黃 明，李 瓊，孟慶林

（華南理工大學(xué)建筑節(jié)能研究中心，廣州 510640）

0 引言

我國(guó)南海地區(qū)具有顯著的高溫、高濕、強(qiáng)輻射、高風(fēng)速、高鹽霧的熱帶海洋氣候特點(diǎn)［1-3］，與內(nèi)陸地區(qū)的氣候有著極大的區(qū)別。徐云飛等［2］利用DeST軟件模擬比較了典型居住建筑和辦公建筑在陸地站點(diǎn)和南海島嶼站點(diǎn)的能耗差異，發(fā)現(xiàn)南海島嶼建筑能耗均明顯高于陸地。為研究南海島嶼建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在熱、濕、鹽多強(qiáng)場(chǎng)耦合作用下的熱工問題，迫切需要一個(gè)能夠營(yíng)造南海島嶼實(shí)際大氣環(huán)境的風(fēng)洞。

Liao等［4］開發(fā)了一個(gè)填料蒸發(fā)冷卻風(fēng)洞系統(tǒng)，該風(fēng)洞較簡(jiǎn)單，控制參數(shù)為溫度和相對(duì)濕度，控制方式為穩(wěn)態(tài)，無法模擬現(xiàn)實(shí)中的氣象條件；尾崎明仁［5］建立了一個(gè)建筑表面蒸發(fā)冷卻風(fēng)洞，該風(fēng)洞較為成熟，控制參數(shù)為溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射，可準(zhǔn)確模擬現(xiàn)實(shí)中的氣象條件，但控制方式仍為穩(wěn)態(tài)；華南理工大學(xué)熱濕氣候風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)［6］最為成熟，通過對(duì)太陽(yáng)輻射、空氣溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的動(dòng)態(tài)控制，可以準(zhǔn)確地模擬室外動(dòng)態(tài)氣候條件。經(jīng)過多年的調(diào)試與改進(jìn)，風(fēng)洞已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)室外氣象參數(shù)小時(shí)間步長(zhǎng)的周期性控制。然而，上述風(fēng)洞均未考慮鹽霧環(huán)境的營(yíng)造問題，不能準(zhǔn)確地營(yíng)造海洋大氣環(huán)境。

海水日夜不停地激烈擾動(dòng)，引起海浪相互撞擊及海浪對(duì)海岸礁石的拍擊，產(chǎn)生大量泡沫，泡沫向海面升騰、破裂，又被氣流撕成細(xì)小液滴，隨氣流升入空中經(jīng)過裂解、蒸發(fā)、混雜等復(fù)雜的演變過程而成為彌散系統(tǒng)，形成大氣鹽核［7］。鹽霧濃度主要受海面上方的大氣蒸發(fā)程度和擴(kuò)散因素（溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)以及風(fēng)向）等影響［8-12］。宋金明等［8］對(duì)青島近海岸大氣中的鹽分濃度及氣象條件進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)：在0～17.5℃氣溫段，隨溫度升高，大氣鹽分有降低的趨勢(shì)；在18～27℃氣溫段，大氣含鹽量變化幅度相對(duì)較大，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)；大氣鹽分隨空氣相對(duì)濕度的增加而增加。文獻(xiàn)［10-12］中提出了風(fēng)速與鹽霧粒子濃度的公式，均認(rèn)為海洋大氣環(huán)境的鹽霧濃度隨著風(fēng)速的增大而升高。然而，自然環(huán)境下海洋鹽霧濃度變化與風(fēng)洞中人工營(yíng)造的鹽霧環(huán)境有較大差別。本文基于熱濕氣侯風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)，研究風(fēng)洞內(nèi)氣象要素（溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速）對(duì)其內(nèi)濕空氣含鹽濃度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 熱濕氣候風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)

華南理工大學(xué)熱濕氣候風(fēng)洞性能指標(biāo)如表1所示，構(gòu)造示意圖如圖1所示。

表1 熱濕氣候風(fēng)洞性能指標(biāo)

