室內顆粒物的穩態置換流凈化機制

林官明 ,任陣海 ,宋建立 (1.北京大學環境科學與工程學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京100871；.中國環境科學研究院,北京 10001；.石家莊奧祥醫藥工程有限公司,河北 石家莊 05001)

大多數人將近 90%的時間是在室內[1],從人體污染物暴露的劑量上看,室內污染對人體健康的影響更為嚴重,因此,考察室內污染物的源與匯及遷移轉化顯得尤為重要.

室內空氣質量與污染物來源直接相關.室外污染物通過門窗,墻的間隙以及通風系統進風口等進入室內,而室內源則在室內直接進入空氣.目前,細粒子(PM2.5)成為危害健康的主要大氣污染物[2-3].自然通風條件下,室內細粒子的濃度與室外 PM2.5濃度直接正相關[4].室內建筑或設施,人員的活動或生產也會產生 PM2.5.比如,吸煙、烹飪、供暖過程等都可導致室內顆粒物濃度在短時間內提高幾倍甚至幾十倍[5].人員活動、打掃、洗澡等活動也會引起顆粒物的再懸浮[6].對于粒徑2～10μm 的顆粒物,約有 57%～80%的份額來自室內活動[7].

當前室外 PM2.5濃度居高不下[16-20],室內也產生相應 PM2.5污染[21],如何利用通風系統保障室內空氣的清潔,尤其是如何有效地清除室內空氣中的 PM2.5,是人們日益關注的問題.穩態置換流式通風系統是一套高效的室內顆粒物凈化裝置[8].本研究通過理論、數值模擬以及現場試驗三種方法定性和定量地分析了室內顆粒物凈化機制,且提出了考慮暴露劑量的凈化效率概念.

1 研究方法

1.1 室內顆粒物污染的特點

由于空間上的特殊性,室內顆粒物與空氣的相互作用截然不同于室外.室內空間相對密封狹小,顆粒物只在有限的空間內(1～10m)遷移擴散,多與固壁接觸,被吸附或沉降在地板、墻體、頂板、家具及人體等表面.

顆粒物與空氣相對速度低,自然通風條件下,室內氣流的平均速度經常低于常規測速儀器的測量下限(0.1m/s).

熱對流作用對顆粒物運動影響顯著.室內空氣往往有顯著的溫度梯度,實測表明,自然通風情況下天花板與地板的溫差也有 2℃[9].即使不在供暖季,天花板附近的溫度也比地板附近的溫度高,加上室內人員、辦公電器等熱源的影響,室內熱對流導致的氣體運動是主要的氣流運動形式.

地表及壁面吸附的顆粒物再懸浮影響大.室內顆粒物的再懸浮來自地板、家具、墻體及頂板.因為約束在室內,再懸浮會導致重復污染.實驗結果表明,人的活動引起的再懸浮會導致 PM10的濃度平均升高2.5倍,峰值濃度升高4.5倍[10].

顆粒物去除因素少.去除因素只有清掃清潔,或者有通風裝置的吸附過濾.

1.2 顆粒物通量分析

對于室內空氣凈化的流動,比較理想的方式是形成均勻單一方向的層流,比如在某面墻上均勻設置進風孔,在對面的墻上也設置均勻的排風孔,含污染物的空氣在均勻壓力場的作用下穩定地被新風置換.這種布局在生活及從事生產的室內空間是不現實的.

室內空間的流動極其復雜[11].由于速度較低的固壁邊界上都存在轉捩行為,室內物體周圍普遍存在分離現象,使得氣流的脈動速度往往高于平動速度.這種情況下,假設室內空間某點的顆粒物的行為滿足 Markov過程是合理的,即在目前運動狀態的條件下,它未來的運動狀態不依賴于以往的演變過程.如果所定義的通量矢量在數值上一致較大(比如為正),則排出室外的通量就大.顯然,漩渦的存在不利于顆粒物更快地遷移到排風口,較強的湍流擴散及分子擴散增加了顆粒物向各個方向運動的可能性,從而削弱了凈化裝置所期望的指向正向的運動.

大氣湍流的Kolmogorov湍流微尺度定義為η=(v3/ε)1/4,其中 v 為粘性系數,ε為湍流耗散率.空氣的湍流微尺度大概在 η=1mm[12].邊界層的粘性次層的厚度定義為v/uf,其中uf為摩擦速度.以大氣流動中常見的摩擦速度 0.1m/s量級估計,粘性次層的幾何尺度在 0.1mm.考慮到熱線風速儀使用的熱絲直徑在 3～5μm,空氣流體微元的幾何尺寸應在空氣分子自由程λ量級到熱絲直徑量級之間,即 0.1～3μm.相應地,對于表征空氣中某顆粒物的物理量,可劃分為 3個幾何特征區間：小于 1μm的,以分子運動特征量論述,稱為λ尺度;1mm量級的,以湍流脈動特征量論述,稱為η尺度;1m量級的,以平均運動特征量論述,稱為δ尺度.

