李志永潘菂李志遠張帆

1北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2北京市建筑設(shè)計研究院有限公司

3湖南大學(xué)土木工程學(xué)院

1 問題的提出

室內(nèi)空氣可吸入顆粒物對人體健康有重要影響，而室內(nèi)空氣所受室外源細顆粒物的污染主要是通過門窗或墻縫等縫隙來滲透進入室內(nèi)[1]。根據(jù)美國環(huán)境保護署的一項研究表明，室內(nèi)大約有75%的PM2.5來自室外污染空氣的影響[2]。因此，對細顆粒污染物通過縫隙擴散進入室內(nèi)的規(guī)律進行研究具有重要的意義。

可吸入顆粒物通過圍護結(jié)構(gòu)縫隙的穿透特性主要受顆粒物直徑，氣流速度，縫隙的幾何形狀，尺寸（縫隙高度、縫隙寬度、氣流經(jīng)過長度）和數(shù)量的影響[3-4]。部分學(xué)者對其進行了研究。Thatcher等[5]通過實驗表明，建筑圍護結(jié)構(gòu)對顆粒物的攔截作用可以忽略（穿透因子P近似為1）。當(dāng)房間的換氣次數(shù)較大時顆粒物在室內(nèi)的沉積率也可以忽略不計。Lewis等[6]對不同粒徑顆粒物做了基于環(huán)境艙的實驗研究，發(fā)現(xiàn)不同粒徑顆粒物的穿透因子有較大差異，其波動范圍為0.29～0.97。Lee等[7]對顆粒物通過縫隙的滲透特性進行了實驗研究。實驗證實狹縫擴散主要發(fā)生在粒徑大于0.1%μm的細顆粒物，而通過粗糙表面穿透的I/O值小于光滑表面的I/O值。

雖然以往的研究中已經(jīng)有人采用多種材料來制造狹縫[4]，但還沒有人通過對狹縫內(nèi)側(cè)壁面的粗糙度進行控制來開展相關(guān)研究。為了更深入的研究顆粒物通過縫隙進入室內(nèi)的規(guī)律，本文利用不同粗糙度的砂紙模擬縫隙的粗糙度，并對滲透壓差進行精密控制，研究了壓差、縫隙高度、縫隙粗糙度對不同粒徑顆粒物的影響規(guī)律。該研究可以為污染物滲透及控制的相關(guān)研究提供參考，并可以為提高室內(nèi)空氣品質(zhì)提供設(shè)計依據(jù)。

2 實驗臺設(shè)置

2.1 試驗臺搭建

實驗直接采用霧霾濃度較高的室外空氣（霧霾濃度高于200 μg/m3）為實驗的測試氣體。本次實驗分別采用LD-5C(B)型粉塵儀和CLJ-03A激光塵埃粒子計數(shù)器測量粒子濃度和質(zhì)量濃度。

實驗原理如圖1所示，實驗時氣流由圖中左側(cè)入口段進入，經(jīng)過整流段3整流使氣流流速穩(wěn)定，然后到達前采樣段4。在壓力的作用下，前采樣段里的細顆粒物通過縫隙結(jié)構(gòu)5中的縫隙滲透擴散進入后采樣段6。最后，后采樣段中的細顆粒物在風(fēng)機排風(fēng)的作用下，經(jīng)過過渡段7被排出試驗艙。本文實驗設(shè)計用微壓計來測量縫隙兩側(cè)壓差，精度為0.5Pa。通過風(fēng)機變頻控制縫隙兩側(cè)壓差。實驗條件如表1所示。

圖1 顆粒物縫隙滲透實驗原理圖

表1 實驗條件列表

圖2中間部分為縫隙結(jié)構(gòu)，是由若干垂直疊放于試驗艙內(nèi)的玻璃板組成，玻璃板尺寸為0.20 m（W）×0.15 m（L）×0.004 m（H）。安裝時，在上下兩塊玻璃板之間夾兩根金屬絲使兩板間形成細縫（圖2），這樣前采樣段與后采樣段便由縫隙連通。隨著金屬絲直徑的不同，縫隙高度也相應(yīng)產(chǎn)生變化。實驗裝置中設(shè)計兩條完全相同的縫隙來提高氣流流動和風(fēng)量的穩(wěn)定性。為控制縫隙內(nèi)表面的粗糙度，本實驗采用不同粒度的砂紙貼附在玻璃板的內(nèi)表面的方法來設(shè)置縫隙內(nèi)壁面的粗糙度。

