基于动态质量平衡的室内颗粒物沉降规律研究

丛晓春,赵建建,景 洲,王庆刚,倪鹏飞 (山东科技大学,土木工程防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266590)

据统计人每天大约 85%～90%的时间在室内度过,室内环境污染控制对人体健康的影响十分重要.室外大气颗粒物一般通过外围护结构穿透建筑物缝隙进入室内环境,并停留较长时间.因此,室内颗粒物浓度分布基本取决于颗粒穿透过程以及在空气中的悬浮程度.即使室内不存在明显污染源,室内颗粒物浓度分布也不等同于室外颗粒物浓度水平.然而,当前空气污染指数基本采用室外监测值[1],而对室内颗粒物污染状况不甚明了.

室内颗粒物浓度受多种动力学机制影响.通过诸多学者对室内外颗粒物浓度相关性的研究,得到影响室内PM2.5浓度的主要因素为房间换气次数,颗粒物对围护结构穿透特性,室内颗粒物沉降特性与室内污染源.当室内无扰动因素及污染源时,由室外环境条件和建筑围护结构(如外窗,墙体等)特性决定的房间换气次数和对室外颗粒物阻隔能力是影响室内空气品质的重要因素[2].

目前国内外关于颗粒物向室内渗透传输的相关研究总体有 4种方法:对室内外颗粒物进行实测研究、对特定房间进行条件性试验研究、环境舱中穿透试验研究、以及建模研究.前两种研究方法受许多测试条件的不确定因素影响较大,无法确定某些特定参数对穿透因子的影响,科学难点在于区分颗粒物的穿透及其沉积效应[3-5].第三种方法,较前两种方法能准确获得某些因素的影响,但理想缝隙模型使得它在实际工程中的应用存在难点[6-7].因此目前相关研究多采用建模研究,应用室内空气颗粒物质量平衡,将室内外浓度水平和相关特性参数作为输入量,研究室外大气颗粒物向室内的穿透过程以及在室内的沉降机制[8].

2005 年,Matson[9]建立了室内外颗粒物浓度动态模型,模拟了0.01～1.0µm颗粒物在室内的数浓度变化.由于该模型只考虑了换气次数的影响,未能得到颗粒物的穿透过程和沉积过程对室内颗粒物浓度的影响.

目前国内研究主要针对颗粒物在空调通风管道内的沉降,很少涉及颗粒物在室内的扩散传输及沉降.同时颗粒物在室内的粒径分布特征,传输扩散过程中的衰减、沉积以及通风稀释等问题也没有完整的实验数据和理论分析.

为此,本论文以办公室为实验地点,监测自然通风条件下室内外颗粒物浓度的变化关系,提出了采用基于动态质量平衡方程确定室内颗粒沉降参数的方法,为研究室外颗粒物向室内传输的渗透特征,掌握粒子在室内运动的动力学行为提供基础数据.同时也为科学评价办公建筑室内人员颗粒物的实际暴露水平与室内环境标准制定和空气品质的研究提供科学依据.

1 实验条件与数据处理

1.1 实验条件

办公建筑是中国城市的主要室内工作场所,室内空气品质优劣直接影响着室内工作人员的身体健康.本次实验观测地点位于青岛市某一办公楼,采样点位于四层办公楼顶层,室外视野开阔,通过窗户自然通风,通风条件良好.办公室面积约15m2,两扇钢制单层外窗,每扇外窗面积为 2m2,外门为单开防盗门.室内办公人员为2人,配置电脑2台,激光打印机一台.室内无其他明显污染源,见图1.

图1 室内外测点布置Fig.1 Location of the measurement points for indoor and outdoor sampling

本实验分别在房间中心区域和室外选取采样点.按照室内空气质量国家标准的监测技术要求,采样时避开通风道和通风口,采样点离墙壁距离为 1.0m,离地面 1.2m.考虑室外空气污染对室内的影响,室外采样点高度与室内水平,且距建筑外墙2.0m.

颗粒物测量仪器为2台Light House尘埃粒子计数器,24h同步测定室内与室外空气环境中单位体积内尘埃粒子数,测量粒径分别为0.3,0.5,1.0,2.5µm.监测时期为 2016-04-07～2016-04-27,2016-05-31～2016-07-06,以及 2016-09-08～2016-09-31.整个监测周期均为自然通风状态(开窗面积约为 1m2),没有启动室内空调系统,主要研究在没有机械动力作用下的室内颗粒物沉降规律.

