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通風降溫工程國內外室內空氣品質研究現狀礦井主風機實現自動化調
摘要：歷史上旨在減少室外空氣污染的努力可以追溯到14世紀，以當時英國倫敦的煙霧法為代表。現代空氣污染問題的研究源于1952年的倫敦煙霧事件，經過50多年的研究，人們對空氣污染的成因、影響因素和代表性危害都有了全面地認識。同時，控制空氣污染的方法或措施也不斷完善，并形成了與室外空氣污染控制相關的產業。
1 國外的研究現狀
歷史上旨在減少室外空氣污染的努力可以追溯到14世紀，以當時英國倫敦的煙霧法為代表。現代空氣污染問題的研究源于1952年的倫敦煙霧事件，經過50多年的研究，人們對空氣污染的成因、影響因素和代表性危害都有了全面地認識。同時，控制空氣污染的方法或措施也不斷完善，并形成了與室外空氣污染控制相關的產業。
室內空氣質量問題可以追溯到遠古時代，以原始人類將火種引入洞穴，引起洞穴煙塵污染為標志。采用科學的辦法對待室內空氣問題的歷史至少可以追溯到20世紀上半葉，1939年美國成立了工業衛生協會（AIHA），這標志著生產環境對人體健康的影響已受到社會關注。對非生產場所，如住宅、辦公室、會議室、教室、醫院、旅館、圖書館、候車（機、船）廳等室內空氣的關注始于20世紀60年代的北歐和北美，正是在那個時期提出了室內空氣質量（IAQ）的概念。當時，促使人們關注室內空氣質量問題的原因主要有兩個：一是隨著環境保護工作的開展和環境科學的發展，人們的環境意識不斷加強；二是空調開始普及，為了節省能源，建筑物密閉程度不斷提高，門窗開啟時間越來越短。同時各種化學制品也開始涌入室內，導致室內化學污染物濃度提高，于是長期在室內滯留的人群常常感到不適。正是那時逐漸出現了“病態建筑綜合癥（SBS）”和“軍團病”等新問題和概念。人們逐漸發現室內空氣污染與哮喘和肺癌等疾病的發病率的上升有著密切關系，并注意室內環境質量不一定比室外好，甚至比室外更糟。
圍繞室內空氣質量的工程研究最初主要著眼于室內與室外空氣質量的關系，以及室內空氣污染物對人體健康的影響。1965年，荷蘭學者Biersteker等進行了世界上第一個工程的、大規模的室內與室外空氣質量的關系。他們以鹿特丹60個住戶為對象，測定了室內、外SO2和煙塵的關系，獲得了空氣污染事件期間的室內環境相對安全性、抽煙對于室內氣溶膠生成、室內SO2衰減與建筑物新舊程度的關系等重要信息。這一研究表明室內與室外空氣質量存在顯著的差異，并且揭示室內空氣質量對人體健康的影響可能超過室外。隨后，關于室內與室外空氣質量關系的研究一直未停止過，而且涉及面越來越寬。通過這些研究，人們對各種條件下，不同污染物的室內與室外關系有了全面的認識，并建立了一系列室內與室外空氣質量關系的模型。
20世紀60年代開始關于室內空氣污染健康效應的研究主要集中在各種人類活動引起的呼吸性健康疾病。同一時期，國外大規模出現裝修熱。北歐、美國和其他國家先后開始大量使用甲醛制品，如用脲醛樹脂和酚醛樹脂作原料制成膠粘劑、墻縫填充劑和多種人造板材等。其中，脲甲醛泡沫樹脂隔熱材料在那個時期曾被大量用于構建房屋，特別是移動住房。于是，大量甲醛釋放到室內，很多居住者出現了急性刺激和急性中毒癥狀，甚至引起中毒性肝炎或是過敏性紫癜。這些問題在當時的社會上引起了很大的震動。于是，工業衛生、環境保護、化學化工和建筑裝潢等專業的工作人員圍繞著甲醛污染問題，相繼開展了環境監測、流行病學調查、臨床觀察、毒理實驗、工藝改革及相應的實際工作和科學研究。
