第13卷第2期安全与环境学报Vol. 13 No. 2
2013年4月Journal of Safety and Environment Apr. , 2013asters, water and soil environ ment destructi on, mineral developmen t and the hydrological vegetation. According to the mining geo -environ -men t types of the variables and their trends, we have chosen 25in -dexes from the five elements as the chief mining geological environ -men t q uali ty prediction factors, ncluding the rock types, the faul t densi ty, the rail slope bed ditches, the joint development degree, the collapse volume, the land subsidence, the fall of the groundwater levels, soil erosion, the deposits of the mineral ores, the acreage of mining area, the rainy season rainfall, the vegetation coverage on the mining surface ground, etc. Then, according to the corresponding national s tandards and actual mi ning situation, mine geological env-i ronment can be divided in to 4grades:good, rather good, rather poor and poor. And, next, we have applied the classical and extensional material elements, and the substantial functions of the material ele -men ts and their extensional sets to establish a model for the mining risk and the mining geo -environment evaluation. The evaluation re -sults of the stability of mi ne geological environment through classified analysis indicate that, while taking the data of M ao Ping lead -zinc mine as the case study sample, we have done the evaluation of i ts mining geo -environment future i n the next five years. The predicted evaluation results show that there exists a close relationship between the influential factors of mining geological environment and the mining safe production, which are in close conformity with the general pre -dicti on of the evaluation results. Thus, it can be suggested that the indexes and factors we have chosen are reasonable and rational, and the evaluation method is feasible wi th the evaluation results satisfied. It can thus provide a scientific basis for prevention from mini ng dis -asters and promotion of safe production and the improvement of the geo -environment for mining Key words:envi ronmen tal eng i neering; environmental geology; mine
geological environ ment evaluation; extension set; class-i
fied analysis; lead zinc ore; Maoping CLC number :P66 Document code :A Article ID:1009-6094(2013) 02-0111-06
文章编号:1009-6094(2013) 02-0116-05
自然通风室内颗粒物分布特征*
韩云龙, 胡永梅, 钱付平, 陈 光
(安徽工业大学建筑工程学院, 安徽马鞍山243002)
摘 要:探讨自然通风方式下室内颗粒物分布及对室内空气品质的影响。采用拉格朗日法随机轨道模型对风压作用下的自然通风房间内颗粒物分布、运移进行了模拟研究, 并综合考虑了布朗扩散力、热泳力及Saff man 升力对颗粒物沉积的影响。模拟分析了室外大气颗粒物质量浓度为0115mg/m3时, 1m/s 窗口风速下, 粒径分别为215L m 、10L m 和50L m 的颗粒物在室内的穿透率、质量浓度分布, 并测试了室内颗粒物的质量浓度与计数浓度, 分析了颗粒物对室内空气品质的影响。结果表明, 小粒径颗粒(如215L m) 具有较强的气流跟随性, 小粒径颗粒的穿透率大于粒径10L m 、50L m 的颗粒, 而且其质量浓度分布也比大粒径颗粒均匀; 大粒径颗粒则受重力沉积机制作用, 主要沉积于地板。由于室外大气颗粒物质量浓度高于室内, 自然通风状态时, 室内颗粒物质量浓度均较无通风时增加, P M 215颗粒物质量浓度在室内分布较为均匀, 而PM 10颗粒物质量浓度随高度增加而减小。小粒径颗粒虽然质量浓度较小, 但数量远远多于大粒径颗粒数量; 粒径5L m 以下的分级粒径计数浓度相差约1个数量级, 并且3L m 以下的颗粒物数量占主要部分, 对人体健康的危害也更大。
关键词:环境学; 室内空气品质; 颗粒物; 自然通风; 沉积中图分类号:TU83416 文献标识码:A DOI:1013969/j. i ssn. 1009-[**************]5
0 引 言
颗粒物是影响室内空气品质的重要因素之一, 尤其PM 5
以下的颗粒物更易沉积于人体肺部不易排出。由于病菌、微生物、真菌等生物性致病源往往吸附于颗粒物表面, 对人体健康的危害更大, 可造成人体免疫功能下降或引起呼吸道疾
-4]病[1。一般情况下, 人80%以上的时间停留在室内, 因此, 颗粒物对室内空气品质的影响已引起人们的高度重视。