圖2 縫隙結(jié)構(gòu)正面圖

2.2 實驗過程

在實驗前先對玻璃表面進行清洗。砂紙表面也要仔細吹灰除去附著的顆粒。在安裝縫隙結(jié)構(gòu)時，將兩縫隙以外的所有其他縫隙（包括玻璃板與外壁的縫隙以及其他玻璃板和玻璃板間的接觸縫隙）進行密封，以確保裝置兩側(cè)的空氣只能由狹縫通過?！?.5Pa實驗裝置安裝好后，開啟風(fēng)機使縫隙兩側(cè)的實際壓差與實驗所需要的壓差大小相近。開啟實驗儀器并旋轉(zhuǎn)閥門V使前采樣段與測試儀器連通。調(diào)整風(fēng)機使縫隙兩端壓差穩(wěn)定于實驗所需要的壓差。然后用粉塵儀（LD-5C(B)型）測量前采樣段PM2.5濃度ρ1。旋轉(zhuǎn)閥門V使后采樣段與測試儀器連通，同時使前采樣段與儀器斷開。再次調(diào)整縫隙兩端壓差穩(wěn)定于實驗所需要的壓差。壓差穩(wěn)定后用測試儀器測量出口段PM2.5濃度ρ2。記錄ρ2以后，立即旋轉(zhuǎn)閥門V再次測量前采樣段濃度ρ3，然后根據(jù)所測量的結(jié)果計算穿透率P。同時用CLJ-03A激光塵埃粒子計數(shù)器對實驗結(jié)果進行測量，實驗步驟也與前者相同。

雖然實驗已設(shè)置對其它縫隙作密封處理，但也會出現(xiàn)少量的氣體泄漏。實驗中假設(shè)將這部分極小的氣體泄漏對穿透率的影響忽略不計。由于后采樣段直接用風(fēng)機排風(fēng)，所以顆粒物于后采樣段內(nèi)的沉淀也忽略不計。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

實驗中共涉及4個因素（壓差，粒徑，粗糙度和縫隙高度），其中壓差因素中含有5個工況（2Pa、4Pa、6Pa、8Pa、10Pa）。粒徑因素中含有 6 個工況（PM0.3、PM0.5、PM1、PM3、PM5、PM10）。粗糙度因素含有 3 個工況（0 μm、10.3 μm、20.5 μm）?？p隙高度含有 3個工況（0.3mm、0.5mm、1mm）。

由于本文實驗采用間接法測量室外濃度值，進而計算求得顆粒物通過縫隙滲透后的穿透率，單個元素的穿透率可由下式進行計算：

為方便于說明實驗結(jié)果，后文所提到的穿透率P，是指單元內(nèi)所有元素的平均值。

本文中需計算實驗結(jié)果的正負偏差，實驗偏差是指個別測定值與平均值之間的差值。正負偏差值計算可表明實驗元素在單元內(nèi)的密集程度并可輔助分析實驗數(shù)據(jù)的有效性。本文采用一元線性回歸分析數(shù)據(jù)，并采用最小二乘法求出其方程。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 縫隙高度對穿透率的影響

圖3為縫隙內(nèi)表面粗糙度分別為0 μm，10.3 μm及20.5 μm時，在不同縫隙高度的條件下，細顆粒物通過縫隙的穿透率與壓差變化的關(guān)系。圖中數(shù)據(jù)由LD-5C(B)型粉塵儀采集記錄，圖中所示是PM2.5質(zhì)量濃度的穿透比。由圖可知，PM2.5通過不同縫隙的穿透率在0.85至1之間變化。除了粗糙度為20.5 μm的工況，其余工況穿透率隨著壓差的增大而增大，傳統(tǒng)率與壓差呈線性變化。在粗糙度為0 μm時，縫隙高度為1mm時的穿透率最大，縫隙高度為0.3mm時的穿透率次之，縫隙高度為0.5mm時的穿透率最小。在粗糙度為10.3 μm時，縫隙高度為0.5mm時的穿透率最大，縫隙高度為0.3mm時的穿透率次之，縫隙高度為1mm時的穿透率最小。在粗糙度為20.5 μm時，由于相關(guān)系數(shù)較小，沒有明顯的規(guī)律。

圖3 不同縫高下穿透率與壓差關(guān)系

3.2 粒徑對穿透率的影響

圖4為粗糙度為10.3 μm時，不同縫隙高度及不同壓差下顆粒物穿透率與粒徑的關(guān)系。其中穿透率是按著顆粒物數(shù)量計算得出的。由圖可知，大部分情況下，隨著顆粒物粒徑的增大，穿透率減小。但各別工況出現(xiàn)了隨著顆粒物粒徑增大穿透率變化并不單調(diào)的情況，如縫高為1mm時壓差為4Pa的工況。粒徑在PM0.3至PM1之間時，穿透率P一般在0.9至1之間變化。粒徑大于PM1，穿透率主要在0.75至0.9之間變化。在不同壓差下，穿透率隨粒徑變化曲線的降低幅度也有不同。一般，當(dāng)壓差較小時穿透率的下降幅度較大，反之較小。但在粗糙度為10.3 μm，縫高為0.3mm時，10Pa壓差的工況穿透率下降幅度最大。