20世紀80年代美國EPA的總暴露量評價方法學研究(TEAM)提供了一個全面評價室內和室外暴露對人體總暴露貢獻的模型。這個研究得到了一個令人吃驚的結論：對于揮發性有機化合物來說，通常情況下，室內污染源對人體總暴露的貢獻遠遠高于室外工業污染源。
隨著對于室內空氣污染問題認識的不斷深化，室內環境作為衛生和環境科學的重要組成部分越來越受到重視。一批專門從事室內環境檢測、宣傳教育、學術研究和學術交流、咨詢和評估的機構開始形成。如美國工業衛生協會（AIHA）專門設立了室內環境質量(IEQ)委員會。“國際室內空氣質量與氣候協會(ISIAQ)”、“美國綠色建筑委員會(USGBC)”和“室內空氣質量協會(IAQA)”也于1992年、1993年和1995年相繼創立。就連北大西洋公約組織(NATO)這樣的軍事合作組織也在她的科學與環境事務局所屬的高級研究中心開展“室內空氣質量(IAQ)科學”的研究和教育培訓計劃，每年都要在締約國開展室內環境方面的培訓工作。
與此同時，室內空氣質量的管理機構也開始在發達國家和地區形成，如美國環保局于1988年在其空氣與輻射司下設立室內空氣質量(IAQ)程序辦公室，1995年又與較早設立的氡分部合并成立了室內環境處，并附設了兩個與室內環境相關的國家實驗室，在相關部門設立了室內環境的監管、執法機構。如今，美國的學校里都設有室內環境協調員，管理和督導室內環境質量的監測和控制。法國政府也于1999年底成立了國家室內空氣監測站，并從2001年開始，每年在全國選擇1000個監測點，對典型室內場所的氡、鉛、霉菌、過敏源、VOCs、人造礦物纖維、殺蟲劑及煙草煙霧等10多種有害物質進行檢測，并向公眾通報檢測結果。我國的香港特別行政區也于1998年在其環境署內設立了室內環境主管部門，并于1999年公布了樓宇的IAQ指南。在室內環境管理機構的指導下，室內環境立法也開始進行，到目前為止，歐美各發達國家，亞洲的日本、韓國和我國香港地區，以及世界衛生組織已建立比較完善的室內環境法規。
2 國內研究的現狀
我國最初大規模出現室內空氣污染是在20世紀80年代。為了改善城鎮居民居住條件，各地大規模建造單元式居民樓，裝空調的人數也為數不少。在居住條件大幅度改善的同時，室內空氣品質卻不斷惡化。
較之國外，我國研究室內空氣品質起步較晚，我國從事住宅室內空氣污染的研究始于70年代，當時主要是中國預防醫學科學院鈕式如研究員的研究室，出發點是研究室內通風，并針對二氧化碳等室內空氣污染物。到1980年，中國預防醫學科學院何興舟研究員所領導的環境流行病研究室開始了云南宣威地區農村室內燃料燃燒與癌癥并發率關系的研究，這是我國較早的室內空氣污染與健康關系的研究。同年，武漢市衛生防疫站的楊旭醫師在城區開展了室內空氣污染的研究工作。1984年，在全國防疫站工程開展了大量的室內空氣污染調查工作。最為突出的是1988-1990年間中國預防醫學科學院秦鈺慧研究員所領導的中國五城市室內空氣污染與健康關系的調查研究，研究歷時兩年，空氣污染物包括IP，二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等等；人群包括小學生、中學生、社會居民；健康指標包括：肺功能、碳氧血紅蛋白等，文章多次在國際會議上發表，特別是在芬蘭赫爾辛基大會（IndoorAir’93）時作過報告，是那次千人大會上的重要發言。至此，我國的室內空氣污染研究還是集中在燃料上。
到了90年代，隨著人們生活水平的提高，引起居室室內空氣污染最主要的原因是由于不良裝修，即在裝修過程中使用了大量有害物質如甲醛、揮發性有機物等一些裝飾材料。而傳統的室內污染物，如SO2、CO、CO2、NOx等由于抽油煙機的廣泛采用和燃料結構的變化，對室內空氣的污染程度已大大降低。1993年楊旭副主任醫師首先開始了建筑物裝飾材料的污染研究。1995年秦鈺慧研究員組織“室內化學品與健康關系的研究”，室內空氣質量和裝飾建材研究是其重要的方面。以此著手制定我國室內空氣標準。此后中國預防醫學科學院數次舉辦過關于室內空氣質量研討會。國家環境保護總局于2000年8-9月召開“室內空氣質量相關法規及污染控制技術培訓班”，2001年5月，中國科學技術協會過程學會聯合會舉辦了“全國室內環境質量研討會”。