顆粒物在空間中的通量Ji定義為

式中：c為顆粒物的濃度,upi為顆粒物運動速度,S為顆粒物通過的面積,T為平均時間.這里采用張量表示法,定義的通量具有方向性.

顆粒物與氣流之間存在滑移,即

式中：uai與Vi分別為氣流速度和滑移速度.對 uai與Vi進行三個空間尺度的分解,

假設A：在λ尺度范圍,η尺度的物理量為常量,同樣,在η尺度,δ尺度的物理量為常量.

這樣,有以下對通量的系綜平均過程

在假設A下,

重寫(5),得

式(7)的物理含義是顆粒物的通量被分為平均運動、湍流脈動以及分子運動幾部分.

式中：m為顆粒物質量,F0為空氣分子的隨機碰撞導致的力,為顆粒物與空氣分子之間的相對速度, r為顆粒物的半徑, μ為空氣的粘性系數,這里用到斯托克斯阻力公式.

式中：τp=2ρpr2/9μ稱為弛豫時間.對1μm 左右粒徑,密度為 1.5×103kg/m3的顆粒物,τp在 10-6s量級.接著對式(10)進行系綜平均,在 δ尺度下.這樣,有

式(11)中為下標未使用愛因斯坦求和表示法,該式與用類比的方法獲得的公式相同[13].與顆粒物的速度相比,滑移速度非常小,只有當顆粒物足夠大的情形下才變得重要.

在δ尺度,再次用斯托克斯阻力公式

或

方程兩側乘以c′,且進行系綜平均

作為近似此處取 Δt=τL,即流體的拉格朗日時間積分尺度,相當于體現在系綜平均過程中.

這樣,

同理,得到

Ki為湍流擴散系數,且該式不求和,DB為布朗擴散系數.

重寫式(7),得到通量表達式[14]：式中：等號右端第1項為平流輸送項,顯然,沿目標方向顆粒物平均速度越大,則通量越大;第2項為滑移平均速度項,顆粒物脈動速度方差沿目標方向的梯度越小則通量越大,提示顆粒物最好以脈動速度漸弱的方式靠近匯;第3項為湍流擴散項,由于一般顆粒物濃度在指向匯的方向上增加,梯度為正,則湍流擴散系數越小,或者湍流越弱,則通量越大;最后一項為布朗運動擴散項,與湍流擴散項相同,布朗運動越弱或通量越大.

1.3 穩態置換流凈化機制

1.3.1 進排風口的選擇方法 設想一個L(長)×W(寬)×H(高)的長方體房間,不失一般性,設L≥W＞H.通風凈化裝置只能安裝在墻體、地板和天花板上.考慮到不影響人員在地板上的活動,顆粒物本身有重力沉降,合理的排風口一般位于墻體下部,進風口則位于墻體上部或頂板.有些傳統的通風裝置把進排風口統統設計在天花板,其缺點是顯而易見的：易形成短路,靠近地板的空間換氣不足,死區占比高,顆粒物運動過程中存在方向的改變,這意味著驅動室內流動的能量的損耗.穩態置換流采用最大過風空間策略,即對邊線狀布置進排風口,以盡可能減少室內空間的死區.

若只設一排下排風口,定義房間中空間點離開該邊的最遠距離為dmax,顯然,選擇長邊的dmax數值上比選擇短邊的數值要大.因此,同樣條件下,比如流速相同,排風口選擇長邊能夠使顆粒物更快地到達排風口.

設置 2個長邊排風口是有缺陷的.設想同時在兩個長邊設置了下排風口,根據對稱性,進風口在頂板正中,那么就存在一個理想的對稱面.位于對稱面的某顆粒物向兩側長邊運動的可能性是隨機的,或者說該對稱面氣流理想上是靜止的.因此,多排風口會使得房間內氣流流動具有更大的不確定性,應當盡可能避免.

不失一般性,假設在某側長邊上的排風口均勻布置,那么根據對稱性,進風口的合理位置就是對面的長邊.因為放在同側顯然不利于新風對房間空間的清掃,放在臨側同樣會顧此失彼.這樣,我們得到簡化的穩態置換流凈化通風模型：上進風口位于某側長邊,下排風口位于對面長邊.