监测数据采用小时算术平均值,即每5min采集一次,一天的采样时间为 24h.每个粒径粒子的算术平均值作为与室外气象参数采样时间相对应的小时均值.

1.2 数据处理法

1.2.1 室内外颗粒物浓度比(I/O) I/O是室内外颗粒物浓度的比值,反映室外颗粒物对室内的穿透贡献,与穿透因子、空气交换率和沉降率等因素直接相关,对室内颗粒物浓度的分布有重要作用[10-12].通过该数值可初步判别室内颗粒物是否主要由室外输入[13].使用小时均值下的 I/O计算如下:

式中:Cin为1h间隔内的室内浓度, cm-3;Cout为1h间隔内的室外浓度, cm-3; n为周期内时间步数.

I/O<1表明建筑物对室外污染物有一定的遮蔽和阻截作用;若 I/O＞1,则表明室内浓度高于室外浓度.以往倾向于把 I/O增大归因于室内源的影响,例如吸烟、烹调等室内活动.但Mohammadyan等[14],Lai等[15]以办公室为例研究表明,当不存在明显室内源时,室内外颗粒物浓度的相关性存在短暂的延迟现象,有时 I/O 达到1.4.

1.2.2 换气次数(a) 室内通风换气次数是影响建筑能耗和污染物浓度的重要因素.现有通风方式主要为自然通风和空气渗透,即依靠热压和风压作用形成的内外压力差驱动室内外空气交换. 实测表明,即使关闭建筑外门窗,仍有约 52%的室外颗粒物在渗透作用下通过外窗缝隙进入室内环境[16].当然,这种渗透作用直接受建筑外窗密闭性优劣的影响,建筑外窗气密性决定了室内换气次数.

本文根据室内外颗粒物浓度计算办公室换气次数.根据室内外颗粒物浓度变化,室内外换气次数的确定方法见式(2).

式中:Cin(O)为计算起始室内浓度, cm-3; Cout(O)为计算起始室外浓度, cm-3;Cin(t)为计算结束室内浓度, cm-3;Cout(t)为计算结束室外浓度,cm-3;ΔT 为 Cin(O)与 Cin(t)或 Cout(O)与 Cout(t)的时间间隔, h.

Howard-Reed等[17]测得在冬季使用供暖系统和在夏季使用空调同时门窗密闭情况下,一栋两层住房自然通风的换气次数为0.37h-1.此外,一些研究者分析了不同通风形式,如自然通风、机械通风和渗透通风对于换气次数的影响.研究发现:影响换气次数的因素诸多,如穿透系数、沉降率、室内颗粒物源和室外颗粒物浓度.

2 数据模型与拟合方法

大量实测结果表明,即使在建筑外窗关闭下,大气颗粒物仍然会通过建筑缝隙进入室内,致使室内颗粒物浓度水平超标.考虑到颗粒物转变、吸湿、化学反应和凝结效应等对室内颗粒物浓度变化的影响不大,忽略其影响.同时,在室内没有扰动情况下,忽略污染源、再悬浮带来的影响.当空气渗透成为主要通风方式时,房间室内外颗粒物的质量平衡方程可简化为:

式中:t是时间;a是渗风换气次数;p是颗粒物穿透系数;k是颗粒物沉降率.这个模型考虑了时间参数的作用,故称为动态质量平衡方程[18].对于求解这个线性微分方程,引入有限差分法方法,即把定解区域上连续函数用有限离散函数来近似,则微分方程可近似为代数方程组,再利用插值方法便可得到该定解区域的近似解.本文采用时间后插法对上述微分方程进行离散,见式(4):

式(4)中有两个未知数 p和 k.为了得到这两个参数,本文引入线性回归模型,即假设室内颗粒物浓度与室外颗粒物浓度之间存在着线性关系,并假设0

当实时监测室内外颗粒物浓度,得到室内外颗粒物浓度的两组系列数据: (x1,y1),(x2,y2),……,(xn,yn).线性回归模型为:

式中:b为线性回归模型参数;εi为随机误差,服从标准正态分布,即εi～ (0,σ2)N .

