3）；Co为室外颗粒物浓度（μg/m3）；Qp为围护结构渗透风量（m3/h）；Pp为颗粒物从室外进入室内的穿透系数，取常数（参考值0.9）；Qx为空调系统送入室内的新风量（m3/h）；x为新风系统PM2.5去除率；k为室内颗粒物的沉积率，取常数（参考值0.09）；CADR为空气净化器去除颗粒物的洁净空气量（m3/h）。当室内PM2.5的浓度达到稳定状态时，dCdt=0则公式1简化为：CADR•CoQpPp+CoQx(1-ηx)-C(Qp+Qx)-kVC
4.5.2改造设计方案
为保证过滤PM2.5的效果和稳定性，此项目选用高效过滤器HEPA。办公楼D中标准楼层采用的是风机盘管+独立新风的空调形式，原有新风机组工作原理如图3办公楼D中会议楼层采用的是全空气系统的空调形式，原有空调机组工作原理如图4。原有新风管安装了电子除尘，现场反馈电子除尘运行效果较差，改造后将拆除原有电子除尘和初效滤网段。按照国内去除PM2.5常规设计技术要求：新风过滤段需按照初效（G4）+中效（F5/F6）+高效（F9/F10）的方式逐级配置[4]；高效过滤设置在送风正压端，高效过滤装置通过风速要求≤1m/s[5]。但因现场条件受限，在满足将房间内PM2.5含量降低至35μg/m3的前提下，根据现有空间对安装在现有楼层空调机房内的机组进行改造，并尽量控制高效过滤装置通过风速≤1.5m/s，表冷器的迎面风速≤2.5m/s。办公楼D中标准楼层改造方案如图5。设计方案为改造原新风机组风机，增大电机功率，增大全压，新增高效过滤风柜，增加初效（G4）+高效（H11/H12）过滤段。高效过滤器布置在进风端过滤风柜内，对PM2.5的去除率按0.99的标准配置[6]。根据各个办公室房间的情况，将已知数据代入公式1，新风全部高效过滤，部分房间室内需相应配置PM2.5空气循环净化器[7]。基于表3，典型的办公室PM2.5新风系统设备选型计算示例如下。办公楼的室内PM2.5设计浓度C为35μg/m3，将工程数据代入计算公式模型，采用内点法的算法，通过MATLAB软件求解：围护结构单位面积漏风量qw=4.5m3/(m2•h)；新风系统PM2.5去除率ηx=0.9；空气净化器去除颗粒物的洁净空气量CADR=109m3/h。典型的办公室设备选型见表4。因现场条件受限，新风管上没有空间单独安装高效过滤器，为保证PM2.5治理效果，新增一台高效过滤风柜对新风和回风进行全处理。改造拆除原机组进风管、静压箱及混风段，新增一台高效过滤风柜，并与原机柜连接。根据各个会议室房间情况，将已知数据代入公式模型计算，改造后能达到PM2.5的设计浓度值。
4.5.3改造后
效果改造后样板间PM2.5检测数据如下：室外检测数据为80.3μg/m3；送风口检测数据为0μg/m3；样板间会议室内检测数据为15.3μg/m3；走廊检测数据为60.2μg/m3。改造运行后，样板间PM2.5室内浓度小于35μg/m3，满足设计要求，并得到业主一致好评。
4.5.4存在的问题
此案例为改造项目，因空调通风系统已施工完毕并处于使用阶段，只能在现有条件下尽量保证PM2.5的治理效果，难以做到优化设计。高效过滤器设在送风末端效果最好，能够避免风管送风形成二次污染，但因现场条件受限，无法在末端增加高效过滤器，且目前还没有和普通办公楼建筑相配套的高效过滤风口，所以此设计方案将高效过滤器设在机房，后续对风管进行清扫和密封检查，尽量避免风管送风形成二次污染。
5结语
本文结合实际工程案例，对办公楼室内PM2.5的治理设计进行了论述。首先说明了室内外PM2.5的相关标准，采用基于“不保证天数”的方法确认了PM2.5室外设计浓度；其次对比分析了目前市场上有效成熟的PM2.5治理设备；最后根据质量守恒定律对室内PM2.5治理设备进行了计算选型。本文中的案例为改造项目，改造后的效果达到并高于设计标准，得到业主好评。但因改造项目受现场条件限制，无法采用更为优化的方案，若今后项目有条件选用高效过滤器HEPA，过滤段可按照初效+中效+高效方式逐级配置，节省运行费用。可将高效过滤器设置在送风末端，避免风管二次污染；高效过滤装置通过风速宜≤1m/s，减少过滤器阻力。本文的研究结合实例对室内PM2.5的治理设计进行了详细分析，可为相关研究设计提供一定参考。
作者：杨品德 曾敏 单位：湖南城市学院设计研究院有限公司 中国轻工业长沙工程有限公司