圖1 熱濕氣候風(fēng)洞構(gòu)造示意圖

1.2 鹽溶液霧化裝置與含鹽濕空氣采集裝置

含鹽濕空氣氛圍的營(yíng)造關(guān)鍵在于鹽霧的生成方法。常用的鹽霧生成方法大致可分為［13］：①通過高速旋轉(zhuǎn)的扇葉拍打鹽液面產(chǎn)生鹽霧；②氣壓噴射法；③霧化法，該法是借用超聲霧化原理將鹽液直接霧化成鹽霧并通過擴(kuò)散進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)，這一方法具有霧化效率高、液滴直徑小、擴(kuò)散行程長(zhǎng)，不易沉降的優(yōu)點(diǎn)。本研究鹽溶液霧化裝置采用超聲波霧化器，儀器擺放位置為風(fēng)洞試驗(yàn)段起始處，放置高度約為0.8 m（距地面），如圖2所示。

濕空氣含鹽濃度又稱鹽霧含量或大氣含鹽量，是指單位體積空氣中所含海鹽質(zhì)量，單位為mg／m3。對(duì)于目前主流的大氣顆粒物濃度測(cè)定方法，大致可以分為兩類：溶液富集法和顆粒物采集法。在海洋大氣航測(cè)中，標(biāo)準(zhǔn)［14］規(guī)定采集海洋大氣懸浮顆粒物使用顆粒物采集法，現(xiàn)有研究也普遍采用這一方法［15-16］。顆粒物采集法通過撞擊式采樣器對(duì)大氣懸浮顆粒物進(jìn)行采集，對(duì)采樣器上的濾膜進(jìn)行成分分析，計(jì)算顆粒物濃度。本研究采用顆粒物采集法，采集儀器為“嶗應(yīng)”2030型中流量智能TSP大氣采樣儀，濾膜材質(zhì)為玻璃纖維，擺放位置為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尾端，采集高度約為1.2 m（距地面），如圖3所示。

圖2 鹽霧生成裝置實(shí)物圖

圖3 含鹽濕空氣采集裝置實(shí)物圖

本實(shí)驗(yàn)采用的超聲霧化器是普通家用加濕器，噴霧速率分別設(shè)置為45 mg／s（2.7 g／min）、20 mg／s（1.2 g／min）；使用島津（SHIMADZU）分析天平（量程320 g，分度值0.1 mg）對(duì)空氣采樣前后的玻璃纖維濾膜進(jìn)行稱重。

實(shí)驗(yàn)采用氯化鈉分析純和純凈水配制0.9%的鹽溶液，所用儀器及試劑：天平為島津（SHIMADZUUX6200H）分析天平，最大為6 200 g，最小為0.5 g，d＝0.01 g，燒杯為好奇GG-17 2 L 普通燒杯，氯化鈉試劑為潤(rùn)捷化學(xué)（Richjoint）氯化鈉分析純，500 g，NaCl含量≥99.5%，水為某品牌4.5 L桶裝純凈水。

實(shí)驗(yàn)中濕空氣含鹽濃度的計(jì)算公式：

其中：濕空氣含鹽濃度值為某時(shí)間段內(nèi)濕空氣含鹽濃度平均值（mg／m3）；m2為采集后經(jīng)烘干處理后的空氣濾膜重量，g；m1為采集前經(jīng)烘干處理的空氣濾膜重量，g；V采集空氣為一定時(shí)間內(nèi)采集到的空氣體積，本研究設(shè)置采集時(shí)間為15 min，采集流量為100 L／min，即V采集空氣＝1.5 m3。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)包括5組不同溫度的工況、5組不同相對(duì)濕度的工況以及5組不同風(fēng)速的工況，如表2所示。每組實(shí)驗(yàn)做兩輪，每組工況的時(shí)長(zhǎng)為9.5 h。

表2 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

實(shí)驗(yàn)操作：

（1）配制足量的0.9%鹽溶液，保證在一輪實(shí)驗(yàn)中所使用的鹽溶液是同一濃度，防止因鹽溶液濃度不同而出現(xiàn)誤差；

（2）采樣前后，玻璃纖維濾膜均放置于電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干至恒重，烘干時(shí)間為30 min；

（3）運(yùn)行風(fēng)洞至實(shí)驗(yàn)所需的氣象參數(shù)，在接下來的實(shí)驗(yàn)過程中氣象參數(shù)保持不變，風(fēng)洞穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)行兩次風(fēng)洞基底空氣檢測(cè)，作為空白對(duì)照組；

