一种空气过滤器设计选型用PM2.5室外设计浓度确定方法

作者：张毅

    在空调新风系统中安装空气过滤器（简称“过滤器”），是降低室外PM2.5通过新风系统进入室内的有效手段。过滤器的设计选型（包括过滤效率计算与过滤器选择）是决定室内PM2.5浓度水平的关键，而室外PM2.5浓度值是过滤器设计选型过程中的重要设计参数。Carlson将瑞典斯德哥尔摩全年PM2.5的98%浓度值作为过滤器的室外计算浓度；美国、日本等地区则采用不保证率为5%作为设计浓度。虽然我国对灰霾天气的研究已有10多年，但对大气PM2.5的监测工作却起步晚。自2013年1月1日起，京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市等共74个城市作为国家标准GB 3095-2012《环境空气质量标准》第一阶段监测实施城市，按照新标准要求对包括细颗粒物(PM2.5)在内的6项基本项目进行监测，2014年新增87个城市为第二阶段实施城市。我国对大气PM2.5监测的实施力度很大，但实施时间短，积累和可供分析的PM2.5数据很少。同时，大气颗粒物浓度的变化具有随机性、非平稳性（时变性）、非线性、区域性等特点，与各城市的能源结构、产业结构有关，以致我国不同城市的大气颗粒物污染程度不同，即使相邻城市甚至同一城市不同区域的污染情况均不尽相同。此外，随着大气颗粒物污染治理工作的推进，未来每年的污染情况也会有所不同。正是由于近年对PM2.5的重视程度增加和相关研究的深入，对于住宅、办公建筑等一般民用建筑中室内PM2.5的控制才逐步受到关注。上述情况使得针对PM2.5的过滤器室外设计浓度的选择尚未有统一的标准和方法。

  虽然实际情况决定了很难采用统一的标准作为室外颗粒物设计浓度，但该参数对过滤器的设计选型非常重要，加之降低室内PM2.5浓度对人体健康的重要意义，仍有必要寻找一个通用且适用于工程应用的便捷方法来确定PM2.5室外设计浓度，以通过合理的过滤器设计选型来保证室内PM2.5浓度满足要求。因此，本文提出了基于“保证率”概念的PM2.5室外设计浓度的确定方法，各城市可根据当地大气PM2.5污染状况并利用该方法确定PM2.5室外设计浓度。

1  2014年PM2.5污染状况

1.1  空气质量指数状况

现行国家环境保护标准HJ 633-2012《环境空气质量指数( AQI)技术规定（试行）》将空气质量以空气质量指数表示，并将其划分为6个级别，各级别对应的空气质量指数类别分别为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染。空气质量指数根据首要污染物的空气质量分指数确定。表1为空气质量指数分类及对应PM2.5的24 h平均浓度限值。

图1为2014年我国29个城市的日空气质量状况（数据来源于中国空气质量在线监测分析平台）。由图1可见，我国不同城市的空气质量状况差异较大，整体上，由北向南空气质量逐渐变好，大部分天气集中在“良”的水平，优良天数平均占到60 010。表2列出了不同空气质量所对应天数占比前5位的城市及天数比例。福州和昆明全年优和良的空气质量占了97%以上；贵阳、广州、银川、南昌、南宁的全年优良天气数量也占到了80%以上，但仍有不同程度的污染。优良天气较少的城市是石家庄和济南，均不到30%。在天数比例前5位的城市中，轻度污染天气比例最高的是济南，为46%；最低的为石家庄，为31%，天数相差约50 d。对于中度染，前5位城市天数比例均匀，约50 d。对于重度污染，前5位城市中天数比例最高和最低的分别为石家庄(占16%)和西安（占8%）。对于严重污染，石家庄天数最多，占11%，其余城市占比不超过4%。从29个城市不同空气污染（轻度污染及以上）天数分布上可知，轻、中、重及严重污染的天数分别不超过约170 d、60 d，60 d和40 d，污染天气多集中在轻度污染水平，其次是中度及重度污染。部分城市会发生严重污染天气，但发生的天数相对较少且各城市的天数差别较大。

