顆粒物通過縫隙的滲透特性實驗研究

李志永潘菂李志遠張帆

1北方工業大學土木工程學院

2北京市建筑設計研究院有限公司

3湖南大學土木工程學院

1 問題的提出

室內空氣可吸入顆粒物對人體健康有重要影響，而室內空氣所受室外源細顆粒物的污染主要是通過門窗或墻縫等縫隙來滲透進入室內[1]。根據美國環境保護署的一項研究表明，室內大約有75%的PM2.5來自室外污染空氣的影響[2]。因此，對細顆粒污染物通過縫隙擴散進入室內的規律進行研究具有重要的意義。

可吸入顆粒物通過圍護結構縫隙的穿透特性主要受顆粒物直徑，氣流速度，縫隙的幾何形狀，尺寸（縫隙高度、縫隙寬度、氣流經過長度）和數量的影響[3-4]。部分學者對其進行了研究。Thatcher等[5]通過實驗表明，建筑圍護結構對顆粒物的攔截作用可以忽略（穿透因子P近似為1）。當房間的換氣次數較大時顆粒物在室內的沉積率也可以忽略不計。Lewis等[6]對不同粒徑顆粒物做了基于環境艙的實驗研究，發現不同粒徑顆粒物的穿透因子有較大差異，其波動范圍為0.29～0.97。Lee等[7]對顆粒物通過縫隙的滲透特性進行了實驗研究。實驗證實狹縫擴散主要發生在粒徑大于0.1%μm的細顆粒物，而通過粗糙表面穿透的I/O值小于光滑表面的I/O值。

雖然以往的研究中已經有人采用多種材料來制造狹縫[4]，但還沒有人通過對狹縫內側壁面的粗糙度進行控制來開展相關研究。為了更深入的研究顆粒物通過縫隙進入室內的規律，本文利用不同粗糙度的砂紙模擬縫隙的粗糙度，并對滲透壓差進行精密控制，研究了壓差、縫隙高度、縫隙粗糙度對不同粒徑顆粒物的影響規律。該研究可以為污染物滲透及控制的相關研究提供參考，并可以為提高室內空氣品質提供設計依據。

2 實驗臺設置

2.1 試驗臺搭建

實驗直接采用霧霾濃度較高的室外空氣（霧霾濃度高于200 μg/m3）為實驗的測試氣體。本次實驗分別采用LD-5C(B)型粉塵儀和CLJ-03A激光塵埃粒子計數器測量粒子濃度和質量濃度。

實驗原理如圖1所示，實驗時氣流由圖中左側入口段進入，經過整流段3整流使氣流流速穩定，然后到達前采樣段4。在壓力的作用下，前采樣段里的細顆粒物通過縫隙結構5中的縫隙滲透擴散進入后采樣段6。最后，后采樣段中的細顆粒物在風機排風的作用下，經過過渡段7被排出試驗艙。本文實驗設計用微壓計來測量縫隙兩側壓差，精度為0.5Pa。通過風機變頻控制縫隙兩側壓差。實驗條件如表1所示。

圖1 顆粒物縫隙滲透實驗原理圖

表1 實驗條件列表

圖2中間部分為縫隙結構，是由若干垂直疊放于試驗艙內的玻璃板組成，玻璃板尺寸為0.20 m（W）×0.15 m（L）×0.004 m（H）。安裝時，在上下兩塊玻璃板之間夾兩根金屬絲使兩板間形成細縫（圖2），這樣前采樣段與后采樣段便由縫隙連通。隨著金屬絲直徑的不同，縫隙高度也相應產生變化。實驗裝置中設計兩條完全相同的縫隙來提高氣流流動和風量的穩定性。為控制縫隙內表面的粗糙度，本實驗采用不同粒度的砂紙貼附在玻璃板的內表面的方法來設置縫隙內壁面的粗糙度。

