PM2.5 排放质量更少，颗粒更小：民用原木炉自动强制进风的权衡

《Atmospheric Environment》：Less Mass of PM 2.5 Emissions, Smaller Particles: The Trade-Off of Automated Forced Air Injection in a Residential Cordwood Stove

　　

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  在启动、高功率和低功率条件下，对原柴燃烧器分别进行了自然通风和强制通风测试。
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  强制空气喷射使PM2.5排放质量总体减少了85%。
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  黑碳排放因子总体降低了49%。
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  湍流射流的使用使几何平均直径从77纳米转移至48纳米。

引言

木材燃烧仍然是欧盟（EU）和美国（US）供暖方面重要且可靠的能源来源。在欧盟，以木材为主的固体生物质约占最终总能耗的7.5%和所有可再生能源的44%，其中78%用于供暖和制冷（Brack等，2020）。在美国，2023年木材和木材废弃物约占年度总能耗的2.1%，1100万户家庭（8.9%）使用木材作为能源，其中220万户将其作为主要供暖来源（EIA，2024）。这种广泛使用带来了重大环境和健康影响，因为木材燃烧会导致有害物质如颗粒物（PM）、多环芳烃（PAH）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、黑碳和其他有毒空气污染物的形成（美国EPA，2023）。

在这些污染物中，细颗粒物（PM_2.5，空气动力学直径≤2.5微米）是对人体健康危害最大的之一。全球范围内，2023年PM_2.5暴露与约490万人死亡相关，包括心血管疾病、慢性阻塞性肺病、痴呆症、肺癌和糖尿病等（Health Effects Institute，2025）。在美国，住宅木材燃烧是仅次于野火和计划烧除以及农业扬尘的PM_2.5排放第四大来源，约占全国总量的8%（EPA，2023），低收入农村家庭暴露比例更高（Semmens等，2015）。住宅木材燃烧对冬季PM_2.5浓度的贡献约为22%，并与美国每年估计约8600例过早死亡相关（Shlipak等，2026）。

另一种需要关注的污染物是超细颗粒物（UFPs，直径<0.1微米），由于其尺寸微小，可深入穿透呼吸道，到达内脏器官和血液（Calderón-Garcidue?as & Ayala，2022；Oberd?rster，2000；Ohlwein等，2019；Schraufnagel，2020）。其高比表面积使其能够携带高浓度有毒化合物，其健康影响可能包括全身性炎症、心血管疾病、糖尿病、癌症以及基于新兴证据的神经退行性疾病（Breitner-Busch等，2025；Corsini等，2019；Kwon等，2020；Schraufnagel，2020；Zhu等，2025）。一项使用金纳米粒子的人类暴露研究表明，UFPs可在体内持续至少三个月，提示其具有蓄积和长期效应的潜在可能性（Miller等，2017）。

最后，黑碳（BC）是另一个气候关注的问题。BC来源于不完全燃烧，初级烟炱通过高温热解形成，随后在累积模式下聚集成团，是仅次于CO₂的全球第二大重要环境影响因素，全球25%的BC排放归因于住宅生物质燃烧（Bond等，2013；V. Ramanathan & Carmichael，2008）。BC的大气寿命约为一周，通过吸收太阳辐射使大气升温，并通过使冰面变暗加速冰川融化（V. Ramanathan & Carmichael，2008）。

针对广泛的健康和环境效应，已对住宅木材供暖设备建立了新的监管阈值。美国EPA新源性能标准（NSPS）第二步标准要求原柴排放限制为2.5克/小时（US EPA，2022）；2022年欧盟生态设计指令将PM_2.5限制为干燃料的5克/千克（欧洲议会，2017）；德国蓝天使认证要求PM_2.5≤15毫克/立方米（Blue Angel，2025）。尽管取得了这些进展，仍存在差距：实际排放经常超过认证值，这是由于实验室与现场条件的差异所致（Bentson等，2025；Reichert等，2018），且UFPs尚未被纳入监管。然而，对UFPs的政策关注正在显现。蓝天使标准现建议最大颗粒计数为3×10⁶颗粒/立方厘米 < 0.1微米，欧洲议会建议成员国开始监测UFPs（Blue Angel，2025；欧洲议会，2023）。

已有若干研究测试了燃烧干预措施以减少住宅供暖炉PM_2.5排放并改善燃烧完全性。被动气流改造，包括预热自然一次空气和二次空气、自然通风燃烧室配置中的室外空气引入以及三次空气供应，可减少开放壁炉基线的60-97%排放（Carvalho等，2018；Kuye & Kumar，2025；Martins & Carrilho Da Gra?a，2023）。自动燃烧控制系统进一步减少了排放：烟道气体温度阀控制可减少66%的排放，相对于手动操作（Seljeskog等，2023）；反馈控制的强制空气喷射（FD）算法使PM_2.5减少了50至97%，与同一炉的自然通风（ND）配置相比（Evitt等，审稿中）；气体传感器控制与后燃烧催化剂和静电除尘器的集成抑制了70-90%的排放（Zhang等，2023）。

