1 室內外污染物相關性研究現狀

關于室內空氣品質（IAQ）模型早在 20 世紀70 年代就有學者開展研究，當時 Shair 等提出了一個確定室內空氣污染物濃度的混合反應器模型。

國內專家亢燕銘等對3種預測空調或自然通風房間室內外氣相和顆粒相有害物濃度間變化關系的典型模式進行了分析，討論了這些模型的適用范圍和應用中可能出現的問題，并提出了改進意見。國內外對于室內外空氣污染物的擴散傳播有廣泛的研究，然而關于二者之間的直接關系是一個較新的研究領域，其科研實驗和文獻相對較少，因此，有必要開展這方面研究工作。研究二者之間的耦合關系可以判別室內污染物產生及來源，從而找到產生污染的真正原因，針對污染發生機理和污染源發生情況采取控制對策，以保證較高的室內空氣品質。

2 室內外污染物相關性的模型建立與數學關系

2.1 模型的建立與分析

2.1.1 良好混合反應器模式（室內污染源穩定）

Shair 等人在 70 年代給出了室內氣態污染物濃度變化模型，該模型為有室外壓力（風壓和熱壓）作用下的通風。在室外污染物進入室內后，會發生某些化學反應，良好混合反應器模型（圖1）考慮了在室內不同氣體間發生反應的可能性。假設氣體瞬間理想均勻混合，則質量守恒微分表達式為：

式中：V 為房間的體積，m3；Q0為通過過濾后的進風量，m3/ s ；Q1為回風量，m3/s ；Q2是由室外滲入室內的空氣量，m3/s ；Q4為排風量，m3/s；C0、C1分別為室內和室外污染物濃度，g/m3；S 為房間內污染源產生污染物的速率，g/s；R 為室內污染物衰減速率，g/s。由于新風和回風公用一個過濾器，則有等式a0=a1=a。微分表達式前 3項表示進入室內的污染物的速度，第4項是室內有害物排到室外的速度，，Vi表示面積為Ai的第 i 階表面的污染物自降解速度。

求解方程得：

其中：C10是 t = 0 時的室內污染物濃度。

當室外污染物濃度變化速率遠低于室內污染物時，此時可將室外污染物濃度設定為線性函數：

其中：h 在室外污染物濃度增加時為正，降低時為負。對于某些不能直接得出室外污染物濃度變化規律的情況，在應用模型求解之前，必須用實際觀測所得的關系式來確定室外污染物濃度函數，進一步確定濃度變化規律。

2.1.2 混合因子模式（室內污染源不穩定）

該模式也為有室外壓力（風壓和熱壓）作用下的通風。通常在模型（圖2）中，我們一般假定室外空氣進入室內，在瞬間完成均勻混合，令W為過濾器的效率，系統沒有系統排風，根據質量守恒定律，可得與良好混合反應器通風換氣類似的方程：

通常情況下室外空氣進入室內充分混合要經過一段時間，并不是理想狀態下的瞬間均勻混合，因此把混合因子 m 作為衡量室外空氣混合程度的標尺，則質量守恒微分表達式為：

令當 t = 0 時，C1= C10，解得微分方程得：

當室內污染物散發為級數形式時，S(t)=ht=htn，h為常數，n為自然數，解得：

當室內污染物散發規律為正弦函數時，有數學關系：S(t) = K0sin (ω t)，K0和ω是常數，解得：

式中：

如果室內污染物散發規律是非收斂的，以上兩種模型有良好的適用性。混合因子模式將室內污染物散發速度看作是變化的，彌補了室內污染物是常數的不足。

由于室內污染物的來源不同，污染物物理、化學性質不同，室內溫濕熱、通風情況不盡相同，若要進行室內外污染物關系的分析還要根據適合特定環境下的數學模型。良好混合反應器模式代表了室內污染物有衰減并且室內外在瞬間混合的情況；混合因子模式代表室內污染物產生源變化的典型情況，但未考慮室外空氣的自然滲透，也需要加以改進。

