通风房间内不同发射速度的超细颗粒物浓度分布

刘泽勤 高梦晗 才爽

1 天津冷冻冷藏技术教育部工程研究中心

2 天津市制冷技术重点实验室

3 天津市制冷技术工程中心

4 天津商业大学机械工程学院

超细颗粒物（UFPs）在一些领域中被认为是指当量粒径小于0.1 μm 的颗粒物，即PM0.1。超细颗粒物粒径小，易在肺内沉积，同时其表面积较大，易吸附多种有害物质[1]，对人体的心肺系统产生危害。由于医药，生物和电子等工业生产的产品越来越精密，有些已经达到纳米级别，因此生产空间中的超细颗粒物中的化学成分可能对生产的产品有影响[2-5]。为研究在通风房间内不同发射速度的超细颗粒物的浓度分布，本文通过实验研究，探究在相同的送风速度下不同粒子发射速度对室内超细颗粒物的浓度分布的影响。

1 实验研究

1.1 实验台及测点布置

空气颗粒物控制技术综合实验台如图1 所示，实验台示意图如图2 所示。

图1 空气超细颗粒物特性研究实验台

图2 空气超细颗粒物特性研究实验台示意图

空气颗粒物控制技术综合实验台，尺寸为3 m×1.5 m×1 m，体积为4.5 m3，各向墙壁以及屋顶厚约为0.1 m，实验室采用硬质聚氨酯镀锌夹心板（硬质聚氨酯泡沫塑料密度不小于45 kg/m3、导热系数不大于0.028 W/(m·℃)。实验台送风口尺寸为1 m×1.5 m，回风口尺寸为1 m×1.5 m。实验台一侧设置送风风机，调节变频器改变风机风量以达到实验要求。回风口处添加过滤装置，回收颗粒物防止产生污染。实验室的送风口与回风口的两个截面前安置不锈钢孔网，起到了整流器的作用，达到均匀送风的效果。

将颗粒物发生源安置在近送风口的位置（2.5 m，0.75 m，0.5 m）处，并根据需要测定不同平面的颗粒物浓度，设置颗粒物浓度测试点，平面测点布置如图3 所示，V1 列测点垂直示意图如图4 所示，所有测点在垂直高度上分布一致。

图3 实验台测点位置平面图（Z=1.1 m）

图4 V1 列测点位置图

1.2 实验过程与设备

采用粉尘气溶胶发生器作为实验研究的颗粒发生源，调节变频器改变室内流通的风量，利用风速仪测试实验环境的风速，调节变频器直至达到实验所需风速，最后，利用微电脑粉尘仪等仪器测定不同工况下室内超细颗粒物的浓度。

粉尘气溶胶发生器的规格为：空气悬浮粒子输出范围为50～2000 ft3/min。在200 ft3/min 流量时，悬浮粒子浓度为100 μg/L。在2000 ft3/min 流量时，悬浮粒子浓度为10 μg/L。产生类型为2 到6 个Laskin Nozzle喷头。气溶胶自带内置压缩机。标准粒子浓度范围为100 万颗/ft3到10000 万颗/ft3。粒径范围为0.1～1 μm。

P-5L2C 便携式微电脑粉尘仪的测量浓度范围为0～1 g/m3，分辩率为读数的0.1%或0.001 mg/m3二者中的较大值。粒径范围为0.1～10μm。流量在1.4～2.4 L/min 范围内可调（正常1.7 L/min）。操作温度为0～50 ℃。操作湿度为0～95%RH（无冷凝）。数据采集：数据点约31000 个，采集间隔为1 s～1 h 内可调整。

采用三相AC380-480（V）通用功能变频器改变送风速度，适配电机功率为11 kW。采用定制型空气源热泵，根据计算，选用制冷量为6 kW。制热量为6.5 kW。输入功率为1.8 kW。环境温度范围：-10～50 ℃。在实验的过程中，风机运行产生热量使库内温度升高到27 ℃，使用空气源热泵调节温度，使室内温度维持在工况设动温度21 ℃。

1.3 实验工况

粒子发生源坐标为（2.5 m，0.75 m，0.5 m）、粒子初始发生浓度为0.03 kg/m3、送风温度为21 ℃，粒子发射速度分别为1.4 m/s、1.6 m/s、1.8 m/s、2.0 m/s、2.2 m/s。分别探究在1 m/s 与3 m/s 两种送风速度下，不同发射速度的超细颗粒物在室内的浓度分布。