对于普通居民住宅, 室内颗粒物主要源于室内烹饪、吸烟、燃煤取暖或其他活动所产生的气溶胶或微尘[5-6]。由于一般家庭均通过开窗换气改善室内空气品质, 室外颗粒物浓度对室内颗粒物有着直接影响[7-8]; 同时颗粒物通过围护结构向室内渗透也是室内颗粒物来源的渠道[9]。室外大气中悬浮的颗粒物进入室内后一部分会沉积下来, 而人们在室内的一些活动往往会引起空气扰动, 使积尘扬起, 导致室内空气品质恶化而影响人体健康。
自然通风换气可以排出或稀释室内烹饪、吸烟等产生的气溶胶及家具散发的挥发性有机气体(VOCs) , 对室内空气品质的改善起到重要作用。然而随着我国基础设施建设的加大、工业的发展、汽车的增多及土地沙漠化等, 大气总悬浮颗粒物(TSP) 呈增加态势, 尤其PM 215颗粒物质量浓度虽不高但颗粒数量远大于大粒径颗粒物, 对人体健康的危害也更大, 因*收稿日期:2012-06-27
作者简介:韩云龙, 副教授, 博士, 从事室内空气品质及污染物治理
技术研究, hanlongy@1631co m 。
基金项目:安徽高校省级自然科学研究项目(KJ2012Z033)
2013环境科学与技术国际会议
继成功举办了前3届/环境科学与技术国际会议0后, 为了进一步推动我国环境科学与技术的发展, 扩大国际学术交
流, 提高学术交流水平, 根据国内外有关学者的建议, 拟于2013年6月4) 7日在辽宁大连市中国大连高级经理学院举办/2013环境科学与技术国际会议(2013International Sympo -sium on Envi ronmen tal Science and T echnology) 0。会议由中国环境科学学会、北京理工大学、大连理工大学主办, 由美国化学会环境化学分会、中国环境科学学会重金属污染防治专业委员会、大连市环境科学学会协办, 由大连理工大学环境学院、工业生态与环境工程教育部重点实验室(大连理工大学) 、爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学) 、大连市科学技术协会承办。在此, 会议秘书处热情地邀请您及您的同事参加本次学术会议。详情请浏览会议网站Http://www. isest11. com 。
2013年4月 韩云龙, 等:自然通风室内颗粒物分布特征 Apr. , 2013
此, 室外大气污染物对室内空气品质的影响不可忽视。/病态建筑综合征0和其他空调病的出现使人们对封闭式办公建筑或公共建筑内空气品质问题逐渐加以重视[10-14], 然而普通居民住宅内的空气品质却少有关注。本文通过计算流体动力学模拟自然通风状态下室外大气颗粒物进入室内并在其间的分布情况, 同时对自然通风状态时室内颗粒物浓度进行测试分析, 并就颗粒物对室内空气品质的影响进行定性评价, 以期揭示普通居民住宅自然通风方式下颗粒物的分布规律。
[15]
测颗粒物的沉积。用控制体积法对方程组进行离散化, 用SIMPLE 算法处理压力-速度耦合问题。对三维房间结构进行网格划分, 均为六面体网格, 共生成53万个网格单元。边界条件:入口处为速度入口, 壁面均为无滑移边界条件, 并认为水力光滑, 离散相壁面边界条件为/trap 0; 忽略颗粒间的合并、碰撞及颗粒与壁面的反弹。
113 采样方法
监测时间段为3月9日上午8:00) 11:00。将3个房间进行编号, 每个房间布置3个测点(见图1) , 按编号顺序分别进行颗粒物的质量浓度和计数浓度的测定。在每一个测点距地板高015m 、110m 、115m 、210m 处分别进行颗粒物测定。室外颗粒物浓度测点位于窗外1m, 距地板高度115m 处, 测3次取其平均值。将3个房间测得数据进行平均, 取其平均值进行分析。质量浓度测试仪采用TSI8530, 粒径尺寸为011~10L m, 可测质量浓度范围为01001~150mg/m 3, 分辨率为? 011%读数。颗粒计数器为Lighthouse SOLAIR 5100, 8通道同时测量和显示粒子的尺寸分布、温度和湿度, 可测量的粒子尺寸最小到015L m 。当测量粒径大于0175L m 时, 计数效率可达100%, 采样相对误差为5%。
1 模型与数值方法
111 房间结构
以普通单室套房间为物理模型, 房间由内隔墙分割为若
干空间功能区, 具体尺寸见图1。房间净高为215m, 窗户尺寸均为018m @115m 。房间通过自然通风方式进行通风换气时, 室外空气通过窗户进出室内。但由于房间的自然通风受风压、热压或两者的共同作用, 及风向的变化等室外的气象条件影响较大, 实际的自然通风情况是复杂的。因此, 采用数值模拟的方法进行房间自然通风的研究需进行简化, 只考虑风压作用下的自然通风。通过窗户的风流流向见图1, 风流速度方向均垂直于窗户平面。112 模型方程
自然通风房间内空气与颗粒之间的运动属于典型的气固两相流动问题。目前, 对此问题的解决方法主要有欧拉法与拉格朗日法。拉格朗日法可追踪单个颗粒的运动轨迹, 但是需要花费较多的计算时间, 比较适用于颗粒相稀疏的气-固两相体系。一般而言, 采用自然通风方式房间内的灰尘浓度较低, 因此, 采用拉格朗日法的随机轨道模型对颗粒的运动轨迹进行追踪。空气与灰尘可分别处理为连续相与分散相。通常来说, 由于灰尘粒径较小且浓度较低, 连续相对分散相有重要的影响, 而灰尘颗粒对连续相的影响可以忽略, 因此采用拉格朗日法的单相耦合计算方法。
自然通风房间内灰尘沉积的模拟计算应用Fluent 611软件, 采用雷诺应力模型(Reynolds Stress Equation Model, RSM ) 模拟不可压缩湍流流动, 并结合增强型边界处理条件,
以合理预
2 结果与讨论
211 颗粒运动轨迹
图2为房间内PM 215颗粒轨迹图。由图2可以看出, 室外新风通过房间两窗进入室内, 受到围护结构的限制形成受限射流, 并将周围气体卷吸, 从而使射流范围逐渐扩大, 流速逐渐减小, 同时在射流两侧与两墙间形成较大的涡旋区。由于房间结构及内隔墙的影响, 气流流经这些部位(如拐角、隔墙) 时发生流向的急剧变化, 这就使得室外气流所携带的颗粒物在惯性作用下沉积于墙面。另外, 室内空间较大, 即使窗口风速较大, 气流进入室内后流速也迅速下降, 从而使颗粒物在重力、扩散力作用下沉降。
212 颗粒穿透率
对于采用自然通风方式进行室内通风换气的普通居民住宅, 若室外大气TSP 浓度较高,
则会成为室内颗粒物的主要来
图2 自然通风房间颗粒轨迹图(窗口风速1m/s, 颗粒
图1 房间结构尺寸示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the apartment structure
粒径215L m, 温度293K)
Fig. 2 Particle traces of the natural ventilated apartment (window wind
velocity:1m/s, particle size:215L m, temperatu re:293K)
Vol. 13 No. 2 安全与环境学报 第13卷第2期
源。颗粒物进入室内后, 部分颗粒沉积于墙面、地板、家具等表面, 部分随气流由窗、缝隙等又返回室外。为了解颗粒物室内沉积情况, 采用房间颗粒穿透率, 即颗粒物排出房间的质量浓度与进入房间的质量浓度之比反映颗粒物于室内的沉积。并认为颗粒仅由窗口进出房间, 忽略围护结构及窗户缝隙的影响。在窗口风速为1m/s, 室外TSP 为0115mg/m 3时, 分别对粒径215L m 、10L m 、50L m 的颗粒在室内的分布进行模拟计算。穿透率
p =
Q out
@100%in
