曹 祎 張絮涵

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

隨著民航事業(yè)的不斷發(fā)展，人們乘坐飛機(jī)時(shí)不僅關(guān)注飛機(jī)在飛行過(guò)程中的安全問(wèn)題，而且越來(lái)越關(guān)注飛機(jī)客艙內(nèi)的空氣品質(zhì)[1]。近年來(lái)，全國(guó)多地出現(xiàn)霧霾，而可吸入顆粒物是霧霾的主要成分?？晌腩w粒物包括粗顆粒物PM10和細(xì)顆粒物PM2.5。飛機(jī)在地面停機(jī)或飛行時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)將大氣中的顆粒物通過(guò)送風(fēng)管路帶入座艙，使飛機(jī)座艙內(nèi)顆粒物濃度增大。而飛機(jī)狹小的座艙環(huán)境不利于艙內(nèi)顆粒物的排出，顆粒物濃度超過(guò)限值時(shí)會(huì)對(duì)人體健康造成傷害[2]。因此，在飛機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮座艙顆粒物濃度限值對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的約束。通常在飛機(jī)設(shè)計(jì)研制階段，這一約束作用體現(xiàn)為通過(guò)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反向校核，評(píng)估其是否滿(mǎn)足座艙顆粒物濃度設(shè)計(jì)需求。

本文以某民用飛機(jī)為研究對(duì)象，提出飛機(jī)座艙顆粒物濃度評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研并進(jìn)行指標(biāo)權(quán)衡分析，得到顆粒物濃度權(quán)衡指標(biāo)限值，并基于此設(shè)計(jì)需求，對(duì)某民用飛機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的需求符合性進(jìn)行評(píng)估。

1 需求分析

1.1 顆粒物標(biāo)準(zhǔn)值

世界各國(guó)組織機(jī)構(gòu)對(duì)于環(huán)境中顆粒物限值做了規(guī)定，各規(guī)定中相應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 顆粒物的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.2 指標(biāo)權(quán)衡分析

對(duì)于客機(jī)座艙顆粒物濃度PM10，目前基本所有的飛機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及各國(guó)適航條例中并未對(duì)此做出詳細(xì)規(guī)定，歐洲航空工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)prEN 4618-2013[3]中要求PM10 24 h內(nèi)加權(quán)平均濃度值不高于150 μg/m3，這個(gè)限值是從健康角度出發(fā)制定的，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 9673-1996[4]與GB 18883-2002[6]中對(duì)PM10濃度標(biāo)準(zhǔn)限值相同，并且150 μg/m3也是EPA-2014[7]等很多組織室內(nèi)空氣質(zhì)量PM10濃度限值。而WHO-2005[10]對(duì)PM10規(guī)定更為嚴(yán)格，準(zhǔn)則值為24 h均值50 μg/m3。美國(guó)政府工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)在ACGIH-2005[8]中規(guī)定，考慮工業(yè)環(huán)境中惡劣情況，對(duì)PM10的峰值規(guī)定為10 000 μg/m3。因此，可以按照標(biāo)準(zhǔn)取PM10峰值為10 000 μg/m3，滿(mǎn)足安全的要求；取PM10 24 h內(nèi)加權(quán)平均濃度值150 μg/m3，滿(mǎn)足健康的要求；取PM10 24 h均值50 μg/m3，滿(mǎn)足舒適的要求。

對(duì)于客機(jī)座艙顆粒物濃度PM2.5，各國(guó)適航條例中并未對(duì)此做出詳細(xì)規(guī)定，歐洲航空工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)prEN 4618-2013[3]中要求PM2.5 1 h內(nèi)加權(quán)平均濃度值100 μg/m3，連續(xù)值40 μg/m3，這個(gè)限值是從健康角度出發(fā)制定的。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局EPA-2014[7]中對(duì)PM2.5 24 h均值取35 μg/m3，而在WHO-2005[5.2-5]對(duì)PM2.5規(guī)定為更為嚴(yán)格的準(zhǔn)則值24 h均值25 μg/m3。美國(guó)政府工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)ACGIH-2005[8]中，考慮工業(yè)環(huán)境中惡劣情況，對(duì)PM2.5的峰值規(guī)定為3 000 μg/m3。因此，可以按照標(biāo)準(zhǔn)取PM2.5峰值為3 000 μg/m3，滿(mǎn)足安全的要求；取PM2.5連續(xù)值40 μg/m3，滿(mǎn)足健康的要求；取PM2.5 24 h均值25 μg/m3，滿(mǎn)足舒適的要求。

顆粒物濃度權(quán)衡指標(biāo)限值見(jiàn)表2[7]。本文以舒適值作為設(shè)計(jì)需求，對(duì)某民用飛機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的需求符合性進(jìn)行評(píng)估。