圖4 不同壓差下穿透率與粒徑的關(guān)系

3.3 粗糙度對穿透率的影響

本小結(jié)的穿透率是按著顆粒物數(shù)量計算得出的。在圖中，數(shù)據(jù)點的上下兩側(cè)配以偏差線來直觀地反應(yīng)實驗數(shù)據(jù)的波動情況。為較好地體現(xiàn)數(shù)據(jù)波動情況，圖中只展示PM0.3和PM10的正負偏差線其中PM0.3的偏差線范圍一般較小，比較難以辨認。PM10的偏差線范圍卻一般較大。如圖5所示為顆粒物在縫隙高度為0.3mm時，不同壓差下顆粒物穿透率與隨粗糙度的關(guān)系。

圖5 不同顆粒穿透率與粗糙度的關(guān)系

由圖可知，在不同壓力工況下，穿透率隨著粗糙度變化并不一樣。壓力為2Pa時，穿透率隨著粗糙度增加而減小。壓力為6Pa時，穿透率隨著粗糙度變化不大。壓力為10Pa時，穿透率隨著粗糙度先變大后變小。另外，在大部分工況下，小粒徑顆粒物的穿透率大于大粒徑顆粒物的穿透率。粗糙度越大，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越大。粗糙度越小，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越小。壓差越大（10Pa工況），不同粒徑顆粒物的穿透率相差越小。壓差越小，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越大。

3.4 縫隙高度對穿透率的影響

本小結(jié)的穿透率是按照顆粒物粒子數(shù)量計算得出的。在圖中，數(shù)據(jù)點的上下兩側(cè)配以偏差線來直觀地反應(yīng)實驗數(shù)據(jù)的波動情況。為較好地體現(xiàn)數(shù)據(jù)波動情況，圖中只展示PM0.3和PM10的正負偏差線。如圖6所示為縫隙內(nèi)表面粗糙度為0%μm時，不同壓差時穿透率與縫隙高度的關(guān)系。

圖6 穿透率與縫隙高度的關(guān)系

由圖可知，在不同壓力工況下，穿透率隨著縫隙高度變化規(guī)律并不一樣。壓差為2Pa時，穿透率隨著縫隙高度增加而減小，基本呈線性變化。壓力為6Pa時，穿透率隨著縫隙高度緩慢增加，增加值變化不大。壓力為10Pa時，穿透率隨著縫隙高度增加大顆粒物（PM5與PM10）先減小后增大，小粒徑顆粒物（PM0.3、PM0.5、PM1、PM3）先增大后減小。另外，在大部分工況下，小粒徑顆粒物的穿透率大于大粒徑顆粒物的穿透率?？p隙高度越大，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越大?？p隙高度越小，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越小。壓差為10Pa時，顆粒物穿透率差別最大。

4 結(jié)論

本文實驗測試了細顆粒物通過縫隙進入室內(nèi)的滲透規(guī)律。實驗研究中考慮了縫隙兩側(cè)壓差，縫隙高度，縫隙內(nèi)表面粗糙度以及顆粒物粒徑四個因素。實驗時采用兩平板間夾金屬絲的辦法來構(gòu)造縫隙，縫隙高度即為金屬絲直徑，其數(shù)值分別為0.3mm，0.5mm和1mm?？p隙內(nèi)表面粗糙度的數(shù)值分別為0 μm，10.3 μm 和 20.5 μm。實驗分別在 2Pa、6Pa、10Pa 等五種壓差下進行。實驗研究表明。

1）顆粒物通過縫隙的穿透率主要受縫隙兩側(cè)壓差和顆粒物自身粒徑的影響，縫隙高度與縫隙粗糙度對穿透率的影響相對較小。

2）壓差與穿透率線性相關(guān)度較高，判定系數(shù)R2一般大于0.7。大部分情況下，隨著顆粒物粒徑的增大，穿透率減小。但個別工況出現(xiàn)了隨著顆粒物粒徑增大穿透率增大的情況。

3）粗糙度增加時，穿透率隨著粗糙度變化并不一樣，具體變化規(guī)律與壓差大小有關(guān)。另外，在大部分工況下，小粒徑顆粒物的穿透率大于大粒徑顆粒物的穿透率。粗糙度越大，不同粒徑顆粒物的穿透率則相差越大。

4）在不同壓力工況下，穿透率隨著縫隙高度變化規(guī)律并不一樣。在有的壓差下，穿透率隨著縫隙高度增加而降低，在有的壓差下，穿透率隨著縫隙高度增加而升高。部分壓差下穿透率隨著縫隙高度增加呈現(xiàn)波動性。

本文通過改變縫隙內(nèi)表面粗糙度等方法研究了縫隙兩側(cè)壓差，縫隙高度，縫隙內(nèi)表面粗糙度以及顆粒物粒徑對滲透率的影響，相關(guān)研究可為污染物滲透及控制的相關(guān)研究提供參考，并可以為提高室內(nèi)空氣品質(zhì)提供設(shè)計依據(jù)。

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