(1)
于主气流气速较大, 颗粒随主气流呈密集分布。215L m 和50L m 两种颗粒的运动及分布略有不同。215L m 的小颗粒由于质量小, 具有较强的气流跟随性, 在房间内运动的距离较长, 出口处仍有较高的颗粒质量浓度。还可发现, 215L m 的小颗粒具有较强的扩散性, 在房间内窗口两侧回流区附近, 小粒径颗粒质量浓度较高, 立墙处的颗粒质量浓度也明显高于50L m 颗粒, 表明215L m 颗粒的沉积作用机制主要为扩散沉积, 而50L m 颗粒以重力沉积为其主要作用机制。214 自然通风方式下室内颗粒物测试分析
较高的室内颗粒物质量浓度会对人类健康造成不良影响。有研究表明, TSP 每增加100L g /m 3, 急慢性呼吸道疾病增加30%[16]。若室外大气中颗粒物浓度明显高于室内颗粒物浓度, 采用自然通风方式对室内进行通风换气, 大气中颗粒物浓度对室内颗粒物浓度及粒径分布产生直接影响, 尤其是大气可吸入颗粒物(P M 10) 对室内空气品质产生不良影响, 从而影响室内人员的工作、生活环境。我国2012年发布的环境空气质量标准明确规定可吸入颗粒物PM 10的日平均最高容许质量浓度为0115mg/m 3, PM 215为01075mg/m 3(对应于二级标准) 。
对室内人的呼吸区范围(015~2m) ) ) ) 015m 、110m 、115m 、210m 4个高度水平的颗粒物质量浓度进行实测, 不同高度平面的颗粒物质量浓度平均值见图4。由图4可以看出, 无通风时, PM 10颗粒物质量浓度随距地面高度增加而减小, 而PM 215颗粒物质量浓度变化较小, 分布较为均匀。自然通风时, PM 10、PM 215颗粒物质量浓度比无通风状态时均增加, 室内不同高度的分布情况与无通风时的颗粒物质量浓度相近。测试时室外PM 10与PM 215颗粒物平均质量浓度分别为187L g /m 3、163L g /m 3, 高于室内颗粒物质量浓度(无通风时, PM 10与PM 215颗粒物室内平均质量浓度分别为133L g/m 3、119L g /m 3) 。当进行自然通风时, 室外的颗粒物进入室内, 从而提高了室内颗粒物质量浓度(PM 10与PM 215颗粒物室内平均质量浓度分别为149L g/m 3、138L g/m 3) 。另外, 由于小粒径颗粒质量小, 具有较强的气流跟随性, 随主气流而流动, 在室内分布较为均匀。而PM 10的颗粒物由于所受重力较大, 终端沉降速度高于小粒径颗粒物的沉降速度; 同时, 大粒径颗粒物易与主气流分离, 因此距地面越高处, PM 10
颗粒物质量浓度越小。
式中 p 为穿透率, %; Q in 为颗粒物进入房间时的质量浓度, mg/m ; Q out 为颗粒物通过窗户排出室外时的质量浓度, mg/m 3。
模拟计算得出回风窗口215L m 、10L m 、50L m 粒径的颗粒质量浓度分别为01140mg/m 、01104mg/m 、010122mg/m , 则粒径为215L m 、10L m 、50L m 的颗粒穿透率分别为93%、69%、811%。这表明:小粒径颗粒具有较强的气流跟随性, 随室外大气进入室内后, 只有少量会沉积于室内; 粒径10L m 的颗粒相比于215L m 粒径颗粒, 沉积量显著增加, 约1/3的颗粒沉积于室内; 粒径50L m 的大颗粒则大部分沉积于室内, 表明大粒径颗粒物主要受重力沉积机制作用。室内颗粒物沉积类似于重力沉降室的颗粒物沉降, 但相比重力沉降室, 颗粒物沉积效率要高一些。这是由于室外大气通过窗口时的风速为1m/s, 进入室内后由于空间突然扩大, 风速降低, 使得颗粒物在室内的停留时间增加, 延长了颗粒物的沉积过程; 另外, 房间内各种隔墙或家具等阻碍了风流, 这些部位或者使风流发生向上的突然变化, 使得颗粒物在惯性作用下沉降, 或者成为气流的停滞区, 使得颗粒完全在重力作用下沉降。
213 室内颗粒物质量浓度分布
室外大气中的颗粒物随气流进入房间, 受风速、粒径及房间结构的影响, 颗粒物在室内的质量浓度分布有待探讨。由于室外颗粒物质量浓度(PM 10约为187L g/m 3) 大于室内颗粒物质量浓度(PM 10约为133L g/m ) , 可认为室内的颗粒物均来自于室外, 未进行通风之前室内的颗粒物质量浓度为0, 并认为气流不会引起室内的二次扬尘。
图3为室内高度115m 平面的颗粒物质量浓度分布。由图3可以看出, 3种粒径的颗粒随主气流由窗口进入室内, 由
33
3
3
3
图3 室内颗粒物质量浓度分布(距地板115m)
Fig. 3 Particle mass concentration fields of indoor space (at a height of 115m above the ground)
2013年4月 韩云龙, 等:自然通风室内颗粒物分布特征 Apr. , 2013
虽然小粒径颗粒物的质量浓度较小, 但其计数浓度很高, 往往吸附各种有害物, 因此对人体健康的危害更大。为了解自然通风时室内颗粒物计数浓度的分布情况, 采用颗粒计数器(Lighthouse 5100) 对无通风与自然通风两种情况下室内不同高度颗粒物计数浓度进行测试, 结果见表1。从表1可以看出, 由于室外颗粒物计数浓度较高, 所以自然通风时室内颗粒物计数浓度较无通风状态下偏高; 而室内不同高度的颗粒物计数浓度变化与颗粒物粒径有关。粒径10L m 的颗粒数量随着距地面高度的增加呈现减小趋势; 而粒径5L m 以下的颗粒物计数浓度随高度变化不明显, 分布较为均匀。这是由于小粒径颗粒物所受重力作用较小所致。从表1还可以看出, 粒径越小, 颗粒的数量越多。粒径5L m 以下的颗粒物分级粒径之间颗粒计数浓度相差约1个数量级, 3L m 以下的颗粒物数量占主要部分。小粒径颗粒虽然具有较小的质量浓度, 但其数量远远大于大粒径颗粒。
PM 10以下的可吸入颗粒物能通过呼吸进入人体的呼吸系统, 对人体健康的影响较大。因此, 对于普遍采用自然通风方式进行通风换气的居室, 若室外颗粒物浓度较高, 则室内颗粒物浓度及分布主要受室外大气的影响, 即使颗粒物质量浓度不超标, 但其颗粒数量大, 也会影响室内空气品质并对人体健康造成不良影响。
响, 易形成气流停滞区或气流的急剧变化, 从而影响颗粒物的分布与沉积。
2) 颗粒粒径越小, 越具有较强的气流跟随性, 因而小颗粒(215L m) 室内的穿透率要高于大粒径颗粒(50L m) 。
3) 粒径10L m 、50L m 的颗粒质量浓度随高度的增加而减小, 主要受重力作用而沉降; 而粒径215L m 的颗粒主要受扩散作用, 在立墙及顶棚处的沉积量大于10L m 、50L m 的颗粒沉积量。
4) 本次颗粒物监测时段(上午8:00) 11:00) , 室外PM 10、PM 215质量浓度分别187L g/m 3、163L g/m 3, 高于室内无通风状态下的颗粒物质量浓度(PM 10、PM 215质量浓度分别133L g/m 3、119L g/m 3) 。由于室外颗粒物质量浓度较高, 自然通风状态时, 室内颗粒物PM 10、PM 215质量浓度分别149L g/m 3、138L g /m 3, 均较无通风时增加。PM 215颗粒物质量浓度室内分布较为均匀, 而PM 10颗粒物质量浓度随高度增加而减小; 小粒径颗粒虽然质量浓度较小, 但数量远远高于大粒径颗粒数量。
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3 结 论
1) 室外新风通过窗户进入室内,
由于内隔墙或拐角的影
图4 室内颗粒物质量浓度变化