圖2 縫隙結構正面圖

2.2 實驗過程

在實驗前先對玻璃表面進行清洗。砂紙表面也要仔細吹灰除去附著的顆粒。在安裝縫隙結構時，將兩縫隙以外的所有其他縫隙（包括玻璃板與外壁的縫隙以及其他玻璃板和玻璃板間的接觸縫隙）進行密封，以確保裝置兩側的空氣只能由狹縫通過。±0.5Pa實驗裝置安裝好后，開啟風機使縫隙兩側的實際壓差與實驗所需要的壓差大小相近。開啟實驗儀器并旋轉閥門V使前采樣段與測試儀器連通。調整風機使縫隙兩端壓差穩定于實驗所需要的壓差。然后用粉塵儀（LD-5C(B)型）測量前采樣段PM2.5濃度ρ1。旋轉閥門V使后采樣段與測試儀器連通，同時使前采樣段與儀器斷開。再次調整縫隙兩端壓差穩定于實驗所需要的壓差。壓差穩定后用測試儀器測量出口段PM2.5濃度ρ2。記錄ρ2以后，立即旋轉閥門V再次測量前采樣段濃度ρ3，然后根據所測量的結果計算穿透率P。同時用CLJ-03A激光塵埃粒子計數器對實驗結果進行測量，實驗步驟也與前者相同。

雖然實驗已設置對其它縫隙作密封處理，但也會出現少量的氣體泄漏。實驗中假設將這部分極小的氣體泄漏對穿透率的影響忽略不計。由于后采樣段直接用風機排風，所以顆粒物于后采樣段內的沉淀也忽略不計。

2.3 數據分析方法

實驗中共涉及4個因素（壓差，粒徑，粗糙度和縫隙高度），其中壓差因素中含有5個工況（2Pa、4Pa、6Pa、8Pa、10Pa）。粒徑因素中含有 6 個工況（PM0.3、PM0.5、PM1、PM3、PM5、PM10）。粗糙度因素含有 3 個工況（0 μm、10.3 μm、20.5 μm）。縫隙高度含有 3個工況（0.3mm、0.5mm、1mm）。

由于本文實驗采用間接法測量室外濃度值，進而計算求得顆粒物通過縫隙滲透后的穿透率，單個元素的穿透率可由下式進行計算：

為方便于說明實驗結果，后文所提到的穿透率P，是指單元內所有元素的平均值。

本文中需計算實驗結果的正負偏差，實驗偏差是指個別測定值與平均值之間的差值。正負偏差值計算可表明實驗元素在單元內的密集程度并可輔助分析實驗數據的有效性。本文采用一元線性回歸分析數據，并采用最小二乘法求出其方程。

3 實驗結果分析

3.1 縫隙高度對穿透率的影響

圖3為縫隙內表面粗糙度分別為0 μm，10.3 μm及20.5 μm時，在不同縫隙高度的條件下，細顆粒物通過縫隙的穿透率與壓差變化的關系。圖中數據由LD-5C(B)型粉塵儀采集記錄，圖中所示是PM2.5質量濃度的穿透比。由圖可知，PM2.5通過不同縫隙的穿透率在0.85至1之間變化。除了粗糙度為20.5 μm的工況，其余工況穿透率隨著壓差的增大而增大，傳統率與壓差呈線性變化。在粗糙度為0 μm時，縫隙高度為1mm時的穿透率最大，縫隙高度為0.3mm時的穿透率次之，縫隙高度為0.5mm時的穿透率最小。在粗糙度為10.3 μm時，縫隙高度為0.5mm時的穿透率最大，縫隙高度為0.3mm時的穿透率次之，縫隙高度為1mm時的穿透率最小。在粗糙度為20.5 μm時，由于相關系數較小，沒有明顯的規律。

圖3 不同縫高下穿透率與壓差關系

3.2 粒徑對穿透率的影響

圖4為粗糙度為10.3 μm時，不同縫隙高度及不同壓差下顆粒物穿透率與粒徑的關系。其中穿透率是按著顆粒物數量計算得出的。由圖可知，大部分情況下，隨著顆粒物粒徑的增大，穿透率減小。但各別工況出現了隨著顆粒物粒徑增大穿透率變化并不單調的情況，如縫高為1mm時壓差為4Pa的工況。粒徑在PM0.3至PM1之間時，穿透率P一般在0.9至1之間變化。粒徑大于PM1，穿透率主要在0.75至0.9之間變化。在不同壓差下，穿透率隨粒徑變化曲線的降低幅度也有不同。一般，當壓差較小時穿透率的下降幅度較大，反之較小。但在粗糙度為10.3 μm，縫高為0.3mm時，10Pa壓差的工況穿透率下降幅度最大。

