林官明 ,任陣海 ,宋建立 (1.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京100871；.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 10001；.石家莊奧祥醫(yī)藥工程有限公司,河北 石家莊 05001)

大多數(shù)人將近 90%的時(shí)間是在室內(nèi)[1],從人體污染物暴露的劑量上看,室內(nèi)污染對人體健康的影響更為嚴(yán)重,因此,考察室內(nèi)污染物的源與匯及遷移轉(zhuǎn)化顯得尤為重要.

室內(nèi)空氣質(zhì)量與污染物來源直接相關(guān).室外污染物通過門窗,墻的間隙以及通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口等進(jìn)入室內(nèi),而室內(nèi)源則在室內(nèi)直接進(jìn)入空氣.目前,細(xì)粒子(PM2.5)成為危害健康的主要大氣污染物[2-3].自然通風(fēng)條件下,室內(nèi)細(xì)粒子的濃度與室外 PM2.5濃度直接正相關(guān)[4].室內(nèi)建筑或設(shè)施,人員的活動或生產(chǎn)也會產(chǎn)生 PM2.5.比如,吸煙、烹飪、供暖過程等都可導(dǎo)致室內(nèi)顆粒物濃度在短時(shí)間內(nèi)提高幾倍甚至幾十倍[5].人員活動、打掃、洗澡等活動也會引起顆粒物的再懸浮[6].對于粒徑2～10μm 的顆粒物,約有 57%～80%的份額來自室內(nèi)活動[7].

當(dāng)前室外 PM2.5濃度居高不下[16-20],室內(nèi)也產(chǎn)生相應(yīng) PM2.5污染[21],如何利用通風(fēng)系統(tǒng)保障室內(nèi)空氣的清潔,尤其是如何有效地清除室內(nèi)空氣中的 PM2.5,是人們?nèi)找骊P(guān)注的問題.穩(wěn)態(tài)置換流式通風(fēng)系統(tǒng)是一套高效的室內(nèi)顆粒物凈化裝置[8].本研究通過理論、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗(yàn)三種方法定性和定量地分析了室內(nèi)顆粒物凈化機(jī)制,且提出了考慮暴露劑量的凈化效率概念.

1 研究方法

1.1 室內(nèi)顆粒物污染的特點(diǎn)

由于空間上的特殊性,室內(nèi)顆粒物與空氣的相互作用截然不同于室外.室內(nèi)空間相對密封狹小,顆粒物只在有限的空間內(nèi)(1～10m)遷移擴(kuò)散,多與固壁接觸,被吸附或沉降在地板、墻體、頂板、家具及人體等表面.

顆粒物與空氣相對速度低,自然通風(fēng)條件下,室內(nèi)氣流的平均速度經(jīng)常低于常規(guī)測速儀器的測量下限(0.1m/s).

熱對流作用對顆粒物運(yùn)動影響顯著.室內(nèi)空氣往往有顯著的溫度梯度,實(shí)測表明,自然通風(fēng)情況下天花板與地板的溫差也有 2℃[9].即使不在供暖季,天花板附近的溫度也比地板附近的溫度高,加上室內(nèi)人員、辦公電器等熱源的影響,室內(nèi)熱對流導(dǎo)致的氣體運(yùn)動是主要的氣流運(yùn)動形式.

地表及壁面吸附的顆粒物再懸浮影響大.室內(nèi)顆粒物的再懸浮來自地板、家具、墻體及頂板.因?yàn)榧s束在室內(nèi),再懸浮會導(dǎo)致重復(fù)污染.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,人的活動引起的再懸浮會導(dǎo)致 PM10的濃度平均升高2.5倍,峰值濃度升高4.5倍[10].

顆粒物去除因素少.去除因素只有清掃清潔,或者有通風(fēng)裝置的吸附過濾.

1.2 顆粒物通量分析

對于室內(nèi)空氣凈化的流動,比較理想的方式是形成均勻單一方向的層流,比如在某面墻上均勻設(shè)置進(jìn)風(fēng)孔,在對面的墻上也設(shè)置均勻的排風(fēng)孔,含污染物的空氣在均勻壓力場的作用下穩(wěn)定地被新風(fēng)置換.這種布局在生活及從事生產(chǎn)的室內(nèi)空間是不現(xiàn)實(shí)的.