Fig. 4 Mas s concentration variation of indoor dust particles
Atmos phe ric Environme nt, 2001, 35(20) :3463-34731
表1 室内颗粒物计数浓度
Table 1 Number concentration of indoor dus t particles
状态
高度/m
0151
无通风
1152平均0151
自然通风
1152平均
室外
平均
015L m [***********][***********][***********][***********][**************]9
1L m [***********][***********][***********][***********]94076
2L m [***********][***********][***********][***********]
3L m [***********][***********][***********]9
5L m [***********][***********]71748546
10L m [***********][***********][1**********]01
个#m -3
Vol. 13 No. 2 安全与环境学报 第13卷第2期
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ic force, gravity and Saffman lifti ng force. In our paper, we have ob -served and tested the particles . penetration and distribution in the
room condition usually i n sizes of 215L m, 10L m, 50L m and the TSP concentration of 0115mg/m 3and window migrating veloci ty of 1m/s. At the same ti me, we have measured the mass concen tration and the distribution concen tration of the dus t particles and analyzed the effects of such particles on the indoor air quality. The resul ts of our work show that the dust particles (i. e. , 215L m) tend to follow the ai r -flow direction. In addi tion, the penetration abili ty of small particles tends to be higher than that of large ones (i. e. , 10L m and 50L m) . Furthermore, the concentration of s mall particles (215L m) is likely to distri bu te more evenly than that of the larger ones. Under the gravity force, larger particles (e. g. , 50L m) tend to deposit mainly on the room floor and result in room dusts. The concentration of indoor and outdoor d us t particles can be monitored by using aerosol monitors. The results of our study show that the outdoor dust particles in most cases tend to fly higher than those of the indoor ones, where -as the indoor dust particles under the condi tion of natural ventilation tend to fly higher than those with no ventilation at all. Whereas PM 215distributes tend to fly uni formly in the indoor condition, the PM 10dis -tributes would be li kely to decrease with the increase of the height. T he dust particle concen tration monitoring results we have gained in our paper show that, whereas the mass concentration of the smaller particles (
natural ventilation; deposi tion C LC number :TU83416 Document code :A Article ID:1009-6094(2013) 02-0116-05
On the distributional features of the dust part-i
cles in a naturally ventilated room condition
HAN Yun -long, HU Yong -mei, QIAN Fu -ping, CHEN Guang (School of Civil Engineering and Archi tecture, Anhui University of Technology, M a . anshan 243002, Anhui, China) Abstract:The present paper ai ms at introducing i ts research results on the distributional features of the dust particles in the natural vent-i lated room condition, for which we have investigated the concentration distribution features of indoor dust particles and their effect on the room air q uality. In our paper , we have simulated the distri bu tion and migration of the room dust particles in a natural ventilated room on the basis of the random migration model of LaGrange approach while consideri ng the effects of the Brownian force, the thermophoret -