在换气次数a为已知时,对比式(5)和式(6),用最大似然估计法来估计未知参数p和k.并采用R2统计量检验线性回归模型的拟合度.在本研究中,R2=0.76～0.98.

3 结果与分析

3.1 室内外颗粒物浓度比(I/O)

图 2表示室内、室外颗粒物浓度变化以及I/O的日变化情况.由图 2可知,室内颗粒物浓度随着室外颗粒物浓度变化而变化,但是室外颗粒物浓度在两个时间段出现了 2个峰值,分别是12:00～14:00 以及 19:00～21:00.上下班高峰期,交通量增加和移动源增加使得室外颗粒物浓度增大.在采样期间, I/O 变化幅度为 0.7～1.1,大部分监测期的I/O<1.

虽然室内人员存在和相关活动是室内颗粒的重要来源[20-21],然而本实验监测期间,室内颗粒物浓度的值保持相对稳定,没有随着人员和活动的存在而出现明显变化,主要是室内人员稳定,打印机的污染贡献并不明显.说明在自然通风的条件下,当室内不存在明显污染源时,室内颗粒物浓度主要受室外颗粒物浓度的影响.但由于建筑物的阻挡作用,室内外浓度的波动仍存在相对独立性.

图2 室内外颗粒物浓度日变化曲线和I/O比率(2016-09-25)Fig.2 Diurnal pattern of indoor and outdoor particle number concentration and I/O ratios (2016-09-25)

王平[16]研究了室外气象条件对 I/O的影响,认为:同一季节期间室外风速形成的风压差影响要明显大于室内外温度差形成的热压差作用.同时,室外空气越干燥、相对湿度越低,室内外PM2.5质量浓度水平越低, I/O比越大.Persily等[22]的研究也得到了类似的结论:空气渗透率与温差有较小甚至没有相关性,但是与风速之间有较大的相关性.

图3显示了颗粒物粒径与I/O之间的关系.由此可知,在 0～2.5µm 的粒径范围内,随着粒径增加, I/O 值先增大后减小,在 0.5～1.0µm 范围内会达到最大值,而接近 2.5µm时, I/O出现下降趋势,这归因于颗粒物重力沉降作用的损失机制.

图3 颗粒物尺寸与I/O的变化关系Fig.3 The relationship between particle size and I/O

2.2 换气次数(a)

本次实验所测得的换气次数值如表 1所示.由该表可知,换气次数随着粒径增大而减小,表明颗粒物粒径越小,其气流跟随性越强.在2016年4月7日～4月27日,5月31日～7月6日,以及9月8日～9月31日3个实验测试阶段,测得0.3,0.5,1.0,2.5µm的颗粒物最大换气次数分别为 0.33、017、0.11、0.09h-1.

表1 平均换气次数Table 1 Average air exchange rates

建筑外窗气密性决定了室内换气次数,这是室外颗粒物对室内环境贡献产生影响的关键参数.换气次数与室外风速呈正相关性:室外风速越大,换气次数a越大.由于测试期间,室外风速有波动,所以导致同一粒径下换气次数的最大值与最小值变化幅度较大.

此外,有研究分析了不同通风形式,如自然通风、机械通风和渗透通风对于换气次数的影响.由于测试条件不同,其结论相差很大.

3.3 渗透率(p)

渗透率 p,表征颗粒物跟随渗透风通过建筑物围护结构进入室内的状态参数.这个参数是与建筑物围护结构缝隙机理最相关的参数.当一个建筑为渗透通风时,渗透率是粒径、室内外压差、换气次数和围护结构缝隙尺寸的函数.如表 2所示,颗粒物渗透率随粒径的增加而减小;粒径为 0.3,0.5,1.0,2.5µm 颗粒物的渗透率从0.82h-1降至 0.45h-1.这主要是较大颗粒物的重力沉降作用以及运动过程中惯性力使得沉降率较大,渗透率较小;而0.3和0.5µm的小粒径粒子,由于重力沉降作用小[12,23-24],其渗透率高于相应的大粒径粒子.