表2 顆粒物濃度權(quán)衡指標(biāo)限值

2 計(jì)算方法

進(jìn)入座艙的顆粒物的污染源可分為艙外源和艙內(nèi)源。艙外源是指地面污染和高空大氣中的化合物，其通過(guò)飛機(jī)引氣系統(tǒng)進(jìn)入座艙，顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)沉降。艙內(nèi)源可能的來(lái)源主要包括座艙內(nèi)人員散發(fā)的顆粒物、餐飲服務(wù)產(chǎn)生的顆粒物等。本文暫不考慮由艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物。

假設(shè)進(jìn)入引氣管路的顆粒物濃度CB與外界環(huán)境中的濃度Cout保持一致，則某時(shí)刻送入座艙的顆粒物濃度計(jì)算公式為：

式中：CV為送入座艙的顆粒物濃度，kg/m3；QV為總通風(fēng)量，m3/s；S為再循環(huán)比例；ηB為引氣過(guò)濾器效率；Ci為座艙內(nèi)的顆粒物濃度，kg/m3；ηr為再循環(huán)過(guò)濾器效率；ES為顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)部的沉降量，kg/s。

顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)部的沉降量計(jì)算公式為：

ES=ηSCBQV(1-S)

(2)

式中：ηS為顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)部的沉降率。

座艙內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度平衡關(guān)系式為：

(3)

式中：V為座艙容積，m3；EC為由艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物量，本文取EC=0 g/s。

根據(jù)上述公式即可求得某時(shí)刻座艙內(nèi)顆粒物濃度值。

當(dāng)座艙內(nèi)顆粒物濃度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，顆粒物濃度值計(jì)算公式為：

(4)

當(dāng)不考慮艙內(nèi)源時(shí)，公式(4)可簡(jiǎn)化為：

(5)

即當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，艙內(nèi)顆粒物濃度與座艙容積、通風(fēng)量均無(wú)關(guān)。

對(duì)公式(3)進(jìn)行拉氏變換，即可得座艙內(nèi)顆粒物濃度變化的時(shí)間常數(shù)τ計(jì)算公式為：

(6)

即座艙內(nèi)顆粒物濃度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間只與座艙容積、通風(fēng)量、再循環(huán)比例及再循環(huán)過(guò)濾器效率有關(guān)，與艙外環(huán)境的顆粒物濃度等因素?zé)o關(guān)。

當(dāng)座艙內(nèi)顆粒物濃度不滿(mǎn)足飛機(jī)座艙環(huán)境舒適性需求時(shí)，需增加過(guò)濾器。過(guò)濾器效率值的求解過(guò)程應(yīng)為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，即艙內(nèi)顆粒物濃度達(dá)到穩(wěn)定最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的過(guò)濾器效率即為最低過(guò)濾效率值。

根據(jù)公式(4)，可得到引氣過(guò)濾器效率計(jì)算公式為：

(7)

當(dāng)不考慮艙內(nèi)源時(shí)，公式(7)可簡(jiǎn)化為：

(8)

由公式(8)可知，引氣過(guò)濾器效率與通風(fēng)量無(wú)關(guān)。

根據(jù)公式(4)，可得到再循環(huán)過(guò)濾器效率計(jì)算公式：

ηr=1-

(9)

當(dāng)不考慮艙內(nèi)源時(shí)，公式(9)可簡(jiǎn)化為：

(10)

由公式(10)可知，再循環(huán)過(guò)濾器效率與通風(fēng)量無(wú)關(guān)。

3 顆粒物濃度評(píng)估

以某客機(jī)為例，采用上述計(jì)算方法對(duì)座艙內(nèi)顆粒物濃度進(jìn)行評(píng)估分析。

3.1 計(jì)算輸入分析

計(jì)算時(shí)取客艙容積為500 m3，再循環(huán)比例為0.5。

艙外環(huán)境顆粒物濃度基于目前中國(guó)主要五大機(jī)場(chǎng)(北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)、上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)、上海虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)、廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)、深圳寶安國(guó)際機(jī)場(chǎng))和天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)在2014年P(guān)M2.5和PM10平均值得到[11]。由于圖1中數(shù)據(jù)為顆粒物濃度平均值，本文選取各機(jī)場(chǎng)濃度最大值并上浮50%作為本次計(jì)算艙外環(huán)境顆粒物濃度極限值，故PM2.5極限值取126 μg/m3；PM10極限值取207 μg/m3。