第13卷第2期安全与环境学报Vol. 13 No. 2
2013年4月Journal of Safety and Environment Apr. , 2013asters, water and soil environ ment destructi on, mineral developmen t and the hydrological vegetation. According to the mining geo -environ -men t types of the variables and their trends, we have chosen 25in -dexes from the five elements as the chief mining geological environ -men t q uali ty prediction factors, ncluding the rock types, the faul t densi ty, the rail slope bed ditches, the joint development degree, the collapse volume, the land subsidence, the fall of the groundwater levels, soil erosion, the deposits of the mineral ores, the acreage of mining area, the rainy season rainfall, the vegetation coverage on the mining surface ground, etc. Then, according to the corresponding national s tandards and actual mi ning situation, mine geological env-i ronment can be divided in to 4grades:good, rather good, rather poor and poor. And, next, we have applied the classical and extensional material elements, and the substantial functions of the material ele -men ts and their extensional sets to establish a model for the mining risk and the mining geo -environment evaluation. The evaluation re -sults of the stability of mi ne geological environment through classified analysis indicate that, while taking the data of M ao Ping lead -zinc mine as the case study sample, we have done the evaluation of i ts mining geo -environment future i n the next five years. The predicted evaluation results show that there exists a close relationship between the influential factors of mining geological environment and the mining safe production, which are in close conformity with the general pre -dicti on of the evaluation results. Thus, it can be suggested that the indexes and factors we have chosen are reasonable and rational, and the evaluation method is feasible wi th the evaluation results satisfied. It can thus provide a scientific basis for prevention from mini ng dis -asters and promotion of safe production and the improvement of the geo -environment for mining Key words:envi ronmen tal eng i neering; environmental geology; mine
geological environ ment evaluation; extension set; class-i
fied analysis; lead zinc ore; Maoping CLC number :P66 Document code :A Article ID:1009-6094(2013) 02-0111-06
文章编号:1009-6094(2013) 02-0116-05
自然通风室内颗粒物分布特征*
韩云龙, 胡永梅, 钱付平, 陈 光
(安徽工业大学建筑工程学院, 安徽马鞍山243002)
摘 要:探讨自然通风方式下室内颗粒物分布及对室内空气品质的影响。采用拉格朗日法随机轨道模型对风压作用下的自然通风房间内颗粒物分布、运移进行了模拟研究, 并综合考虑了布朗扩散力、热泳力及Saff man 升力对颗粒物沉积的影响。模拟分析了室外大气颗粒物质量浓度为0115mg/m3时, 1m/s 窗口风速下, 粒径分别为215L m 、10L m 和50L m 的颗粒物在室内的穿透率、质量浓度分布, 并测试了室内颗粒物的质量浓度与计数浓度, 分析了颗粒物对室内空气品质的影响。结果表明, 小粒径颗粒(如215L m) 具有较强的气流跟随性, 小粒径颗粒的穿透率大于粒径10L m 、50L m 的颗粒, 而且其质量浓度分布也比大粒径颗粒均匀; 大粒径颗粒则受重力沉积机制作用, 主要沉积于地板。由于室外大气颗粒物质量浓度高于室内, 自然通风状态时, 室内颗粒物质量浓度均较无通风时增加, P M 215颗粒物质量浓度在室内分布较为均匀, 而PM 10颗粒物质量浓度随高度增加而减小。小粒径颗粒虽然质量浓度较小, 但数量远远多于大粒径颗粒数量; 粒径5L m 以下的分级粒径计数浓度相差约1个数量级, 并且3L m 以下的颗粒物数量占主要部分, 对人体健康的危害也更大。
关键词:环境学; 室内空气品质; 颗粒物; 自然通风; 沉积中图分类号:TU83416 文献标识码:A DOI:1013969/j. i ssn. 1009-[**************]5
0 引 言
颗粒物是影响室内空气品质的重要因素之一, 尤其PM 5
以下的颗粒物更易沉积于人体肺部不易排出。由于病菌、微生物、真菌等生物性致病源往往吸附于颗粒物表面, 对人体健康的危害更大, 可造成人体免疫功能下降或引起呼吸道疾
-4]病[1。一般情况下, 人80%以上的时间停留在室内, 因此, 颗粒物对室内空气品质的影响已引起人们的高度重视。