圖4 不同壓差下穿透率與粒徑的關系

3.3 粗糙度對穿透率的影響

本小結的穿透率是按著顆粒物數量計算得出的。在圖中，數據點的上下兩側配以偏差線來直觀地反應實驗數據的波動情況。為較好地體現數據波動情況，圖中只展示PM0.3和PM10的正負偏差線其中PM0.3的偏差線范圍一般較小，比較難以辨認。PM10的偏差線范圍卻一般較大。如圖5所示為顆粒物在縫隙高度為0.3mm時，不同壓差下顆粒物穿透率與隨粗糙度的關系。

圖5 不同顆粒穿透率與粗糙度的關系

由圖可知，在不同壓力工況下，穿透率隨著粗糙度變化并不一樣。壓力為2Pa時，穿透率隨著粗糙度增加而減小。壓力為6Pa時，穿透率隨著粗糙度變化不大。壓力為10Pa時，穿透率隨著粗糙度先變大后變小。另外，在大部分工況下，小粒徑顆粒物的穿透率大于大粒徑顆粒物的穿透率。粗糙度越大，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越大。粗糙度越小，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越小。壓差越大（10Pa工況），不同粒徑顆粒物的穿透率相差越小。壓差越小，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越大。

3.4 縫隙高度對穿透率的影響

本小結的穿透率是按照顆粒物粒子數量計算得出的。在圖中，數據點的上下兩側配以偏差線來直觀地反應實驗數據的波動情況。為較好地體現數據波動情況，圖中只展示PM0.3和PM10的正負偏差線。如圖6所示為縫隙內表面粗糙度為0%μm時，不同壓差時穿透率與縫隙高度的關系。

圖6 穿透率與縫隙高度的關系

由圖可知，在不同壓力工況下，穿透率隨著縫隙高度變化規律并不一樣。壓差為2Pa時，穿透率隨著縫隙高度增加而減小，基本呈線性變化。壓力為6Pa時，穿透率隨著縫隙高度緩慢增加，增加值變化不大。壓力為10Pa時，穿透率隨著縫隙高度增加大顆粒物（PM5與PM10）先減小后增大，小粒徑顆粒物（PM0.3、PM0.5、PM1、PM3）先增大后減小。另外，在大部分工況下，小粒徑顆粒物的穿透率大于大粒徑顆粒物的穿透率。縫隙高度越大，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越大。縫隙高度越小，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越小。壓差為10Pa時，顆粒物穿透率差別最大。

4 結論

本文實驗測試了細顆粒物通過縫隙進入室內的滲透規律。實驗研究中考慮了縫隙兩側壓差，縫隙高度，縫隙內表面粗糙度以及顆粒物粒徑四個因素。實驗時采用兩平板間夾金屬絲的辦法來構造縫隙，縫隙高度即為金屬絲直徑，其數值分別為0.3mm，0.5mm和1mm。縫隙內表面粗糙度的數值分別為0 μm，10.3 μm 和 20.5 μm。實驗分別在 2Pa、6Pa、10Pa 等五種壓差下進行。實驗研究表明。

1）顆粒物通過縫隙的穿透率主要受縫隙兩側壓差和顆粒物自身粒徑的影響，縫隙高度與縫隙粗糙度對穿透率的影響相對較小。

2）壓差與穿透率線性相關度較高，判定系數R2一般大于0.7。大部分情況下，隨著顆粒物粒徑的增大，穿透率減小。但個別工況出現了隨著顆粒物粒徑增大穿透率增大的情況。

3）粗糙度增加時，穿透率隨著粗糙度變化并不一樣，具體變化規律與壓差大小有關。另外，在大部分工況下，小粒徑顆粒物的穿透率大于大粒徑顆粒物的穿透率。粗糙度越大，不同粒徑顆粒物的穿透率則相差越大。

4）在不同壓力工況下，穿透率隨著縫隙高度變化規律并不一樣。在有的壓差下，穿透率隨著縫隙高度增加而降低，在有的壓差下，穿透率隨著縫隙高度增加而升高。部分壓差下穿透率隨著縫隙高度增加呈現波動性。

本文通過改變縫隙內表面粗糙度等方法研究了縫隙兩側壓差，縫隙高度，縫隙內表面粗糙度以及顆粒物粒徑對滲透率的影響，相關研究可為污染物滲透及控制的相關研究提供參考，并可以為提高室內空氣品質提供設計依據。

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