圖1 中國(guó)主要機(jī)場(chǎng)顆粒物濃度平均值

艙外污染物通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣進(jìn)入環(huán)控系統(tǒng)，在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)各個(gè)部件后會(huì)出現(xiàn)沉降。顆粒物的沉降包括氣流經(jīng)過(guò)彎頭較多、管路較細(xì)或表面積較大的復(fù)雜管路或設(shè)備表面時(shí)，顆粒物的自主沉降；以及氣流經(jīng)過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件、洗滌裝置等設(shè)備，導(dǎo)致顆粒物與氣流分離，從而實(shí)現(xiàn)氣流中顆粒物濃度降低。這兩種方式的去除均以沉降率進(jìn)行定量描述。研究表明，0.3 μm的細(xì)小顆粒在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)的沉降率約為75%，且沉降率隨顆粒粒徑的增大而增大[11-12]。本文取艙外空氣顆粒物在環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)的總沉降率為75%。

3.2 濃度評(píng)估計(jì)算

根據(jù)公式(1)至公式(4)建立座艙內(nèi)顆粒物濃度計(jì)算模型。分別取濃度值Cout為126 μg/m3和207 μg/m3，計(jì)算得到座艙內(nèi)的PM2.5和PM10濃度變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖2所示。

(1)PM2.5濃度變化趨勢(shì)

由圖2可知，當(dāng)外界環(huán)境PM2.5濃度恒定為126 μg/m3，初始濃度為0 μg/m3，約1 945 s后座艙內(nèi)PM2.5濃度達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值為31.5 μg/m3。當(dāng)外界環(huán)境PM10濃度恒定為207 μg/m3，初始濃度為0 μg/m3，約2 055 s后座艙內(nèi)PM10濃度達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值為51.75 μg/m3。

由第2章分析可知，不考慮艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定的艙內(nèi)顆粒物濃度與座艙容積、通風(fēng)量無(wú)關(guān)，即駕駛艙內(nèi)顆粒物穩(wěn)定值與客艙相同，即PM2.5為31.5 μg/m3，PM10為51.75 μg/m3。在不考慮艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物時(shí)，座艙顆粒物濃度無(wú)法滿(mǎn)足環(huán)境舒適性設(shè)計(jì)需求。因此，需要增加過(guò)濾器。

由公式(4)可知，引氣過(guò)濾器效率與再循環(huán)過(guò)濾器效率間相互耦合，共同影響達(dá)到穩(wěn)定的艙內(nèi)顆粒物濃度?；诠?8)或公式(10)建立過(guò)濾器效率計(jì)算模型，得到在座艙內(nèi)顆粒物PM2.5及PM10濃度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的前提下，引氣過(guò)濾器效率與再循環(huán)過(guò)濾器效率間的相互關(guān)系。

(1)PM2.5

由圖3可知，針對(duì)PM2.5，不安裝再循環(huán)過(guò)濾器時(shí)，需保證引氣過(guò)濾器效率不低于5.5%，即可使座艙內(nèi)顆粒物PM2.5濃度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求；不安裝引氣過(guò)濾器時(shí)，再循環(huán)過(guò)濾器效率最低限值要求為26%。針對(duì)PM10，不安裝再循環(huán)過(guò)濾器時(shí)，需保證引氣過(guò)濾器效率不低于0.9%，即可使座艙內(nèi)顆粒物PM10濃度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求；不安裝引氣過(guò)濾器時(shí)，再循環(huán)過(guò)濾器效率最低限值要求為3.5%。若已知引氣過(guò)濾器效率或再循環(huán)過(guò)濾器效率值，即可通過(guò)查圖3得到對(duì)應(yīng)的再循環(huán)過(guò)濾器或引氣過(guò)濾器的最低效率限值。綜合PM2.5和PM10的再循環(huán)過(guò)濾器效率及引氣過(guò)濾器效率，取其最大值即可作為座艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)濾器效率的最低限值。

4 結(jié)論

本文以某型民用飛機(jī)為研究對(duì)象，提出飛機(jī)座艙顆粒物濃度評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研并進(jìn)行指標(biāo)權(quán)衡分析，得到顆粒物濃度權(quán)衡指標(biāo)限值。以舒適值作為設(shè)計(jì)需求，對(duì)某民用飛機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的需求符合性進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，不考慮艙內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定的艙內(nèi)顆粒物濃度與座艙容積、通風(fēng)量無(wú)關(guān)，座艙內(nèi)顆粒物濃度穩(wěn)定值PM2.5為31.5 μg/m3，PM10為51.75 μg/m3。針對(duì)顆粒物增加過(guò)濾器，得到在座艙內(nèi)顆粒物濃度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的前提下，引氣過(guò)濾器效率與再循環(huán)過(guò)濾器效率間的相互關(guān)系。不安裝再循環(huán)過(guò)濾器時(shí)，引氣過(guò)濾器效率最低限值為5.5%；不安裝引氣過(guò)濾器時(shí)，再循環(huán)過(guò)濾器效率最低限值要求為26%。