对于普通居民住宅, 室内颗粒物主要源于室内烹饪、吸烟、燃煤取暖或其他活动所产生的气溶胶或微尘[5-6]。由于一般家庭均通过开窗换气改善室内空气品质, 室外颗粒物浓度对室内颗粒物有着直接影响[7-8]; 同时颗粒物通过围护结构向室内渗透也是室内颗粒物来源的渠道[9]。室外大气中悬浮的颗粒物进入室内后一部分会沉积下来, 而人们在室内的一些活动往往会引起空气扰动, 使积尘扬起, 导致室内空气品质恶化而影响人体健康。
自然通风换气可以排出或稀释室内烹饪、吸烟等产生的气溶胶及家具散发的挥发性有机气体(VOCs) , 对室内空气品质的改善起到重要作用。然而随着我国基础设施建设的加大、工业的发展、汽车的增多及土地沙漠化等, 大气总悬浮颗粒物(TSP) 呈增加态势, 尤其PM 215颗粒物质量浓度虽不高但颗粒数量远大于大粒径颗粒物, 对人体健康的危害也更大, 因*收稿日期:2012-06-27
作者简介:韩云龙, 副教授, 博士, 从事室内空气品质及污染物治理
技术研究, hanlongy@1631co m 。
基金项目:安徽高校省级自然科学研究项目(KJ2012Z033)
2013环境科学与技术国际会议
继成功举办了前3届/环境科学与技术国际会议0后, 为了进一步推动我国环境科学与技术的发展, 扩大国际学术交
流, 提高学术交流水平, 根据国内外有关学者的建议, 拟于2013年6月4) 7日在辽宁大连市中国大连高级经理学院举办/2013环境科学与技术国际会议(2013International Sympo -sium on Envi ronmen tal Science and T echnology) 0。会议由中国环境科学学会、北京理工大学、大连理工大学主办, 由美国化学会环境化学分会、中国环境科学学会重金属污染防治专业委员会、大连市环境科学学会协办, 由大连理工大学环境学院、工业生态与环境工程教育部重点实验室(大连理工大学) 、爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学) 、大连市科学技术协会承办。在此, 会议秘书处热情地邀请您及您的同事参加本次学术会议。详情请浏览会议网站Http://www. isest11. com 。
2013年4月 韩云龙, 等:自然通风室内颗粒物分布特征 Apr. , 2013
此, 室外大气污染物对室内空气品质的影响不可忽视。/病态建筑综合征0和其他空调病的出现使人们对封闭式办公建筑或公共建筑内空气品质问题逐渐加以重视[10-14], 然而普通居民住宅内的空气品质却少有关注。本文通过计算流体动力学模拟自然通风状态下室外大气颗粒物进入室内并在其间的分布情况, 同时对自然通风状态时室内颗粒物浓度进行测试分析, 并就颗粒物对室内空气品质的影响进行定性评价, 以期揭示普通居民住宅自然通风方式下颗粒物的分布规律。
[15]
测颗粒物的沉积。用控制体积法对方程组进行离散化, 用SIMPLE 算法处理压力-速度耦合问题。对三维房间结构进行网格划分, 均为六面体网格, 共生成53万个网格单元。边界条件:入口处为速度入口, 壁面均为无滑移边界条件, 并认为水力光滑, 离散相壁面边界条件为/trap 0; 忽略颗粒间的合并、碰撞及颗粒与壁面的反弹。
113 采样方法
监测时间段为3月9日上午8:00) 11:00。将3个房间进行编号, 每个房间布置3个测点(见图1) , 按编号顺序分别进行颗粒物的质量浓度和计数浓度的测定。在每一个测点距地板高015m 、110m 、115m 、210m 处分别进行颗粒物测定。室外颗粒物浓度测点位于窗外1m, 距地板高度115m 处, 测3次取其平均值。将3个房间测得数据进行平均, 取其平均值进行分析。质量浓度测试仪采用TSI8530, 粒径尺寸为011~10L m, 可测质量浓度范围为01001~150mg/m 3, 分辨率为? 011%读数。颗粒计数器为Lighthouse SOLAIR 5100, 8通道同时测量和显示粒子的尺寸分布、温度和湿度, 可测量的粒子尺寸最小到015L m 。当测量粒径大于0175L m 时, 计数效率可达100%, 采样相对误差为5%。
1 模型与数值方法
111 房间结构
以普通单室套房间为物理模型, 房间由内隔墙分割为若
干空间功能区, 具体尺寸见图1。房间净高为215m, 窗户尺寸均为018m @115m 。房间通过自然通风方式进行通风换气时, 室外空气通过窗户进出室内。但由于房间的自然通风受风压、热压或两者的共同作用, 及风向的变化等室外的气象条件影响较大, 实际的自然通风情况是复杂的。因此, 采用数值模拟的方法进行房间自然通风的研究需进行简化, 只考虑风压作用下的自然通风。通过窗户的风流流向见图1, 风流速度方向均垂直于窗户平面。112 模型方程
自然通风房间内空气与颗粒之间的运动属于典型的气固两相流动问题。目前, 对此问题的解决方法主要有欧拉法与拉格朗日法。拉格朗日法可追踪单个颗粒的运动轨迹, 但是需要花费较多的计算时间, 比较适用于颗粒相稀疏的气-固两相体系。一般而言, 采用自然通风方式房间内的灰尘浓度较低, 因此, 采用拉格朗日法的随机轨道模型对颗粒的运动轨迹进行追踪。空气与灰尘可分别处理为连续相与分散相。通常来说, 由于灰尘粒径较小且浓度较低, 连续相对分散相有重要的影响, 而灰尘颗粒对连续相的影响可以忽略, 因此采用拉格朗日法的单相耦合计算方法。
自然通风房间内灰尘沉积的模拟计算应用Fluent 611软件, 采用雷诺应力模型(Reynolds Stress Equation Model, RSM ) 模拟不可压缩湍流流动, 并结合增强型边界处理条件,
以合理预
2 结果与讨论
211 颗粒运动轨迹
图2为房间内PM 215颗粒轨迹图。由图2可以看出, 室外新风通过房间两窗进入室内, 受到围护结构的限制形成受限射流, 并将周围气体卷吸, 从而使射流范围逐渐扩大, 流速逐渐减小, 同时在射流两侧与两墙间形成较大的涡旋区。由于房间结构及内隔墙的影响, 气流流经这些部位(如拐角、隔墙) 时发生流向的急剧变化, 这就使得室外气流所携带的颗粒物在惯性作用下沉积于墙面。另外, 室内空间较大, 即使窗口风速较大, 气流进入室内后流速也迅速下降, 从而使颗粒物在重力、扩散力作用下沉降。
212 颗粒穿透率
对于采用自然通风方式进行室内通风换气的普通居民住宅, 若室外大气TSP 浓度较高,
则会成为室内颗粒物的主要来
图2 自然通风房间颗粒轨迹图(窗口风速1m/s, 颗粒
图1 房间结构尺寸示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the apartment structure
粒径215L m, 温度293K)
Fig. 2 Particle traces of the natural ventilated apartment (window wind
velocity:1m/s, particle size:215L m, temperatu re:293K)
Vol. 13 No. 2 安全与环境学报 第13卷第2期
源。颗粒物进入室内后, 部分颗粒沉积于墙面、地板、家具等表面, 部分随气流由窗、缝隙等又返回室外。为了解颗粒物室内沉积情况, 采用房间颗粒穿透率, 即颗粒物排出房间的质量浓度与进入房间的质量浓度之比反映颗粒物于室内的沉积。并认为颗粒仅由窗口进出房间, 忽略围护结构及窗户缝隙的影响。在窗口风速为1m/s, 室外TSP 为0115mg/m 3时, 分别对粒径215L m 、10L m 、50L m 的颗粒在室内的分布进行模拟计算。穿透率
p =
Q out
@100%in