目前國內室內空氣污染研究最主要的包括兩個方面。一是制訂全面科學的室內空氣質量標準。由于我國室內空氣污染問題只是近十幾年才出現，人們強烈意識到室內空氣污染的問題并引起全社會廣泛的關注才剛剛是近幾年的事。國家還沒有制定全面的法律、法規。我國參與室內空氣污染問題管理的政府機構包括衛生部、國家質量監督檢驗檢疫總局、建材局和建設部，國家環保總局雖然沒有具體參與室內空氣質量的管理工作，但確切地說早在1994年就參與了相關工作。我國標準的制定缺乏基礎研究的支持，標準的制定，尤其是室內空氣質量標準的制定，直接關系到人體健康，需要毒理學試驗結果作依據，并且要進行衛生學的分析和評價，這樣的工作不是一個檢測機構就能夠完成的。二是污染源控制，這是我國目前室內空氣污染研究的一個熱點問題。消除污染根本方法是消滅污染源，如對能產生甲醛的脲醛泡沫塑料和產生石棉粉塵的石棉等建筑材料停止使用等措施無疑是有效的，但這必須有相應的法規來保證。一方面，用通過立法在生產過程中盡量控制這些建筑材料的污染物含量，使得有害物質含量低的產品進入市場；另一方面，需要對室內究竟有哪些污染源、這些污染源可能產生什么樣的污染物以及這些污染物的釋放特征進行研究，這樣就可以在裝修過程中對有可能造成室內空氣污染的污染源進行控制。污染源的研究以人工環境氣(testingchamber)的模擬研究為主要手段，通過考察一些環境因子，如溫度、濕度、空氣更新速率等對污染物濃度分布的影響，模擬釋放過程，建立數學模型及評價工程。擴散模型是最常用的方法，目前已將污染物在材料內部的擴散過程及在表層的解析過程結合起來。國內利用人工環境氣候箱對板材中的甲醛，油漆、涂料中的可揮發性有機物的釋放特征已經進行了比較廣泛的研究，但這些還遠遠不夠。
近年來，兗州礦業（集團）公司楊村煤礦和山東省煤炭科學研究所，將可編程序控制器成功地應用于該礦南、北風井主鼓風機的自動化變頻工程。其與國內使用單片機、工控機進行改造的類似項目相比更見可靠性和參數變更的靈活性。
此項成果的主要功能如下：（1）工程的自動化控制。PLC接到運行指令后，立即判斷運行的機號和運行方式。若為低頻方式則驅動低頻接觸器吸合，延時0.4s發出變頻器運行指令，電動機啟動至設定的頻率，風門絞車開啟鼓風機的進風門，前導器執行機構打開鼓風機的前導器，使得鼓風機進入工作狀態。若為工頻方式則控制鼓風機降壓啟動，當啟動電流下降至設定數值時停掉降壓啟動接觸器，并且吸合運行主接觸器，鼓風機轉入全速運行，30s后風門及前導器自動打開；（2）風量的閉環控制。鼓風機低頻運行時，風量由給定的信號控制。該信號與風量傳感器的反饋信號同時進入PLC的A/D模塊，經過CPU的比較調節后，輸出信號由D/A模塊送至變頻器的頻率設定接口，調節變頻器的輸出頻率，從而改變彭風機的轉速；（3）鼓風機的低頻故障轉換。PLC在鼓風機的低頻運行中自動檢測變頻器的運行情況，當變頻器出現故障時自動切除低頻工程，使得鼓風機轉入工頻運行；（4）電動機的過流保護。電動機的變送器將主回路的電路電流信號轉換后送入CPU的內部功能存貯器，CPU在每個掃描周期，將該數據與內部電流的設定數值進行比較，若超過設定的數值立即進行保護；（5）風門行程的精確控制。PLC開閉風機風門時，安裝在風門絞車主軸上的軸編碼器將風門行程轉換為數據信號，送至高速記數模塊，待其譯為BCD碼后存入內部存儲器，CPU在每個掃描周期將BCD數據與行程的設定數值進行比較，若超出設定數值立即停車。