（4）完成風(fēng)洞基底空氣檢測(cè)后，開啟超聲霧化器，營(yíng)造鹽霧氛圍。超聲霧化器工作流程為：第1階段，2.7 g／min的超聲霧化器工作55 min后關(guān)閉；第2階段，1.2 g／min的超聲霧化器開始工作，運(yùn)行305 min后關(guān)閉；第3階段，關(guān)閉所有超聲霧化器后，風(fēng)洞繼續(xù)運(yùn)行210 min；

（5）風(fēng)洞運(yùn)行期間，對(duì)風(fēng)洞內(nèi)濕空氣進(jìn)行采樣。具體做法：首先，對(duì)烘干后的玻璃纖維濾膜進(jìn)行稱重，記錄初始質(zhì)量；然后，濾膜放置于TSP大氣采樣儀內(nèi)，采集風(fēng)洞內(nèi)濕空氣顆粒物，時(shí)間為15 min；第3步，取出濾膜，烘干30 min后稱重，記錄并保存濾膜前后質(zhì)量差；

（6）實(shí)驗(yàn)完成后，打開風(fēng)洞屏蔽門，置換風(fēng)洞內(nèi)空氣，時(shí)間約為10 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過程中，發(fā)現(xiàn)各工況兩輪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，曲線趨勢(shì)較為接近，因此兩輪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取均值作為數(shù)據(jù)來源。以出現(xiàn)的兩次極值點(diǎn)（采集樣本6：實(shí)驗(yàn)開始后90 min，1.2 g／min 超聲霧化加濕器工作5 min；采集樣本26：實(shí)驗(yàn)開始后390 min，超聲霧化器停止工作）為分界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)超聲霧化器的工作流程，人為地把實(shí)驗(yàn)過程分為3個(gè)階段，分別為擴(kuò)散階段（樣本編號(hào)3～6）、調(diào)整階段（樣本編號(hào)9～26）、沉降階段（樣本編號(hào)27～40）。

排除風(fēng)洞內(nèi)設(shè)備運(yùn)行誤差外，可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)誤差主要來源于3個(gè)方面。①人為測(cè)量誤差；②超聲波霧化加濕器的容量有限，不能同時(shí)滿足兩輪實(shí)驗(yàn)中所需鹽溶液，只能通過嚴(yán)格控制鹽溶液配比來減少此誤差。③風(fēng)洞內(nèi)沉降的NaCl粒子在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中重新溶入濕空氣內(nèi)。每組實(shí)驗(yàn)開始前的風(fēng)洞基底空氣鹽粒子濃度檢測(cè)均顯示風(fēng)洞內(nèi)濕空氣中含鹽濃度均為0，證明在風(fēng)洞內(nèi)附著和沉降的干燥NaCl顆粒是不會(huì)再重新溶入濕空氣。通過上述分析，可認(rèn)為各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理可靠。

2.1 溫度對(duì)濕空氣含鹽濃度的影響規(guī)律

兩輪溫度相關(guān)性實(shí)驗(yàn)各時(shí)刻點(diǎn)濕空氣含鹽濃度取均值后的分布曲線如圖4所示。

圖4 不同溫度工況下濕空氣含鹽濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

由圖4可見，在20～30℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度也隨之增大；溫度越高，其對(duì)應(yīng)的濕空氣含鹽濃度極值越大。

為了更直觀地體現(xiàn)溫度對(duì)濕空氣含鹽濃度的影響規(guī)律，并針對(duì)不同溫度工況和不同階段，對(duì)濕空氣含鹽濃度隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度工況下濕空氣含鹽濃度擬合公式