(1)
于主气流气速较大, 颗粒随主气流呈密集分布。215L m 和50L m 两种颗粒的运动及分布略有不同。215L m 的小颗粒由于质量小, 具有较强的气流跟随性, 在房间内运动的距离较长, 出口处仍有较高的颗粒质量浓度。还可发现, 215L m 的小颗粒具有较强的扩散性, 在房间内窗口两侧回流区附近, 小粒径颗粒质量浓度较高, 立墙处的颗粒质量浓度也明显高于50L m 颗粒, 表明215L m 颗粒的沉积作用机制主要为扩散沉积, 而50L m 颗粒以重力沉积为其主要作用机制。214 自然通风方式下室内颗粒物测试分析
较高的室内颗粒物质量浓度会对人类健康造成不良影响。有研究表明, TSP 每增加100L g /m 3, 急慢性呼吸道疾病增加30%[16]。若室外大气中颗粒物浓度明显高于室内颗粒物浓度, 采用自然通风方式对室内进行通风换气, 大气中颗粒物浓度对室内颗粒物浓度及粒径分布产生直接影响, 尤其是大气可吸入颗粒物(P M 10) 对室内空气品质产生不良影响, 从而影响室内人员的工作、生活环境。我国2012年发布的环境空气质量标准明确规定可吸入颗粒物PM 10的日平均最高容许质量浓度为0115mg/m 3, PM 215为01075mg/m 3(对应于二级标准) 。
对室内人的呼吸区范围(015~2m) ) ) ) 015m 、110m 、115m 、210m 4个高度水平的颗粒物质量浓度进行实测, 不同高度平面的颗粒物质量浓度平均值见图4。由图4可以看出, 无通风时, PM 10颗粒物质量浓度随距地面高度增加而减小, 而PM 215颗粒物质量浓度变化较小, 分布较为均匀。自然通风时, PM 10、PM 215颗粒物质量浓度比无通风状态时均增加, 室内不同高度的分布情况与无通风时的颗粒物质量浓度相近。测试时室外PM 10与PM 215颗粒物平均质量浓度分别为187L g /m 3、163L g /m 3, 高于室内颗粒物质量浓度(无通风时, PM 10与PM 215颗粒物室内平均质量浓度分别为133L g/m 3、119L g /m 3) 。当进行自然通风时, 室外的颗粒物进入室内, 从而提高了室内颗粒物质量浓度(PM 10与PM 215颗粒物室内平均质量浓度分别为149L g/m 3、138L g/m 3) 。另外, 由于小粒径颗粒质量小, 具有较强的气流跟随性, 随主气流而流动, 在室内分布较为均匀。而PM 10的颗粒物由于所受重力较大, 终端沉降速度高于小粒径颗粒物的沉降速度; 同时, 大粒径颗粒物易与主气流分离, 因此距地面越高处, PM 10
颗粒物质量浓度越小。
式中 p 为穿透率, %; Q in 为颗粒物进入房间时的质量浓度, mg/m ; Q out 为颗粒物通过窗户排出室外时的质量浓度, mg/m 3。
模拟计算得出回风窗口215L m 、10L m 、50L m 粒径的颗粒质量浓度分别为01140mg/m 、01104mg/m 、010122mg/m , 则粒径为215L m 、10L m 、50L m 的颗粒穿透率分别为93%、69%、811%。这表明:小粒径颗粒具有较强的气流跟随性, 随室外大气进入室内后, 只有少量会沉积于室内; 粒径10L m 的颗粒相比于215L m 粒径颗粒, 沉积量显著增加, 约1/3的颗粒沉积于室内; 粒径50L m 的大颗粒则大部分沉积于室内, 表明大粒径颗粒物主要受重力沉积机制作用。室内颗粒物沉积类似于重力沉降室的颗粒物沉降, 但相比重力沉降室, 颗粒物沉积效率要高一些。这是由于室外大气通过窗口时的风速为1m/s, 进入室内后由于空间突然扩大, 风速降低, 使得颗粒物在室内的停留时间增加, 延长了颗粒物的沉积过程; 另外, 房间内各种隔墙或家具等阻碍了风流, 这些部位或者使风流发生向上的突然变化, 使得颗粒物在惯性作用下沉降, 或者成为气流的停滞区, 使得颗粒完全在重力作用下沉降。
213 室内颗粒物质量浓度分布
室外大气中的颗粒物随气流进入房间, 受风速、粒径及房间结构的影响, 颗粒物在室内的质量浓度分布有待探讨。由于室外颗粒物质量浓度(PM 10约为187L g/m 3) 大于室内颗粒物质量浓度(PM 10约为133L g/m ) , 可认为室内的颗粒物均来自于室外, 未进行通风之前室内的颗粒物质量浓度为0, 并认为气流不会引起室内的二次扬尘。
图3为室内高度115m 平面的颗粒物质量浓度分布。由图3可以看出, 3种粒径的颗粒随主气流由窗口进入室内, 由
33
3
3
3
图3 室内颗粒物质量浓度分布(距地板115m)
Fig. 3 Particle mass concentration fields of indoor space (at a height of 115m above the ground)
2013年4月 韩云龙, 等:自然通风室内颗粒物分布特征 Apr. , 2013
虽然小粒径颗粒物的质量浓度较小, 但其计数浓度很高, 往往吸附各种有害物, 因此对人体健康的危害更大。为了解自然通风时室内颗粒物计数浓度的分布情况, 采用颗粒计数器(Lighthouse 5100) 对无通风与自然通风两种情况下室内不同高度颗粒物计数浓度进行测试, 结果见表1。从表1可以看出, 由于室外颗粒物计数浓度较高, 所以自然通风时室内颗粒物计数浓度较无通风状态下偏高; 而室内不同高度的颗粒物计数浓度变化与颗粒物粒径有关。粒径10L m 的颗粒数量随着距地面高度的增加呈现减小趋势; 而粒径5L m 以下的颗粒物计数浓度随高度变化不明显, 分布较为均匀。这是由于小粒径颗粒物所受重力作用较小所致。从表1还可以看出, 粒径越小, 颗粒的数量越多。粒径5L m 以下的颗粒物分级粒径之间颗粒计数浓度相差约1个数量级, 3L m 以下的颗粒物数量占主要部分。小粒径颗粒虽然具有较小的质量浓度, 但其数量远远大于大粒径颗粒。
PM 10以下的可吸入颗粒物能通过呼吸进入人体的呼吸系统, 对人体健康的影响较大。因此, 对于普遍采用自然通风方式进行通风换气的居室, 若室外颗粒物浓度较高, 则室内颗粒物浓度及分布主要受室外大气的影响, 即使颗粒物质量浓度不超标, 但其颗粒数量大, 也会影响室内空气品质并对人体健康造成不良影响。
响, 易形成气流停滞区或气流的急剧变化, 从而影响颗粒物的分布与沉积。
2) 颗粒粒径越小, 越具有较强的气流跟随性, 因而小颗粒(215L m) 室内的穿透率要高于大粒径颗粒(50L m) 。
3) 粒径10L m 、50L m 的颗粒质量浓度随高度的增加而减小, 主要受重力作用而沉降; 而粒径215L m 的颗粒主要受扩散作用, 在立墙及顶棚处的沉积量大于10L m 、50L m 的颗粒沉积量。
4) 本次颗粒物监测时段(上午8:00) 11:00) , 室外PM 10、PM 215质量浓度分别187L g/m 3、163L g/m 3, 高于室内无通风状态下的颗粒物质量浓度(PM 10、PM 215质量浓度分别133L g/m 3、119L g/m 3) 。由于室外颗粒物质量浓度较高, 自然通风状态时, 室内颗粒物PM 10、PM 215质量浓度分别149L g/m 3、138L g /m 3, 均较无通风时增加。PM 215颗粒物质量浓度室内分布较为均匀, 而PM 10颗粒物质量浓度随高度增加而减小; 小粒径颗粒虽然质量浓度较小, 但数量远远高于大粒径颗粒数量。
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3 结 论
1) 室外新风通过窗户进入室内,
由于内隔墙或拐角的影
图4 室内颗粒物质量浓度变化