与PM_2.5相比，燃烧控制干预措施对UFP和BC排放的影响记录得不够系统。对于FD配置，烹饪炉研究表明，虽然FD减少了PM_2.5质量，但其倾向于使颗粒尺寸分布向更小的直径转移，可能增加UFP浓度（Caubel等，2018；Rapp等，2016；Tryner等，2018）。在供暖炉中，Ozgen等（2017）报告了一种自动FD颗粒炉的几何平均直径（GMDs）更小（两种燃料类型为38–75纳米），相比之下手动加料的ND炉为50–99纳米，而Lindberg等（2022）观察到FD木片锅炉的GMD为158–224纳米，原柴水暖炉为80–256纳米，这些范围反映了相当大的阶段依赖性变异性。BC已通过现代设备架构有效缓解，开放壁炉为1.7微克/立方米，而新设计为0.5微克/立方米（Kuye & Kumar，2025）。传感器控制炉具与热机械控制装置相比，浓度降低了近一个数量级（Lindberg等，2023）。尽管Trojanowski & Fthenakis（2019）已综述了住宅生物质燃烧的UFP尺寸和浓度数据，且BC排放的报告日益增多，但文献中仍缺乏加热炉中ND与自动控制FD配置之间的直接比较。

本研究比较了住宅供暖炉的自然通风（ND）与配备自动燃烧控制的强制通风（FD）改造之间的PM_2.5、UFP和BC排放，如Evitt等（审稿中）所述。目标是评估自动FD如何影响不同燃烧阶段的颗粒物排放特征，并收集FD条件下UFP生成的数据。通过分析颗粒尺寸分布和浓度以及PM_2.5排放因子，本研究旨在解决加热炉中UFP行为的ND-FD直接比较缺失问题，并提供与未来UFP监管相关的数据。

章节摘要

炉具描述

测试中使用了一台商用炉具：基线（自然通风）和改造型（强制通风空气喷射）。基线为单燃烧率原柴炉，颗粒物排放限值为4.5克/小时，根据美国EPA第一步NSPS认证，这意味着它不符合当前美国EPA第二步NSPS限值。在自然通风模型中，S形流动路径引导一次空气通过并经过门下方，而二次空气则沿着顶部进入

PM_2.5与CO

表2显示了FD和ND条件下所有阶段及总体平均值的排放因子、速率、时间和BC/PM_2.5比率。此外，还展示了每个阶段比较中FD条件的百分比变化及其对应的p值。FD与ND相比有显著降低。排放因子降低了约60至93%，所有阶段的平均值为ND 4.0 ± 1.5克/千克，FD 0.6 ± 0.6克/千克；这些降低在统计上显著

局限性与未来工作

在解释这些结果时应考虑几个局限性。首先，不同配置下燃料的水分含量不同（FD为7%，ND为14%），较高的水分含量与显示较高排放的配置相对应。一些研究表明，水分含量的差异可能会影响排放（Morin等，2022；Price-Allison等，2019）。然而，文献通常报告水分含量需高于16%甚至更高才能观察到增加

结论

本研究量化了一台住宅原柴炉在两种气流配置（ND和FD）下、配备自动空气喷射，在点火、高功率和低功率阶段排放的PM_2.5、UFPs和BC。FD自动操作减少了所有运行阶段的PM_2.5排放因子，从ND的4.0 ± 1.5克/千克降至FD的0.6 ± 0.6克/千克，降幅为85%。总体PM_2.5排放速率从ND的11.3 ± 4.2克/小时降至FD的2.0 ± 2.1克/小时，远低于美国EPA

CRediT作者贡献声明

Nordica MacCarty：撰写——审阅与编辑，监督，资源，方法论，经费获取。Pedro Yupanki De La Cruz Alta：撰写——初稿，可视化，调查，形式分析，数据整理，概念化

未引用参考文献

委员会法规，2017；Evitt等；国际标准化组织，2018。

利益冲突声明

? 作者声明他们不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢Aprovecho研究中心提供的原型制作和实验支持，以及Prabin Shrestha、Sakib Shondhi、Nathan Bolden、Travis Volpe、Jaden Berger、Sam Bentson、David Evitt、Elsa Wirth和Benjamin Lewis在研究过程中的帮助。此外，作者感谢Fulbright项目、俄勒冈州立大学机械、工业与制造工程学院（MIME）以及工程学院（COE）对Yupanki de la的支持

Yupanki de la Cruz A|Nordica MacCarty