由圖4、表3可見，在20～30℃的溫度范圍內(nèi)，擴(kuò)散階段、調(diào)整階段、沉降階段擬合公式的斜率絕對(duì)值均隨著溫度的升高而變大，意味著隨著溫度的升高，鹽霧粒子擴(kuò)散速率、沉降速率也越大。實(shí)驗(yàn)采用的超聲波霧化技術(shù)產(chǎn)生的液滴直徑約為2～4 μm，符合布朗運(yùn)動(dòng)的粒徑范圍（1～10 μm），認(rèn)為NaCl粒子在風(fēng)洞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是布朗運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)會(huì)隨著溫度的升高而加劇，因此風(fēng)洞內(nèi)空氣溫度升高使得NaCl粒子的布朗運(yùn)動(dòng)更加劇烈，更有效快速地在風(fēng)洞內(nèi)擴(kuò)散。當(dāng)不斷有鹽霧生成時(shí)，高溫度工況的實(shí)驗(yàn)組鹽霧粒子更容易擴(kuò)散到采集儀處，因此高溫度工況的實(shí)驗(yàn)組濕空氣含鹽濃度較大；當(dāng)鹽霧停止生成時(shí)，高溫度工況的鹽霧粒子在風(fēng)洞內(nèi)循環(huán)時(shí)容易擴(kuò)散至風(fēng)洞內(nèi)的死角而導(dǎo)致其無法繼續(xù)循環(huán)，導(dǎo)致沉降速率較大。

2.2 相對(duì)濕度對(duì)濕空氣含鹽濃度的影響規(guī)律

兩輪相對(duì)濕度相關(guān)性實(shí)驗(yàn)各時(shí)刻點(diǎn)濕空氣含鹽濃度取均值后的分布曲線如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在65%～85%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，隨著風(fēng)洞內(nèi)空氣相對(duì)濕度的加大，風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度也隨之增大，其對(duì)應(yīng)的濕空氣含鹽濃度極值越大，這一結(jié)論與宋金明［8］的研究結(jié)果相同。在溫度不變的情況下，相對(duì)濕度越高，空氣中含濕量也越大，意味著空氣中含有的水分越多，而NaCl易溶于水，空氣中水分越多，NaCl粒子就能更好地漂浮在空氣中而不容易在風(fēng)洞壁面和設(shè)備上附著和沉降。

圖5 不同相對(duì)濕度工況下濕空氣含鹽濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

同樣地，對(duì)濕空氣含鹽濃度隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如表4所示。從各個(gè)階段的擬合公式可以發(fā)現(xiàn)：在65%～85%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，擴(kuò)散階段和調(diào)整階段擬合公式的斜率絕對(duì)值普遍隨著相對(duì)濕度的升高而增大，意味著相對(duì)濕度越高，所對(duì)應(yīng)工況的鹽霧擴(kuò)散速率越大，但隨著相對(duì)濕度的增大，斜率的增幅逐漸減小，意味著高濕度工況下的相對(duì)濕度對(duì)濕空氣含鹽濃度的影響較小；在沉降階段，擬合公式斜率的絕對(duì)值隨著相對(duì)濕度升高而增大，說明鹽霧沉降速率與相對(duì)濕度成正相關(guān)。

表4 不同相對(duì)濕度工況下濕空氣含鹽濃度擬合公式

2.3 風(fēng)速對(duì)濕空氣含鹽濃度的影響規(guī)律

兩輪風(fēng)速相關(guān)性實(shí)驗(yàn)各時(shí)刻點(diǎn)濕空氣含鹽濃度取均值后的分布曲線如圖6所示。

圖6 不同風(fēng)速工況下濕空氣含鹽濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，相較于溫度、相對(duì)濕度，風(fēng)速對(duì)濕空氣含鹽濃度的影響要顯著得多，濃度變化幅度明顯增大；風(fēng)速對(duì)濕空氣含鹽濃度的影響規(guī)律并不隨著風(fēng)速單調(diào)遞增或遞減。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，風(fēng)速較低的工況組（0.5 m／s）的濕空氣含鹽濃度整體上要比風(fēng)速較高的工況組（1.0 m／s）的濃度低，原因在于0.5 m／s工況風(fēng)洞內(nèi)整體的風(fēng)速較低，空氣流動(dòng)較弱，鹽霧粒子容易積聚和沉降。

當(dāng)1.0 m／s≤風(fēng)速≤2.5 m／s時(shí)，風(fēng)速越大，熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)的濕空氣含鹽濃度越低。這一結(jié)論與目前認(rèn)為鹽霧濃度隨風(fēng)速增大而升高的結(jié)論相反。在海洋大氣環(huán)境下，可以認(rèn)為海洋是一個(gè)無窮無盡的鹽霧生成器，風(fēng)速越大，激起海浪就越多，產(chǎn)生的海鹽粒子也就越多，因此風(fēng)速越大，海洋大氣中的鹽霧濃度越大。而在封閉的熱濕氣候風(fēng)洞里面，風(fēng)速在鹽霧產(chǎn)生過程中不起作用，僅是影響鹽霧粒子擴(kuò)散的一個(gè)因素，風(fēng)速越大，鹽霧粒子擴(kuò)散越均勻，使得風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度反而下降。同樣地，對(duì)濕空氣含鹽濃度隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如表5所示。