在门窗紧闭的渗透通风下,颗粒渗透率相对 p较小[7,25].若在窗户开启条件下,可通过增加换气次数来增加渗透率 p,可导致颗粒渗透率 p较大[17,26].Liu等[6]测试了不同压差条件(4Pa 和 10Pa)下,不同粒径的颗粒物(0.02～7µm)通过不同尺寸矩形缝隙的渗透率,实验结果表明影响渗透率的重要因素为颗粒物粒径和缝隙高度. Thatcher等[27]通过实测室内颗粒物的浓度变化,得出 0.1～10µm 颗粒物粒径的渗透率从约1h-1下降到0.3h-1.Long等[11]研究了波士顿城区的九栋非吸烟居民建筑的颗粒物渗透率以及沉降规律.指出粒径在4～5µm范围内的颗粒物渗透率最低,为 0.68～0.28h-1;而粒径在 0.04～0.3µm 内渗透率最高,约为 0.86～0.89h-1.本实验结果也验证了这一结论.

表2 渗透率(p)Table 2 Penetration factor (p)

3.4 沉降率(k)

沉降特性是减少室内颗粒物浓度的主要方式之一.本研究表明,颗粒物沉降作用很大程度上取决于颗粒物粒径大小,这一结论与之前学者研究的结论一致[4,6,29,34].本文颗粒物沉降率大多在0.3～0.8h-1的范围内,分布范围更集中.其数值分布频率分布见图4.

图4 沉降率频率分布Fig.4 Frequency distributions of deposition rates

Hamdani等[35]在实验舱里测试了粒径分别为0.35,0.53,0.7,1.2µm的颗粒物在不同物质表面的沉降率,发现表面粗糙度对颗粒物沉降率的影响较大.相关研究表明,随着建筑物内壁面条件的改变,沉降率的变化为0～0.4h-1[30-31].Chen等[36]在办公室和宿舍换气次数分别为0.1h-1和0.9h-1时,研究 0.5～20µm 颗粒物发现:随着粒径增大,沉降率增大.对于粒径＞1µm 的较大颗粒物重力沉降起主导作用,而对于0.1～1µm的粒子,布朗运动、惯性力与重力作用三种机制作用都不显著.

图5 颗粒物沉降率随颗粒物尺寸变化关系Fig.5 Particle deposition rate with particle diameter

图5显示了颗粒物粒径和沉降率之间的关系.可以得出,粒径范围为 0.1～2.5µm 颗粒物的沉降率约为 0.2～1.2h-1.由于颗粒重力沉降作用的影响,其沉降率与颗粒物尺寸呈线性关系.

图6 颗粒物沉降率随换气次数变化关系Fig.6 Particle deposition rates versus air exchange rates

沉降率与换气次数之间的关系如图 6所示.颗粒物沉降率随换气次数的增加而减小,主要是自然通风条件下,换气次数主要与室内外风速有关.换气次数越高,风速越大,颗粒物移动速度越快,沉降率越小.Furtaw[37]研究结果表明,房间内颗粒物浓度的波动情况与换气次数成比例,而颗粒物沉降率随颗粒物浓度的波动而改变[38-39].王亚峰等[40]分析了换气次数对沉降率的影响大于对渗透率的影响.

颗粒物沉降特性有时用沉降速率v(m/h)来表征.它是由沉降率k、室内总沉降面积A和室内体积V得到,如式(7):

式中:v为颗粒物沉降速率, m/h;k为颗粒物沉降率, h-1;A为室内总沉降面积, m2;V为室内体积,m3.

表 3为本文结果与先前研究的比较.由此可知,各家研究结果分散性较大,不够一致,相比之下本文研究与Vette等[4]的研究结果较为相似,这说明了本文数据处理方法的可行性.

表3 沉降速率(v)Table3 Deposition velocities (v)

4 结论

4.1 室内外颗粒物浓度比I/O值多数情况<1.0,也有时出现＞1.0的监测状态.

4.2 测得粒径 0.3,0.5,1.0,2.5µm 的颗粒物换气次数最大取值分别为0.33,017,0.11,0.09h-1.

4.3 室内颗粒物沉降率大多在0.3～0.8h-1.

4.4 颗粒物渗透率随粒径的增加而减小,粒径为 0.3,0.5,1.0,2.5µm 颗粒物的渗透率从 0.82h-1逐渐降至0.45h-1.

4.5 粒径 0.3,0.5,1.0,2.5µm 的颗粒物沉降速率分别为1.94,1.82,1.71,2.82m/h.

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