1.2 PMz．；日均极大值与年均浓度

需要指出的是，空气质量指数类别是以包括PM2.5在内的6种污染项目的空气质量分指数中最大的为确定依据，所以空气质量指数类别不完全等同于PM2.5的污染程度。图2为2014我国29个城市PM2.5年平均浓度值及最大日均值情况。PM2.5的年均值范围为32—123ug/m3，年均值最小的城市是福州，最大是石家庄。在这29个城市中，2014年最高PM2.5日均浓度出现在沈阳，高达631ug/m3;哈尔滨、石家庄、西安和武汉的最高PM2.5日均浓度值均超过500ug/m3。昆明PM2.5年均值和最大日均值均最低，分别为33ug/m3和83ug/m3。这29个城市中，PM2.5年均值达到国家标准二级要求（年均值小于35ug/m3，详见后文表3）的只有福州和昆明2个城市。

1.3 PM2.5；日均浓度的频数与频率分布特征

  PM2.5日均浓度频数是指PM2.5日均浓度出现在一定浓度区间内的天数，频率是指频数与总天数的百分比。从图2可知，2014年PM2.5日均浓度最大值不超过650ILg/m3，并根据表1中PM2.5的24 h平均浓度限值，将PM2.5浓度以35、75、115、150、250，350、500、650ug/m3为每个浓度区间的上限（包含）进行划分。

  图3为具有不同PM2.5污染程度的代表城市PM2.5日均浓度频数与频率分布图。以横坐标“~75”为例，其代表的含义是该区间PM2.5日均浓度值>35ug/m3（上一相邻区间的上限）并≤75ug/m3，“~ 35”、“~115”等其它区间含义与此相同。从图3中可知，2014年中，不同城市PM2.5污染程度不同，其PM2.5日均浓度频数、频率分布也不相同。图3a为石家庄的全年频数和频率分布图，从频数分布上看，石家庄室外PM2.5浓度在全年近一半的天数(约180 d)中分布在36~115ug/m3，其中“—75”和“~115”两个区间的频数分布均约90 d；另有约70 d的PM2.5浓度分布在“~250”区间内。从频率分布上看，石家庄的频率分布特征呈现明显的双峰分布。图3b所示为北京的情况，北京全年室外PM2.5浓度分布在0~ 75 g/m3内的天数过半，而“~ 115”及之后区间内的天数下降明显。北京的频率分布特征呈现不明显单峰趋势，峰值出现在“~ 75”区间，但由于“—35”和“~ 75”两个区间内频数相近，使单峰不明显。图3c为郑州的情况，其最大频数落在“~75”区间，约160 d，“~75”之后的各区间频数依次降低，因此其频率分布特征呈现非常明显的单峰分布。图3d为南宁的情况，“~35”区间的频数最大，而后依次不同程度降低，其频率分布特征呈现了单调下降的分布形式。上述4种频率分布特征基本涵盖了29个城市的频率分布，从统计结果来看，没有与石家庄和北京频率分布特征相类似城市，与南宁频率分布特征相似的城市有哈尔滨、呼和浩特、福州和昆明，其余城市均与郑州的频率分布特征相似。

2  过滤器选型基本方法及存在的问题

2.1  选型基本方法

  空调新风系统中配置过滤器的目的是降低室内颗粒物浓度，提高室内空气品质。过滤器对颗粒的过滤效率决定了送风气流中颗粒物的浓度，因此在过滤器设计选型过程中，对所需过滤器的过滤效率计算结果决定了过滤器的选型。主过滤器（末级过滤器）的过滤效率决定了送风气流中颗粒物的粒径分布和浓度大小，其之前的各级过滤器的主要作用是保护后一级过滤器，但各级过滤器均会对不同粒径范围的颗粒物起到过滤作用。考虑到具体工程过滤器配置方案的差异，本文后续提及的过滤器过滤效率为各级过滤器组合的综合过滤效率。

  过滤器综合过滤效率由式(1)确定，对于更多过滤器配置工况时过滤效率的计算，详见参考文献[12]。

式中：η为过滤器综合过滤效率；%；Ci为PM2.5室内设计浓度，ug/m3；C。为PM2.5室外设计浓度，ug/m3。

2.2待确定的参数

2.2.1  室内PM2.5浓度限值

我国有关颗粒物浓度控制的标准见表3。对于一般民用建筑中所用的舒适性空调，现行国家标准GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》、GB/T17095-1997《室内空气中可吸入颗粒物卫生标准》及行业标准WS 394-2012《公共场所集中空调通风系统卫生规范》中规定了室内可吸人颗粒物( PM．。)的日平均浓度标准值，但均未对PM2.5的浓度进行规定。现行行业标准JGJ/T 309-2013《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75ug/m3。国家标准GB 3095-2012《环境空气质量标准》规定“居民区的PM2.5的年平均浓度不得超过35 ug/m3，PM2.5的24 h平均浓度不得超过75ug/m3。