2.2 模型參數的確定

在計算室內污染物濃度時，要首先確定幾個模型中的參數值。室內空間體積V 和室外污染物濃V 和室外污染物濃度 C0可通過測量或者已知模型確定。

2.2.1 混合因子 m

在理想狀態下，房間內整個空間的污染物濃度是相等的，此時m=1，這個假設在絕大多數情況下是不成立的，室內外空氣混合受空氣流速、室內溫度、污染物濃度、房間體積等很多因素影響。

從定義上說，混合因子是室內外空氣在理想情況下的混合時間與實際混合時間之比，即，但有時誤差較大。通常情況下，一般使用 C1=C10e-mN來表示混合后室內污染物的變化規律，C10為混合完成后瞬間的濃度，C1為混合后任意時刻的濃度，N為換氣次數，mN 為有效換氣次數。在進行計算時，還要根據模型確定混合因子的變化區間，一般在0.3~0.6之間。只有較好的通風條件下，如有風扇、進排風口設置合理、對流較好、房間較小，混合因子才能近似認為是1。

2.2.2 自然通風條件下室內換氣量 Q2

開窗時自然通風量：這種情況比較普遍，通風量主要取決于室內外的風壓和熱壓ΔP=gh(Qw-Qn)，如果建筑物較低，可以不考慮熱壓。每小時的通風量可以表示為：

式中：Vf為通風流速（近似認為是室外風速），A 為窗戶和縫隙面積。通風流速受空氣動力系數 d和窗戶的通風流量系數μ影響：

式中：d 的物理意義為動壓轉化為靜壓的比例，μ與窗戶的材料和構造、大小有關。

關窗時自然通風量：當窗戶關閉時，對于沒有空調的房間，在室內外的壓差作用下，通過門縫和墻縫會產生自然通風（滲風），滲風量與門窗的氣密性、室外風速、風向等多個因素有關。采用換氣次數法計算通風量：

式中：N 為換氣次數，次 /h；V 為房間體積，m3。對于配置空調的房間，一般都要保持正壓，風是從室內向室外滲透的。

2.3 室內污染物自清除效應

室內污染物在向外擴散的過程中，會有氣體→液體、固體的相變，固體顆粒物的沉降，室內表面的吸收，室外清潔空氣的稀釋，使污染物沉積轉化。

2.4 漏風和滲透的影響

窗戶和門縫的滲透和漏風會對室內污染物濃度產生一定影響，在室外空氣品質良好時，增加新風量減少空調使用時，可以增加潔凈空氣量，因為空調和空氣過濾系統長時間使用也會產生污染。控制新風的濕度可以防止空調內部滋生細菌病菌，保證新風潔凈度。

3 室內污染的防控措施

3.1 通風效應

在室外空氣品質較好的情況下或者安裝新風過濾器時，通風增加了室內潔凈新風量，進而稀釋了室內污染物，要保證其正常換氣才能達到降低污染物濃度的目的。通風包括機械通風和自然通風（圖3）。

假定條件：（1）室內通風量穩定；（2）室外污染物濃度恒定；（3）忽略室外污染物擴散傳播過程中沉降和衰減；（4）室內污染物分布均勻，混合因子為 1；（5）自然通風，不考慮各級過濾。

室內污染物來源：（1 ）室內污染源；（2）新風中的污染物；（3）回風系統中的污染物。質量守恒式：

式中：為室內換氣次數，C10是室內污染物初始濃度，為新風比，可認為初始時刻污染物濃度 C10=0，此時有：

當自然通風、機械通風、空調全新風運行時，可認為新風比η=1。

結論：由圖4、圖5可知，增加單位時間內的換氣次數 n 和提高新風比η，都可以更好地控制和降低室內污染物濃度，使污染物濃度更快達到穩定狀態，而且穩定濃度較低，較好地起到了通風的效果。