設置進風裝置的房間一般是正壓,即房間內壓力較室外大氣壓高,而只采用排風裝置的房間則是負壓,即房間內壓力較大氣壓低.一般家庭的廚房通風即采用的是負壓方式,根據質量守恒定律,室外大氣會通過門窗進入室內.如果室外空氣質量較差,顆粒物濃度較高,那么負壓下會不斷吸入臟空氣而不利于保持房間的清潔.沒有顆粒物源的房間凈化的想象圖是這樣的：污染團在受約束的空間緩慢移動并擴散,最終遷移出去.

1.3.2 凈化效率 綜合考慮室內空氣凈化效果時,有4個變量需要考慮：房間體積大小Ω,新風通風量I,室內源強度Q以及室內顆粒物濃度c.凈化效率為：

式中：E0為沒有凈化裝置也沒有通風的室內顆粒物暴露量;E為有凈化裝置或有通風的室內顆粒物暴露量;c0為室內初始濃度;T為凈化裝置運行后達到凈化標準濃度的時間.

式(21)的物理解釋是時間T內,房間體積與總新風量的劑量暴露加權比值.時間越長,則暴露劑量越大,相應的凈化效率就越低.不考慮劑量加權時,凈化效率η0=Ω/(TI),其倒數TI/Ω即常規通風設計中的換氣次數[15].

室內空氣凈化不適宜采用高流速的方式,除了舒適性考慮之外,一方面是因為能耗與速度的三次方成正比,另一方面較高的速度意味著湍流的加強,不利于通量的提高.

2 計算與實驗

2.1 二維流場

采用穩態置換流裝置布局,考慮一個二維的簡化流場,對應于現場一個長 7.0m,寬 6.6m,高3.0m的房間.現場測量平均流場結果如圖1,模式計算如圖2,圖3.

圖1 現場測量的平均速度場Fig.1 The measured mean speed contour

圖2 穩態置換流流場示意(進風量1200m3/h)Fig.2 Steady substitution flow

圖3 上進風上排風流場示意Fig.3 Indoor flow with air ceiling inlet and outlet

氣流自左上角輻流方式進入室內,自右下角被過濾并回風,通風量為1200m3/h.使用DISA熱線風速儀測量得到的平均風速在 0.5cm/s以下,低于一般的風速測量儀器的測量下限.流動的數值計算采用 Fluent軟件k-ε模式,未考慮門窗的影響,其結果可以與現場實測結果對照參考.對k-ε模式用于室內流場計算,Miao[11]進行了較詳細的綜述,認為該模式可以較好地進行模擬.

比較圖2和圖3可發現,相同進風量的情況下,穩態置換流降低了漩渦區面積,活動區氣流速度顯著降低,整體氣流單向性好.

2.3 現場實測

圖4 北京某幼兒園活動室Fig.4 The setup of the steady substitution flow in a nursery school in Beijing

圖5 實測數濃度隨時間變化Fig.5 Variation of the measured number concentration

為考察不同流場狀態凈化效率的不同,在北京某幼兒園2個活動室(圖4)使用Y09-310型激光塵埃粒子計數器進行了濃度隨時間變化的測量.圖5為2個房間中心位置的實測顆粒物數濃度(只統計 1～3μm 的粒子數)隨時間的變化,可以看出,系統運行幾分鐘后濃度隨時間的變化近似指數分布,擬合后代入式(21)進行計算,得凈化效率.在無顆粒物源的情形下,右側房間的凈化效率比左側的要高.不采用劑量加權的凈化效率η0明顯比η偏大,如右側房間的η0為41.7%,而相應的η為 25.7%.其原因在于,右側房間有兩個進風口,共同作用下在進風口之間存在混合區,加大了湍流擴散,削弱了氣流的單方向性.

3 結論

3.1 用時間空間尺度分析方法得到顆粒物通量穩態置換流通過以下原則提高凈化效率：弱正壓原則.從源頭控制,用于阻滯室外污染空氣進入;最短路徑原則.充分考慮重力沉降,滿足最大掃過室內空間的同時,盡可能縮短氣流在室內經過的路徑;穩定低速原則.盡可能降低氣流阻滯帶來的能量消耗;弱化湍流擴散原則.盡可能減少形成渦旋的條件,讓污染物沒有充分擴散就抵達排風口.

3.2 從實測數據看,凈化裝置運行情況下,顆粒物數濃度隨時間指數衰減.將不同通風凈化裝置產生的死區納入考慮,采用暴露劑量加權的凈化效率做凈化指標更合理.

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