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1 國外的研究現狀
歷史上旨在減少室外空氣污染的努力可以追溯到14世紀，以當時英國倫敦的煙霧法為代表。現代空氣污染問題的研究源于1952年的倫敦煙霧事件，經過50多年的研究，人們對空氣污染的成因、影響因素和代表性危害都有了全面地認識。同時，控制空氣污染的方法或措施也不斷完善，并形成了與室外空氣污染控制相關的產業。
室內空氣質量問題可以追溯到遠古時代，以原始人類將火種引入洞穴，引起洞穴煙塵污染為標志。采用科學的辦法對待室內空氣問題的歷史至少可以追溯到20世紀上半葉，1939年美國成立了工業衛生協會（AIHA），這標志著生產環境對人體健康的影響已受到社會關注。對非生產場所，如住宅、辦公室、會議室、教室、醫院、旅館、圖書館、候車（機、船）廳等室內空氣的關注始于20世紀60年代的北歐和北美，正是在那個時期提出了室內空氣質量（IAQ）的概念。當時，促使人們關注室內空氣質量問題的原因主要有兩個：一是隨著環境保護工作的開展和環境科學的發展，人們的環境意識不斷加強；二是空調開始普及，為了節省能源，建筑物密閉程度不斷提高，門窗開啟時間越來越短。同時各種化學制品也開始涌入室內，導致室內化學污染物濃度提高，于是長期在室內滯留的人群常常感到不適。正是那時逐漸出現了“病態建筑綜合癥（SBS）”和“軍團病”等新問題和概念。人們逐漸發現室內空氣污染與哮喘和肺癌等疾病的發病率的上升有著密切關系，并注意室內環境質量不一定比室外好，甚至比室外更糟。
圍繞室內空氣質量的工程研究最初主要著眼于室內與室外空氣質量的關系，以及室內空氣污染物對人體健康的影響。1965年，荷蘭學者Biersteker等進行了世界上第一個工程的、大規模的室內與室外空氣質量的關系。他們以鹿特丹60個住戶為對象，測定了室內、外SO2和煙塵的關系，獲得了空氣污染事件期間的室內環境相對安全性、抽煙對于室內氣溶膠生成、室內SO2衰減與建筑物新舊程度的關系等重要信息。這一研究表明室內與室外空氣質量存在顯著的差異，并且揭示室內空氣質量對人體健康的影響可能超過室外。隨后，關于室內與室外空氣質量關系的研究一直未停止過，而且涉及面越來越寬。通過這些研究，人們對各種條件下，不同污染物的室內與室外關系有了全面的認識，并建立了一系列室內與室外空氣質量關系的模型。
20世紀60年代開始關于室內空氣污染健康效應的研究主要集中在各種人類活動引起的呼吸性健康疾病。同一時期，國外大規模出現裝修熱。北歐、美國和其他國家先后開始大量使用甲醛制品，如用脲醛樹脂和酚醛樹脂作原料制成膠粘劑、墻縫填充劑和多種人造板材等。其中，脲甲醛泡沫樹脂隔熱材料在那個時期曾被大量用于構建房屋，特別是移動住房。于是，大量甲醛釋放到室內，很多居住者出現了急性刺激和急性中毒癥狀，甚至引起中毒性肝炎或是過敏性紫癜。這些問題在當時的社會上引起了很大的震動。于是，工業衛生、環境保護、化學化工和建筑裝潢等專業的工作人員圍繞著甲醛污染問題，相繼開展了環境監測、流行病學調查、臨床觀察、毒理實驗、工藝改革及相應的實際工作和科學研究。
20世紀80年代美國EPA的總暴露量評價方法學研究(TEAM)提供了一個全面評價室內和室外暴露對人體總暴露貢獻的模型。這個研究得到了一個令人吃驚的結論：對于揮發性有機化合物來說，通常情況下，室內污染源對人體總暴露的貢獻遠遠高于室外工業污染源。