室內(nèi)空間的流動極其復(fù)雜[11].由于速度較低的固壁邊界上都存在轉(zhuǎn)捩行為,室內(nèi)物體周圍普遍存在分離現(xiàn)象,使得氣流的脈動速度往往高于平動速度.這種情況下,假設(shè)室內(nèi)空間某點(diǎn)的顆粒物的行為滿足 Markov過程是合理的,即在目前運(yùn)動狀態(tài)的條件下,它未來的運(yùn)動狀態(tài)不依賴于以往的演變過程.如果所定義的通量矢量在數(shù)值上一致較大(比如為正),則排出室外的通量就大.顯然,漩渦的存在不利于顆粒物更快地遷移到排風(fēng)口,較強(qiáng)的湍流擴(kuò)散及分子擴(kuò)散增加了顆粒物向各個方向運(yùn)動的可能性,從而削弱了凈化裝置所期望的指向正向的運(yùn)動.

大氣湍流的Kolmogorov湍流微尺度定義為η=(v3/ε)1/4,其中 v 為粘性系數(shù),ε為湍流耗散率.空氣的湍流微尺度大概在 η=1mm[12].邊界層的粘性次層的厚度定義為v/uf,其中uf為摩擦速度.以大氣流動中常見的摩擦速度 0.1m/s量級估計(jì),粘性次層的幾何尺度在 0.1mm.考慮到熱線風(fēng)速儀使用的熱絲直徑在 3～5μm,空氣流體微元的幾何尺寸應(yīng)在空氣分子自由程λ量級到熱絲直徑量級之間,即 0.1～3μm.相應(yīng)地,對于表征空氣中某顆粒物的物理量,可劃分為 3個幾何特征區(qū)間：小于 1μm的,以分子運(yùn)動特征量論述,稱為λ尺度;1mm量級的,以湍流脈動特征量論述,稱為η尺度;1m量級的,以平均運(yùn)動特征量論述,稱為δ尺度.

顆粒物在空間中的通量Ji定義為

式中：c為顆粒物的濃度,upi為顆粒物運(yùn)動速度,S為顆粒物通過的面積,T為平均時(shí)間.這里采用張量表示法,定義的通量具有方向性.

顆粒物與氣流之間存在滑移,即

式中：uai與Vi分別為氣流速度和滑移速度.對 uai與Vi進(jìn)行三個空間尺度的分解,

假設(shè)A：在λ尺度范圍,η尺度的物理量為常量,同樣,在η尺度,δ尺度的物理量為常量.

這樣,有以下對通量的系綜平均過程

在假設(shè)A下,

重寫(5),得

式(7)的物理含義是顆粒物的通量被分為平均運(yùn)動、湍流脈動以及分子運(yùn)動幾部分.

式中：m為顆粒物質(zhì)量,F0為空氣分子的隨機(jī)碰撞導(dǎo)致的力,為顆粒物與空氣分子之間的相對速度, r為顆粒物的半徑, μ為空氣的粘性系數(shù),這里用到斯托克斯阻力公式.

式中：τp=2ρpr2/9μ稱為弛豫時(shí)間.對1μm 左右粒徑,密度為 1.5×103kg/m3的顆粒物,τp在 10-6s量級.接著對式(10)進(jìn)行系綜平均,在 δ尺度下.這樣,有

式(11)中為下標(biāo)未使用愛因斯坦求和表示法,該式與用類比的方法獲得的公式相同[13].與顆粒物的速度相比,滑移速度非常小,只有當(dāng)顆粒物足夠大的情形下才變得重要.

在δ尺度,再次用斯托克斯阻力公式

或

方程兩側(cè)乘以c′,且進(jìn)行系綜平均

作為近似此處取 Δt=τL,即流體的拉格朗日時(shí)間積分尺度,相當(dāng)于體現(xiàn)在系綜平均過程中.

這樣,

同理,得到

Ki為湍流擴(kuò)散系數(shù),且該式不求和,DB為布朗擴(kuò)散系數(shù).

重寫式(7),得到通量表達(dá)式[14]：式中：等號右端第1項(xiàng)為平流輸送項(xiàng),顯然,沿目標(biāo)方向顆粒物平均速度越大,則通量越大;第2項(xiàng)為滑移平均速度項(xiàng),顆粒物脈動速度方差沿目標(biāo)方向的梯度越小則通量越大,提示顆粒物最好以脈動速度漸弱的方式靠近匯;第3項(xiàng)為湍流擴(kuò)散項(xiàng),由于一般顆粒物濃度在指向匯的方向上增加,梯度為正,則湍流擴(kuò)散系數(shù)越小,或者湍流越弱,則通量越大;最后一項(xiàng)為布朗運(yùn)動擴(kuò)散項(xiàng),與湍流擴(kuò)散項(xiàng)相同,布朗運(yùn)動越弱或通量越大.

