空氣穩(wěn)定性對室內(nèi)人體持續(xù)與間歇呼氣的影響＊

徐春雯，龔光彩?，王雅迪，Peter V.Nielsen，劉 荔

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.Department of Civil Engineering，Aalborg University，Aalborg 9000，Denmark）

空氣穩(wěn)定性概念源于大氣穩(wěn)定性，對室內(nèi)的污染物傳播有一定的影響，尤其是穩(wěn)定的空氣可能造成污染物在一定的高度分層凝滯，不利于通風(fēng)對其稀釋排出.室內(nèi)人體本身在呼吸過程中產(chǎn)生CO2，說話、咳嗽或者打噴嚏過程產(chǎn)生飛沫，可能攜帶通過空氣傳播病菌，成為室內(nèi)空氣的污染源.研究人體呼氣擴(kuò)散特點(diǎn)對于控制疾病傳播、降低污染物的危害具有重要意義.

1 空氣穩(wěn)定性與人體呼吸過程

1.1 空氣穩(wěn)定性概念

空氣穩(wěn)定性原本是用于描述大氣特性的一個重要參數(shù).穩(wěn)定的空氣會阻礙氣塊豎直方向的運(yùn)動，可能使污染物在地表附近堆積不易擴(kuò)散而造成嚴(yán)重污染，如霧、霾的形成，而不穩(wěn)定的空氣會使豎直方向運(yùn)動增強(qiáng)產(chǎn)生劇烈天氣.隨著研究發(fā)現(xiàn)，空氣穩(wěn)定性不僅僅存在于室外大氣環(huán)境中，室內(nèi)的空氣也同樣可以應(yīng)用這一機(jī)理［1－2］.

判定空氣穩(wěn)定性分類的一個重要參數(shù)是溫度絕熱遞減率，用λ＝－dT／dy表示，其中T 是溫度（℃），y是豎直方向高度（m）.環(huán)境中的氣塊，可能是污染物，也可能是溫?zé)?、潮濕的空?假使氣塊初始溫度與周圍環(huán)境溫度相同，當(dāng)環(huán)境的溫度豎直遞減率比氣塊的豎直遞減率低，說明氣塊的溫度降低比周圍環(huán)境空氣溫度降低快，氣塊溫度更低密度更大，向上運(yùn)動的趨勢受到阻礙并有可能會返回到原來位置，這時的空氣可以稱為穩(wěn)定的空氣.與此相反，不穩(wěn)定的空氣是當(dāng)周圍空氣豎直遞減率比氣塊豎直遞減率高時，氣塊一直保持相比周圍環(huán)境較高的溫度，因此一直受到向上的推動而持續(xù)運(yùn)動.中性狀態(tài)介于兩者之間.隨著置換通風(fēng)方式作為舒適性通風(fēng)在室內(nèi)的廣泛應(yīng)用，其與傳統(tǒng)的混合通風(fēng)方式的差別越來越明顯，尤其是置換通風(fēng)帶來的豎直方向隨高度遞增的溫度梯度，與混合通風(fēng)的房間內(nèi)豎直方向幾乎不存在溫差明顯不同.假設(shè)室內(nèi)的較高溫度的氣體，例如人體呼氣，人體表面熱羽等，上升過程中由于不斷引入周圍冷空氣溫度逐漸降低至室溫，而置換通風(fēng)的溫度遞減率為負(fù)，此時室內(nèi)空氣為穩(wěn)定狀態(tài).而混合通風(fēng)時環(huán)境豎直溫度遞減率幾乎為零，熱空氣與冷空氣充分摻混達(dá)到相同的溫度，此時的室內(nèi)空氣可以認(rèn)為是中性狀態(tài).

存在遞增的豎直溫度梯度是置換通風(fēng)方式的典型特征之一［3］，往往造成穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境.其對室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱羽、人體呼吸、散流器射流及污染物的傳播的影響也逐漸引起人們的關(guān)注.Nielsen等人在對用于置換通風(fēng)的散流器冷空氣射流研究時發(fā)現(xiàn)，溫度梯度越大，射流與地面的之間的厚度越小，射流邊界越清晰，這是由于穩(wěn)定的空氣造成的射流分層［3］.Liu等人在研究由于人體熱源形成的熱羽時發(fā)現(xiàn)，置換通風(fēng)條件下的人體頭頂熱羽的速度要低于混合通風(fēng)時，說明遞增的溫度梯度限制了熱羽的發(fā)展［4］.Kofoed與Nielsen實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)圓柱形熱源產(chǎn)生的熱羽在置換通風(fēng)時高度降低，并開始向水平擴(kuò)散，即使很小的溫度梯度就會改變熱羽的分布［5］.除此以外，穩(wěn)定的空氣影響人體呼氣擴(kuò)散.