隨著對于室內空氣污染問題認識的不斷深化，室內環境作為衛生和環境科學的重要組成部分越來越受到重視。一批專門從事室內環境檢測、宣傳教育、學術研究和學術交流、咨詢和評估的機構開始形成。如美國工業衛生協會（AIHA）專門設立了室內環境質量(IEQ)委員會。“國際室內空氣質量與氣候協會(ISIAQ)”、“美國綠色建筑委員會(USGBC)”和“室內空氣質量協會(IAQA)”也于1992年、1993年和1995年相繼創立。就連北大西洋公約組織(NATO)這樣的軍事合作組織也在她的科學與環境事務局所屬的高級研究中心開展“室內空氣質量(IAQ)科學”的研究和教育培訓計劃，每年都要在締約國開展室內環境方面的培訓工作。
與此同時，室內空氣質量的管理機構也開始在發達國家和地區形成，如美國環保局于1988年在其空氣與輻射司下設立室內空氣質量(IAQ)程序辦公室，1995年又與較早設立的氡分部合并成立了室內環境處，并附設了兩個與室內環境相關的國家實驗室，在相關部門設立了室內環境的監管、執法機構。如今，美國的學校里都設有室內環境協調員，管理和督導室內環境質量的監測和控制。法國政府也于1999年底成立了國家室內空氣監測站，并從2001年開始，每年在全國選擇1000個監測點，對典型室內場所的氡、鉛、霉菌、過敏源、VOCs、人造礦物纖維、殺蟲劑及煙草煙霧等10多種有害物質進行檢測，并向公眾通報檢測結果。我國的香港特別行政區也于1998年在其環境署內設立了室內環境主管部門，并于1999年公布了樓宇的IAQ指南。在室內環境管理機構的指導下，室內環境立法也開始進行，到目前為止，歐美各發達國家，亞洲的日本、韓國和我國香港地區，以及世界衛生組織已建立比較完善的室內環境法規。
2 國內研究的現狀
我國最初大規模出現室內空氣污染是在20世紀80年代。為了改善城鎮居民居住條件，各地大規模建造單元式居民樓，裝空調的人數也為數不少。在居住條件大幅度改善的同時，室內空氣品質卻不斷惡化。
較之國外，我國研究室內空氣品質起步較晚，我國從事住宅室內空氣污染的研究始于70年代，當時主要是中國預防醫學科學院鈕式如研究員的研究室，出發點是研究室內通風，并針對二氧化碳等室內空氣污染物。到1980年，中國預防醫學科學院何興舟研究員所領導的環境流行病研究室開始了云南宣威地區農村室內燃料燃燒與癌癥并發率關系的研究，這是我國較早的室內空氣污染與健康關系的研究。同年，武漢市衛生防疫站的楊旭醫師在城區開展了室內空氣污染的研究工作。1984年，在全國防疫站工程開展了大量的室內空氣污染調查工作。最為突出的是1988-1990年間中國預防醫學科學院秦鈺慧研究員所領導的中國五城市室內空氣污染與健康關系的調查研究，研究歷時兩年，空氣污染物包括IP，二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等等；人群包括小學生、中學生、社會居民；健康指標包括：肺功能、碳氧血紅蛋白等，文章多次在國際會議上發表，特別是在芬蘭赫爾辛基大會（IndoorAir’93）時作過報告，是那次千人大會上的重要發言。至此，我國的室內空氣污染研究還是集中在燃料上。
到了90年代，隨著人們生活水平的提高，引起居室室內空氣污染最主要的原因是由于不良裝修，即在裝修過程中使用了大量有害物質如甲醛、揮發性有機物等一些裝飾材料。而傳統的室內污染物，如SO2、CO、CO2、NOx等由于抽油煙機的廣泛采用和燃料結構的變化，對室內空氣的污染程度已大大降低。1993年楊旭副主任醫師首先開始了建筑物裝飾材料的污染研究。1995年秦鈺慧研究員組織“室內化學品與健康關系的研究”，室內空氣質量和裝飾建材研究是其重要的方面。以此著手制定我國室內空氣標準。此后中國預防醫學科學院數次舉辦過關于室內空氣質量研討會。國家環境保護總局于2000年8-9月召開“室內空氣質量相關法規及污染控制技術培訓班”，2001年5月，中國科學技術協會過程學會聯合會舉辦了“全國室內環境質量研討會”。