1.3 穩(wěn)態(tài)置換流凈化機(jī)制

1.3.1 進(jìn)排風(fēng)口的選擇方法 設(shè)想一個L(長)×W(寬)×H(高)的長方體房間,不失一般性,設(shè)L≥W＞H.通風(fēng)凈化裝置只能安裝在墻體、地板和天花板上.考慮到不影響人員在地板上的活動,顆粒物本身有重力沉降,合理的排風(fēng)口一般位于墻體下部,進(jìn)風(fēng)口則位于墻體上部或頂板.有些傳統(tǒng)的通風(fēng)裝置把進(jìn)排風(fēng)口統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)在天花板,其缺點(diǎn)是顯而易見的：易形成短路,靠近地板的空間換氣不足,死區(qū)占比高,顆粒物運(yùn)動過程中存在方向的改變,這意味著驅(qū)動室內(nèi)流動的能量的損耗.穩(wěn)態(tài)置換流采用最大過風(fēng)空間策略,即對邊線狀布置進(jìn)排風(fēng)口,以盡可能減少室內(nèi)空間的死區(qū).

若只設(shè)一排下排風(fēng)口,定義房間中空間點(diǎn)離開該邊的最遠(yuǎn)距離為dmax,顯然,選擇長邊的dmax數(shù)值上比選擇短邊的數(shù)值要大.因此,同樣條件下,比如流速相同,排風(fēng)口選擇長邊能夠使顆粒物更快地到達(dá)排風(fēng)口.

設(shè)置 2個長邊排風(fēng)口是有缺陷的.設(shè)想同時(shí)在兩個長邊設(shè)置了下排風(fēng)口,根據(jù)對稱性,進(jìn)風(fēng)口在頂板正中,那么就存在一個理想的對稱面.位于對稱面的某顆粒物向兩側(cè)長邊運(yùn)動的可能性是隨機(jī)的,或者說該對稱面氣流理想上是靜止的.因此,多排風(fēng)口會使得房間內(nèi)氣流流動具有更大的不確定性,應(yīng)當(dāng)盡可能避免.

不失一般性,假設(shè)在某側(cè)長邊上的排風(fēng)口均勻布置,那么根據(jù)對稱性,進(jìn)風(fēng)口的合理位置就是對面的長邊.因?yàn)榉旁谕瑐?cè)顯然不利于新風(fēng)對房間空間的清掃,放在臨側(cè)同樣會顧此失彼.這樣,我們得到簡化的穩(wěn)態(tài)置換流凈化通風(fēng)模型：上進(jìn)風(fēng)口位于某側(cè)長邊,下排風(fēng)口位于對面長邊.

設(shè)置進(jìn)風(fēng)裝置的房間一般是正壓,即房間內(nèi)壓力較室外大氣壓高,而只采用排風(fēng)裝置的房間則是負(fù)壓,即房間內(nèi)壓力較大氣壓低.一般家庭的廚房通風(fēng)即采用的是負(fù)壓方式,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,室外大氣會通過門窗進(jìn)入室內(nèi).如果室外空氣質(zhì)量較差,顆粒物濃度較高,那么負(fù)壓下會不斷吸入臟空氣而不利于保持房間的清潔.沒有顆粒物源的房間凈化的想象圖是這樣的：污染團(tuán)在受約束的空間緩慢移動并擴(kuò)散,最終遷移出去.

1.3.2 凈化效率 綜合考慮室內(nèi)空氣凈化效果時(shí),有4個變量需要考慮：房間體積大小Ω,新風(fēng)通風(fēng)量I,室內(nèi)源強(qiáng)度Q以及室內(nèi)顆粒物濃度c.凈化效率為：

式中：E0為沒有凈化裝置也沒有通風(fēng)的室內(nèi)顆粒物暴露量;E為有凈化裝置或有通風(fēng)的室內(nèi)顆粒物暴露量;c0為室內(nèi)初始濃度;T為凈化裝置運(yùn)行后達(dá)到凈化標(biāo)準(zhǔn)濃度的時(shí)間.

式(21)的物理解釋是時(shí)間T內(nèi),房間體積與總新風(fēng)量的劑量暴露加權(quán)比值.時(shí)間越長,則暴露劑量越大,相應(yīng)的凈化效率就越低.不考慮劑量加權(quán)時(shí),凈化效率η0=Ω/(TI),其倒數(shù)TI/Ω即常規(guī)通風(fēng)設(shè)計(jì)中的換氣次數(shù)[15].