2 实验结果分析

2.1 送风速度1 m/s

图5 给出了送风速度为1 m/s 时，不同粒子发射速度下室内六列测点在距地面不同高度上颗粒物浓度分布情况。图5（a）显示，V1 列靠近地面处颗粒物浓度为4.0×10-5kg/m3，在距地面0.6 m，粒速为2.2 m/s时，颗粒物浓度达到最大，最大值为3.4×10-4kg/m3，以发生源所在高度（0.5 m）为中心，V1 列上的测点浓度具有相似的衰减度。图5（b）显示，由于V2 列与颗粒发生源有一段距离，浓度受风速的影响向四周扩散，在V2 列的地面处，颗粒浓度达到6.0×10-5kg/m3。在V2列测点，浓度随着同一纵列测量点的向上延伸而衰减，由于房间高度为2 m，而颗粒发生源高度为0.5 m，高于1 m 处的颗粒浓度持续衰减。图5（c）与（b）中测点与颗粒发生源成等距离布置，实验结果与（b）相似。图5（d）显示房间垂直中心线上测点的浓度分布，在靠近地面处颗粒物浓度为8.0 ×10-5kg/m3，在粒速为1.6 m/s，距地面高度为0.4 m 时，颗粒物浓度达到最大，最大值为1.1×10-4kg/m3。图5（e）显示，V5 列是靠近回风口处与V1 列关于V4 列对称的一系列测点，颗粒物浓度最大值出现在粒速为2.2 m/s 时距地面高度为0.4 m 处，为1.3×10-5kg/m3。图5（f）显示V6 列各测点与V5 列各测点距回风口水平距离相等，由于V5 列位于0.5 m 的测点在发生源的中心线上，所以V6 列距地面高0.5 m 处的颗粒物浓度较V5 列同一高度测点颗粒物浓度小。V6 列浓度最大值出现在粒速为2.2 m/s 时距地面高度为0.4 m 处，为1.2×10-5kg/m3。

由各个测点不同粒速下的浓度分布可以看出，颗粒物浓度在不同粒子发射速度下分布趋势大致相同。

图5 风速为1 m/s 时颗粒物浓度在垂直高度分布图

2.2 送风速度3 m/s

图6 给出了送风速度为3 m/s 时，不同粒子发射速度下室内六列测点在距地面不同高度上颗粒物浓度分布情况。图6（a）显示，V1 列靠近地面处颗粒物浓度为1.0×10-8kg/m3，在距地面0.4 m，粒速为2.2 m/s时，颗粒物浓度达到最大，最大值为3.7×10-4kg/m3，以发生源所在高度（0.5 m）为中心，V1 列上的测点浓度具有相似的衰减度。图6（b）显示，由于V2 列与颗粒发生源有一段距离，浓度受风速的影响向四周扩散，在V2 列的地面处，颗粒浓度达到1.0×10-6kg/m3，浓度随着同一纵列测量点的向上延伸而衰减，由于房间高度为2 m，而颗粒发生源高度为0.5 m，高于1 m 处的颗粒浓度持续衰减。图6（c）与（b）中测点与颗粒发生源成等距离布置，实验结果与（b）相似。图6（d）显示房间垂直中心线上测点的浓度分布，在靠近地面处颗粒物浓度为1.0×10-5kg/m3，在粒速为1.6 m/s，距地面高度为0.4 m 时，颗粒物浓度达到最大，最大值为1.1×10-4kg/m3。图6（e）中，V5 列是靠近回风口处与V1 列关于V4 列对称的一系列测点，颗粒物浓度最大值出现在粒速为2.0 m/s 时距地面高度为0.4 m 处，为6.2×10-5kg/m3。图6（f）显示V6 列各测点与V5 列各测点距回风口水平距离相等，由于V5 列0.5 m 的测点在发生源的中心线上，所以V6 列距地面高0.5 m 处的颗粒物浓度较V5 列同一高度测点颗粒物浓度小。V6 列浓度最大值出现在粒速为1.4 m/s 时距地面高度为0.6 m 处，为4.0×10-5kg/m3。

图6 风速为3 m/s 时颗粒物浓度在垂直高度分布图

由各个测点不同粒速下的浓度分布可以看出，颗粒物浓度在不同粒子发射速度下分布趋势大致相同。对比分析图5、图6，当风速由1 m/s 增至3 m/s，V1 列靠近地面处颗粒物浓度由4.0×10-5kg/m3减小至1.0×10-8kg/m3，V4 列靠近地面处颗粒物浓度由8.0×10-5kg/m3减小至1.0×10-5kg/m3，由此可知，风速越大，超细颗粒物越不易沉降。图5 中不同粒子发射速度下的超细颗粒物浓度分布折线较分散，但趋势基本相同。图6中不同粒子发射速度下的超细颗粒物浓度分布折线较图5 重合度更高，由此可知，粒子发射速度对颗粒物浓度分布影响不大，风速越大，粒子发射速度对颗粒物浓度分布的影响越小。

3 结论

1）由于空气流动作用，超细颗粒物浓度在整个空间内发生变化，呈现出以发生源所在高度为界限，两侧浓度均低于发生源所在高度处的浓度的现象，以发生源为水平中点的颗粒物向左右等距离扩散，扩散程度基本相似。

2）靠近送风口处垂直分布测点的颗粒物浓度最大，最大浓度出现在距地面高度0.4 m 处，其值为3.7×10-4kg/m3。位于房间中心位置的垂直列测点颗粒物浓度处于第二位，其值最大为1.1×10-4kg/m3。送风速度不变时，同一测点的浓度波动受粒子发射速度影响较小，颗粒物浓度在不同粒子发射速度下分布趋势大致相同。风速越大，粒子发射速度对颗粒物浓度分布的影响越小。

3）当风速由1 m/s 增至3 m/s，V1 列靠近地面处颗粒物浓度由4.0×10-5kg/m3减小至1.0×10-8kg/m3，V4列靠近地面处颗粒物浓度由8.0×10-5kg/m3减小至1.0×10-5kg/m3，由此可知，风速越大，超细颗粒物越不易沉降。