  值得注意的是，式(1)中Ci为PM2.5室内设计浓度，但其与实际运行时的室内浓度还有差别，因为除随空调新风系统进入室内环境中的PM2.5外，另有室内中香烟等燃烧、打印机等办公设备使用、人员活动等室内源以及围护结构缝隙渗透、人员携带等室外源。因此，在过滤器设计选型中还需考虑室内PM2.5的发生量，并使Ci低于室内PM2，浓度限值。这部分内容超出本文讨论范围，不展开论述。

2.2.2    PM2.5室外设计浓度

  目前针对PM2.5的过滤器设计选型的报道多为研究性文章，给出的PM2.5室外计算浓度均为试算值，如参考文献[12]选择PM2.5浓度为600ug/m3时的最不利工况对过滤器进行效率计算和选型。由于室外PM2.5浓度大小具有随机性，一般根据当地气象资料选择年均值、日均值以及经验值作为室外设计参数，但均具有一定的不足。

2.3过滤器设计选型存在的问题

  从本文前文对空气质量指数及PM2.5浓度情况的分析可知，我国不同城市的空气质量相差较大，不同城市的过滤器选用方案不能“一刀切”式的统一标准，即不可以将PM2.5污染严重地区的过滤器选用方案不经改变而直接用到PM2.5污染较轻地区，这会导致“选型大”，既不经济还可能会增加风机能耗；反之会导致“选型小”，使室内PM2.5浓度达不到要求，室内空气品质得不到保证。这就要求每个城市都要有一套适宜的过滤器设计选型方案，而多样的设计方案和不同的PM2.5污染状况，为PM2．5室外设计参数的合理确定带来了一定的难度。

3  室外PM2.5设计浓度确定方法

  若要使过滤器达到有效降低室内PM2.5浓度的效果，对过滤器的合理设计及选用至关重要。在过滤器的设计选型中，PM2.5室内浓度根据现有标准限值或建设方的要求即可确定，但PM2.5室外设计浓度却没有统一标准或方法，这也是过滤器设计选型环节中需要解决的问题。

3.1  常规方法与不足

  若选择PM2.5年平均浓度作为室外设计浓度，根据式(1)可得到所需过滤器的效率。当室外PM2.5浓度小于年均浓度时，可保证室内PM2.5浓度满足设计要求，反之便无法满足设计要求。

将一个日历年中室内PM2，浓度满足设计要求的总天数定义为“保证天数”，保证天数占一个日历年总天数的百分比定义为“保证率”。图4为按照2014年PM2.5年均值设计时的保证天数与保证率，保证天数最高的是哈尔滨和西安，均为243 d，保证率为67%。保证天数最低的是西宁，为206 d，保证率为56%，其次是广州和杭州，保证天数分别为207天和208 d，平均保证率为57%。可见，若严格按照PM2.5年平均浓度作为过滤器的设计选型依据，2014年室内PM2.5浓度最高保证天数为243 d，不满足设计要求的天数在122~159 d之间，即全年1/3以上天数的室内PM2.5浓度超过设计要求。

  全年的日均值波动范围大，若以此为依据选型，还是无法合理确定室外PM2.5的设计浓度。若以较高浓度值甚至最大值作为设计浓度，虽然全年大部分时间均可以满足设计要求，但出现高浓度污染的天数毕竟较少，即存在前文所述“选型大”的问题。若以经验值作为室外PM2.5的设计浓度，不仅需要设计者具有丰富的过滤器设计选型和实践经验，还需非常熟悉本地PM2.5污染状况，这种方法无疑是难度最大的。

3.2  基于保证率的PM2.5室外设计浓度确定方法

  室内PM2.5的控制及过滤器设计选型与建筑结构设计不同。建筑结构设计的要求是保证建筑结构的安全，而一般民用建筑（住宅、办公建筑等）的过滤器设计选型的目的与供热空调系统设计类似，是为了提供良好的室内空气品质，如果在短时间偏离设计要求，并不会造成太大的损失或危害，或是可以利用其它方式弥补（如空气净化器）。因此，可按照需求，选择某一保证率下的室外PM2.5浓度作为室外设计浓度，既可以保证全年所需天数内室内PM2.5浓度满足要求，又可避免按年均值计算而保证率低、按日均值或经验值而带来的“选型大”或“选型小”的问题。