室內(nèi)空氣凈化不適宜采用高流速的方式,除了舒適性考慮之外,一方面是因?yàn)槟芎呐c速度的三次方成正比,另一方面較高的速度意味著湍流的加強(qiáng),不利于通量的提高.

2 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)

2.1 二維流場

采用穩(wěn)態(tài)置換流裝置布局,考慮一個二維的簡化流場,對應(yīng)于現(xiàn)場一個長 7.0m,寬 6.6m,高3.0m的房間.現(xiàn)場測量平均流場結(jié)果如圖1,模式計(jì)算如圖2,圖3.

圖1 現(xiàn)場測量的平均速度場Fig.1 The measured mean speed contour

圖2 穩(wěn)態(tài)置換流流場示意(進(jìn)風(fēng)量1200m3/h)Fig.2 Steady substitution flow

圖3 上進(jìn)風(fēng)上排風(fēng)流場示意Fig.3 Indoor flow with air ceiling inlet and outlet

氣流自左上角輻流方式進(jìn)入室內(nèi),自右下角被過濾并回風(fēng),通風(fēng)量為1200m3/h.使用DISA熱線風(fēng)速儀測量得到的平均風(fēng)速在 0.5cm/s以下,低于一般的風(fēng)速測量儀器的測量下限.流動的數(shù)值計(jì)算采用 Fluent軟件k-ε模式,未考慮門窗的影響,其結(jié)果可以與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對照參考.對k-ε模式用于室內(nèi)流場計(jì)算,Miao[11]進(jìn)行了較詳細(xì)的綜述,認(rèn)為該模式可以較好地進(jìn)行模擬.

比較圖2和圖3可發(fā)現(xiàn),相同進(jìn)風(fēng)量的情況下,穩(wěn)態(tài)置換流降低了漩渦區(qū)面積,活動區(qū)氣流速度顯著降低,整體氣流單向性好.

2.3 現(xiàn)場實(shí)測

圖4 北京某幼兒園活動室Fig.4 The setup of the steady substitution flow in a nursery school in Beijing

圖5 實(shí)測數(shù)濃度隨時(shí)間變化Fig.5 Variation of the measured number concentration

為考察不同流場狀態(tài)凈化效率的不同,在北京某幼兒園2個活動室(圖4)使用Y09-310型激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行了濃度隨時(shí)間變化的測量.圖5為2個房間中心位置的實(shí)測顆粒物數(shù)濃度(只統(tǒng)計(jì) 1～3μm 的粒子數(shù))隨時(shí)間的變化,可以看出,系統(tǒng)運(yùn)行幾分鐘后濃度隨時(shí)間的變化近似指數(shù)分布,擬合后代入式(21)進(jìn)行計(jì)算,得凈化效率.在無顆粒物源的情形下,右側(cè)房間的凈化效率比左側(cè)的要高.不采用劑量加權(quán)的凈化效率η0明顯比η偏大,如右側(cè)房間的η0為41.7%,而相應(yīng)的η為 25.7%.其原因在于,右側(cè)房間有兩個進(jìn)風(fēng)口,共同作用下在進(jìn)風(fēng)口之間存在混合區(qū),加大了湍流擴(kuò)散,削弱了氣流的單方向性.

3 結(jié)論

3.1 用時(shí)間空間尺度分析方法得到顆粒物通量穩(wěn)態(tài)置換流通過以下原則提高凈化效率：弱正壓原則.從源頭控制,用于阻滯室外污染空氣進(jìn)入;最短路徑原則.充分考慮重力沉降,滿足最大掃過室內(nèi)空間的同時(shí),盡可能縮短氣流在室內(nèi)經(jīng)過的路徑;穩(wěn)定低速原則.盡可能降低氣流阻滯帶來的能量消耗;弱化湍流擴(kuò)散原則.盡可能減少形成渦旋的條件,讓污染物沒有充分?jǐn)U散就抵達(dá)排風(fēng)口.

3.2 從實(shí)測數(shù)據(jù)看,凈化裝置運(yùn)行情況下,顆粒物數(shù)濃度隨時(shí)間指數(shù)衰減.將不同通風(fēng)凈化裝置產(chǎn)生的死區(qū)納入考慮,采用暴露劑量加權(quán)的凈化效率做凈化指標(biāo)更合理.

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