Fig. 4 Mas s concentration variation of indoor dust particles
Atmos phe ric Environme nt, 2001, 35(20) :3463-34731
表1 室内颗粒物计数浓度
Table 1 Number concentration of indoor dus t particles
状态
高度/m
0151
无通风
1152平均0151
自然通风
1152平均
室外
平均
015L m [***********][***********][***********][***********][**************]9
1L m [***********][***********][***********][***********]94076
2L m [***********][***********][***********][***********]
3L m [***********][***********][***********]9
5L m [***********][***********]71748546
10L m [***********][***********][1**********]01
个#m -3
Vol. 13 No. 2 安全与环境学报 第13卷第2期
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ic force, gravity and Saffman lifti ng force. In our paper, we have ob -served and tested the particles . penetration and distribution in the
room condition usually i n sizes of 215L m, 10L m, 50L m and the TSP concentration of 0115mg/m 3and window migrating veloci ty of 1m/s. At the same ti me, we have measured the mass concen tration and the distribution concen tration of the dus t particles and analyzed the effects of such particles on the indoor air quality. The resul ts of our work show that the dust particles (i. e. , 215L m) tend to follow the ai r -flow direction. In addi tion, the penetration abili ty of small particles tends to be higher than that of large ones (i. e. , 10L m and 50L m) . Furthermore, the concentration of s mall particles (215L m) is likely to distri bu te more evenly than that of the larger ones. Under the gravity force, larger particles (e. g. , 50L m) tend to deposit mainly on the room floor and result in room dusts. The concentration of indoor and outdoor d us t particles can be monitored by using aerosol monitors. The results of our study show that the outdoor dust particles in most cases tend to fly higher than those of the indoor ones, where -as the indoor dust particles under the condi tion of natural ventilation tend to fly higher than those with no ventilation at all. Whereas PM 215distributes tend to fly uni formly in the indoor condition, the PM 10dis -tributes would be li kely to decrease with the increase of the height. T he dust particle concen tration monitoring results we have gained in our paper show that, whereas the mass concentration of the smaller particles (
natural ventilation; deposi tion C LC number :TU83416 Document code :A Article ID:1009-6094(2013) 02-0116-05
On the distributional features of the dust part-i
cles in a naturally ventilated room condition
HAN Yun -long, HU Yong -mei, QIAN Fu -ping, CHEN Guang (School of Civil Engineering and Archi tecture, Anhui University of Technology, M a . anshan 243002, Anhui, China) Abstract:The present paper ai ms at introducing i ts research results on the distributional features of the dust particles in the natural vent-i lated room condition, for which we have investigated the concentration distribution features of indoor dust particles and their effect on the room air q uality. In our paper , we have simulated the distri bu tion and migration of the room dust particles in a natural ventilated room on the basis of the random migration model of LaGrange approach while consideri ng the effects of the Brownian force, the thermophoret -