基于保证率的PM2.5室外设计浓度确定方法的一般计算步骤为：

首先，确定浓度分组及各分组上限，按式(2)和式(3)计算。

式中：C。为每个分组区间的组距；Cmax和Gmin分别为统计时间内PM2.5的极大和极小浓度值，ug/m3；n为分组数量，一般取5—8为宜；C为大于且临近C。的整数值，目的是便于统计计算；Ci为第i个分组的上限值，l≤i≤n。为简化表示形式，第：分组可标记为“—C。”，表示第i组中的数值范围为>C。一，且≤Ci。

其次，统计各分组区间的频数，即PM2.5浓度出现在各分组区间内的天数，并计算其频率，按式(4)计算。

式中：，为第i组的频率，%；Ni为第i组的频数。

再次，按由小到大的分组顺序计算各分组区间对应的累积频率，即第i组对应的累积频率为前i组频率之和，计算式见式(5)。

式中：F。为第i组对应的累积频率，%。第n组对应的累积频率为F。= 100%。

  最后，以累积频率F，为横轴、分组上限C．为纵轴画出累积频率曲线图，并根据需要调整横、纵坐标轴数据间隔。累积频率即为保证率，使用时，某一保证率对应的PM2.5浓度即为该保证率下的PM2.5室外设计浓度。

3.3保证率曲线绘制及PM2.5室外设计浓度确定算例

以北京为例进行保证率曲线的绘制，由于可用数据少，仅以2014年的数据为例。经统计，北京2014年最大和最小PM2.5浓度分别为393ug/m3和5ug/m3，取凡=8。按照式(2)计算C。=48.5；按照取大于且临近C。的整数值的原则，取C =50。根据式(3)确定8个分组中每个分组的上限值，分别为50、100、150、200、250、300、350、400。根据式(4)统计各浓度区间的频数，根据式(5)计算累积频率，结果见表4。根据累积频率绘制的保证率曲线见图5所示。由图5可知，若要求室内PM2.5的设计保证率为95%，则PM2.5室外设计浓度取值约为240 ug/m3。

利用同样方法以2014年数据计算出的29个城市在95%保证率下的PM2.5室外设计浓度值见表5。

  保证率的确定，与建筑类型、使用功能及甲方的观念和要求有关，这又增加了过滤器设计选型的不确定性。利用本方法则可根据不同的保证率要求快速查得PM2.5室外设计浓度，避免了每次过滤器设计选型前均进行保证率计算的重复工作。

4结论

  1)我国多数城市均存在不同程度的大气颗粒物污染，各城市的PM2.5日均浓度差异较大，大部分城市的PM2.5日均浓度分布在“良”的水平。

  2) PM2.5室外设计浓度直接影响过滤器的设计选型，目前对PM2.5室外设计浓度的选择尚未有明确统一的方法，而大气PM2.5浓度的随机性和城市污染的多样性，为PM2.5室外设计浓度的选取带来一定的难度。

  3)以PM2.5年平均浓度作为室外设计浓度，全年30%—40%的天数无法使室内PM2.5浓度达到设计要求，而通过绘制保证率曲线，可以方便快速的根据保证率要求确定PM2.5室外设计浓度。

  4)随着时间与客观条件的变化，未来我国大气颗粒物污染可发生趋势性变化，因此PM2.5设计保证率对应的室外设计浓度具有客观随变的特点。应随着我国对PM2.5监测工作的推进和数据积累，适时完善本方法。此外，本文以PM2.5为论述对象，此方法亦适用于PM10室外设计浓度的确定。

5摘要] PM2.5室外设计浓度是空气过滤器设计选型中的重要参数，然而目前却没有统一的确定方法。本文的目的是提出一个通用、便捷的方法并能合理确定PM2.5室外设计浓度。在统计并分析了2014年我国29个城市空气质量的情况下，阐述了过滤器选型的基本方法及存在的问题；结合保证率的概念提出了1种PM2.5室外设计浓度的确定方法。结果表明，不同城市PM2.5污染程度差别较大，其年均值范围为32~ 123 ug/m3。利用PM2.5年均值作为室外设计浓度，全年30%~ 40%的天数无法使室内PM2.5浓度达到设计要求。各城市PM2.5污染的多样性为过滤器的设计选型带来了一定的困难，而利用基于保证率的PM2.5室外设计浓度确定方法绘制保证率曲线，可根据不同保证率要求方便快速地查得PM2.5室外设计浓度。