如果換氣次數較小和新風比較低的話，或者僅僅依靠自然通風來凈化空氣，沒有過濾、除塵等凈化措施，室內污染物不僅不會降低，甚至會隨時間而升高。

3.2 空氣過濾效應

與自然通風相比，過濾通風（圖6）能夠更好地按照室內空氣標準和人們的要求控制室內污染物，而且更加經濟有效。

3.2.1 室內顆粒狀污染物與空氣過濾器的確定

（1）根據室內要求的潔凈凈度標準，確定最末級的空氣過濾器的效率，合理地選擇空氣過濾器的組合級數和各級的效率。

（2）正確測定室外的含塵量和塵粒特征。

（3）正確確定過濾器特征；

（4）分析含塵氣體的性質。

根據質量守恒式：

隨著通風時間的延長和過濾作用，室內污染物濃度會逐步趨于穩定，當 t →∞時，根據上式可得穩定后的室內污染物濃度：

由式（18）可以看出，穩定狀態下的室內污染物濃度與換氣次數、新風比、室內污染源、室內污染物初始濃度、各級過濾器有關，穩定污染物表達式對于確定各級過濾器的對降低室內污染物濃度的作用有重要意義。

3.2.2 新風過濾器的作用

將穩定式中對η0求偏導得：

由式（19）看出：偏導數小于 0，即提高新風過濾器效率可以降低室內污染物濃度。在新風口安裝過濾器，對于凈化室內空氣是十分有效的。

3.2.3 回風過濾器作用

將穩定式中對求偏導得：

由式（20）看出：偏導數小于 0，即提高回風過濾器也可以降低室內污染物濃度。在回風口安裝過濾器也可起到良好的作用，但在實際中，過高的回風過濾器效率會產生較大能耗，對系統要求高，相比新風過濾器高效率而言，不易實現。

3.2.4 主過濾器作用

因此穩定濃度對主過濾器效率偏導小于0，較高的主過濾器效率可以有效降低污染物濃度。由此可見：Cw對η0的偏導與無關，而對的偏導與有關，而且隨著增大偏導數的絕對值減小，表明對室內污染物濃度降低的效應隨效率的增加作用越來越小；較高的η0有助于改善室內空氣品質，而且投資小，便于運行管理；室內空氣污染物濃霧最終取決于最后一級過濾器―主過濾器ηz，只要提高最后一級過濾器的效率，即便是前面幾級的過濾效果不明顯，也可以起到良好的凈化作用。

影響過濾器的效率的因素主要有過濾微粒的直徑、內部纖維直徑、填充率、濾料厚度和濾速。對于小粒徑微粒的過濾，以擴散效應為主，攔截效應次之，最后是慣性效應。對于大粒徑微粒，主要以慣性效應為主。由于小粒子的擴散作用明顯，大粒徑的慣性作用明顯，因此它們的過濾效率會稍高于中間大小的粒子。

4 結論

（1）室內、外污染物濃度有著密切的耦合關系，室外空氣對室內污染物的數量和分布有很大影響，正常氣密性下二者的變化趨勢基本一致。由于污染物和數學模型的不同，二者的耦合關系式不同。因為找到一個通用的表示二者關系的模型較難，所以只能根據污染物的種類和空氣流動情況確定特定數學模型進行分析計算。

（2）使用空氣過濾器可以凈化室內空氣，但是各級過濾器的凈化效應不盡相同，通過新風過濾器可以對室外空氣初過濾，高效的回風過濾器對設備要求較高，較難實現，最終的室內污染物濃度很大程度上取決于主過濾器的效率，因此提高主過濾器的效率可以很好地控制室內污染物濃度。

（3）纖維直徑增大，過濾效率呈降低趨勢。填充率和濾材厚度增大，過濾效率逐步提高。風速較低的區域，擴散作用占主導，而在風速較高的區域，慣性作用起主要作用。