表5 不同風(fēng)速工況下濕空氣含鹽濃度擬合公式

從表5可以看到，當(dāng)風(fēng)速≥1.0 m／s時(shí)，隨著風(fēng)速增大，在擴(kuò)散階段以及調(diào)整階段的濕空氣含鹽濃度擴(kuò)散擬合公式的斜率逐漸減小，意味著風(fēng)速越大，濕空氣含鹽濃度變化速度越小，濕空氣含鹽濃度越穩(wěn)定，說明高風(fēng)速促進(jìn)鹽霧在整個(gè)風(fēng)洞內(nèi)部的擴(kuò)散，導(dǎo)致鹽霧濃度的整體下降；0.5 m／s工況的低風(fēng)速無法使空氣有效地流動(dòng)，鹽霧積聚在入口段而無法有效擴(kuò)散，導(dǎo)致主流風(fēng)速段濕空氣含鹽濃度偏低。在沉降階段，隨著風(fēng)速的增大，擬合曲線的斜率絕對(duì)值逐漸減小，意味著濃度下降的速率越來越緩慢。一是因?yàn)轱L(fēng)洞內(nèi)不同風(fēng)速下的鹽霧分布均勻程度不一樣，高風(fēng)速工況的鹽霧粒子分布均勻，減少了在沉降過程中的濃度擴(kuò)散；而低風(fēng)速工況的鹽霧粒子分布不均勻，局部之間還存在著濃度的差異，在沉降階段不僅出現(xiàn)鹽霧粒子的沉降，還有鹽霧粒子從主流風(fēng)速區(qū)擴(kuò)散至風(fēng)速死角的情況。二是高風(fēng)速工況下的鹽霧粒子運(yùn)動(dòng)劇烈，不容易發(fā)生沉降和附著。當(dāng)風(fēng)速為2.5 m／s時(shí)，濕空氣含鹽濃度在整個(gè)調(diào)整階段增加較小，可以猜測(cè)當(dāng)風(fēng)速足夠大的時(shí)候，可以保持風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。

3 結(jié)論

海洋環(huán)境下的鹽霧環(huán)境和風(fēng)洞環(huán)境下的鹽霧環(huán)境存在著較大的差異，主要是鹽霧的來源不一樣。本文基于熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)風(fēng)洞內(nèi)氣象要素和濕空氣含鹽濃度的關(guān)系進(jìn)行了探索，得到了以下主要結(jié)論：

（1）氣象要素（溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速）影響熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度。其中，風(fēng)速起主導(dǎo)性作用，對(duì)熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度的影響要比溫度、相對(duì)濕度顯著得多；

（2）在20～30℃的溫度范圍內(nèi)，熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度與溫度成正相關(guān)，溫度越高，濕空氣含鹽濃度越高，鹽霧粒子的擴(kuò)散和沉降也越快；

（3）在65%～85%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度與相對(duì)濕度成正相關(guān)，隨著相對(duì)濕度的升高，熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度也隨之增大，鹽霧粒子的擴(kuò)散速率和沉降速率也增大；

（4）在1.0～2.5 m／s的風(fēng)速范圍內(nèi)，熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度與風(fēng)速大小呈負(fù)相關(guān)，隨著風(fēng)速的增大，熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度、鹽霧粒子的擴(kuò)散速率和沉降速率均隨之減小。

風(fēng)速是影響風(fēng)洞內(nèi)濕空氣含鹽濃度的主要因素，這一研究結(jié)論為后續(xù)探究如何在南海島礁不同的環(huán)境工況下使風(fēng)洞內(nèi)的濕空氣含鹽濃度保持在穩(wěn)定數(shù)值提供了較好思路。同時(shí)，本文提出的擬合公式可預(yù)測(cè)相似環(huán)境工況的濕空氣含鹽濃度值。