目前國內室內空氣污染研究最主要的包括兩個方面。一是制訂全面科學的室內空氣質量標準。由于我國室內空氣污染問題只是近十幾年才出現，人們強烈意識到室內空氣污染的問題并引起全社會廣泛的關注才剛剛是近幾年的事。國家還沒有制定全面的法律、法規。我國參與室內空氣污染問題管理的政府機構包括衛生部、國家質量監督檢驗檢疫總局、建材局和建設部，國家環保總局雖然沒有具體參與室內空氣質量的管理工作，但確切地說早在1994年就參與了相關工作。我國標準的制定缺乏基礎研究的支持，標準的制定，尤其是室內空氣質量標準的制定，直接關系到人體健康，需要毒理學試驗結果作依據，并且要進行衛生學的分析和評價，這樣的工作不是一個檢測機構就能夠完成的。二是污染源控制，這是我國目前室內空氣污染研究的一個熱點問題。消除污染根本方法是消滅污染源，如對能產生甲醛的脲醛泡沫塑料和產生石棉粉塵的石棉等建筑材料停止使用等措施無疑是有效的，但這必須有相應的法規來保證。一方面，用通過立法在生產過程中盡量控制這些建筑材料的污染物含量，使得有害物質含量低的產品進入市場；另一方面，需要對室內究竟有哪些污染源、這些污染源可能產生什么樣的污染物以及這些污染物的釋放特征進行研究，這樣就可以在裝修過程中對有可能造成室內空氣污染的污染源進行控制。污染源的研究以人工環境氣(testingchamber)的模擬研究為主要手段，通過考察一些環境因子，如溫度、濕度、空氣更新速率等對污染物濃度分布的影響，模擬釋放過程，建立數學模型及評價工程。擴散模型是最常用的方法，目前已將污染物在材料內部的擴散過程及在表層的解析過程結合起來。國內利用人工環境氣候箱對板材中的甲醛，油漆、涂料中的可揮發性有機物的釋放特征已經進行了比較廣泛的研究，但這些還遠遠不夠。
近年來，兗州礦業（集團）公司楊村煤礦和山東省煤炭科學研究所，將可編程序控制器成功地應用于該礦南、北風井主鼓風機的自動化變頻工程。其與國內使用單片機、工控機進行改造的類似項目相比更見可靠性和參數變更的靈活性。
此項成果的主要功能如下：（1）工程的自動化控制。PLC接到運行指令后，立即判斷運行的機號和運行方式。若為低頻方式則驅動低頻接觸器吸合，延時0.4s發出變頻器運行指令，電動機啟動至設定的頻率，風門絞車開啟鼓風機的進風門，前導器執行機構打開鼓風機的前導器，使得鼓風機進入工作狀態。若為工頻方式則控制鼓風機降壓啟動，當啟動電流下降至設定數值時停掉降壓啟動接觸器，并且吸合運行主接觸器，鼓風機轉入全速運行，30s后風門及前導器自動打開；（2）風量的閉環控制。鼓風機低頻運行時，風量由給定的信號控制。該信號與風量傳感器的反饋信號同時進入PLC的A/D模塊，經過CPU的比較調節后，輸出信號由D/A模塊送至變頻器的頻率設定接口，調節變頻器的輸出頻率，從而改變彭風機的轉速；（3）鼓風機的低頻故障轉換。PLC在鼓風機的低頻運行中自動檢測變頻器的運行情況，當變頻器出現故障時自動切除低頻工程，使得鼓風機轉入工頻運行；（4）電動機的過流保護。電動機的變送器將主回路的電路電流信號轉換后送入CPU的內部功能存貯器，CPU在每個掃描周期，將該數據與內部電流的設定數值進行比較，若超過設定的數值立即進行保護；（5）風門行程的精確控制。PLC開閉風機風門時，安裝在風門絞車主軸上的軸編碼器將風門行程轉換為數據信號，送至高速記數模塊，待其譯為BCD碼后存入內部存儲器，CPU在每個掃描周期將BCD數據與行程的設定數值進行比較，若超出設定數值立即停車。
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