1.2 對人體呼吸的影響

置換通風(fēng)條件下，呼吸區(qū)的溫度梯度足夠大時，從人體呼出的氣體會在一定高度分層凝滯，而沒有溫度梯度時呼出的相對溫度較高的空氣會在浮力作用下上升并與周圍空氣充分混合［6］.Olmedo等人對比了3種送風(fēng)方式下的呼氣軌跡，發(fā)現(xiàn)置換通風(fēng)方式時呼氣的中心線位置最低，向上彎曲的趨勢受溫度梯度的作用被減弱，而混合通風(fēng)和下送風(fēng)時射流向上彎曲較明顯；對比不同通風(fēng)方式的速度衰減后發(fā)現(xiàn)射流中心線的速度在置換通風(fēng)時衰減最慢，說明穩(wěn)定的空氣使呼氣不易向上擴(kuò)散，但在水平方向射流速度更大［7］，這與模擬的結(jié)果一致［8］.這種穩(wěn)定狀態(tài)造成的空氣分層凝滯現(xiàn)象對于醫(yī)院通風(fēng)是非常不利的，可能造成病床之間受害者暴露于較高的污染物濃度水平下而傳染疾病，因此可以形成穩(wěn)定空氣狀態(tài)的通風(fēng)方式不推薦用于醫(yī)院病房［9］.

本文重點(diǎn)研究持續(xù)呼氣和正常人體間歇呼氣時空氣穩(wěn)定性對呼氣射流的影響并對比兩種射流方式的差異，通過測量正常呼吸頻率時人體呼氣速度在穩(wěn)定與中性條件下的衰減規(guī)律，研究人體呼氣特點(diǎn)及受空氣熱環(huán)境的影響.

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)及房間設(shè)置

測試房間的墻體均采用10cm厚度的塑料泡沫板保溫，房間尺寸為3m×2.3m×2.5m，為了實(shí)現(xiàn)不同送風(fēng)方式的轉(zhuǎn)換與不同的空氣穩(wěn)定性條件，頂板和地板上都均勻布置直徑為1cm的孔口，如圖1所示.房間兩側(cè)設(shè)有送風(fēng)室與回風(fēng)室，可以實(shí)現(xiàn)全頂板送風(fēng)與全地板回風(fēng)的混合通風(fēng)方式或全地板送風(fēng)與全頂板回風(fēng)的置換通風(fēng)方式.實(shí)驗(yàn)過程中采用供冷的方式，制冷機(jī)產(chǎn)生的冷凍水通過換熱器使空氣降溫然后通過風(fēng)機(jī)送入送風(fēng)室內(nèi)混合，再經(jīng)過地板或頂板的開口進(jìn)入房間內(nèi).這種均勻布置的小孔有利于氣流分布均勻，降低了送風(fēng)速度的影響.房間內(nèi)的人體模型及豎直均勻布置有熱電偶的立桿L1與L2，另外一根立桿L3置于假人正前方1.3m處.

圖1 位于房間頂板和地板上的通風(fēng)口及房間內(nèi)假人及熱電偶布置Fig.1 Ventilation openings on the ceiling and floor and the positions of manikin and thermocouples

2.2 人體模型發(fā)熱及呼吸設(shè)置

人體模型是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)女性體型制造的，具體的尺寸和構(gòu)造詳見文獻(xiàn)［6］.模型身高1.7m，嘴巴高度1.53 m，嘴巴面積為123mm2，身體內(nèi)均勻布置熱線并由兩個小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動將空腔內(nèi)的空氣混合實(shí)現(xiàn)體表溫度均勻的分布，呼吸和體表發(fā)熱均通過變壓器和功率表進(jìn)行控制，如圖2所示.如果呼氣管連接恒定風(fēng)速的風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)射流，圖2中呼氣和吸氣管連接一個電機(jī)驅(qū)動的活塞裝置，稱為“人工肺”，可以使人體模型按照設(shè)定的呼吸頻率和呼氣量進(jìn)行間歇呼吸，模擬真實(shí)人體的呼吸過程.實(shí)驗(yàn)過程中對兩種呼氣方式均進(jìn)行了研究，并且為了研究室內(nèi)空氣穩(wěn)定性的影響，共設(shè)置了表1中的7組對照實(shí)驗(yàn)，NV，MV與DV分別表示無通風(fēng)、混合通風(fēng)與置換通風(fēng)3種方式，前兩者經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的室內(nèi)溫度梯度幾乎為零，可以認(rèn)為是中性穩(wěn)定的空氣狀態(tài)，而DV可以產(chǎn)生豎直方向上遞增的溫度梯度，認(rèn)為是穩(wěn)定的空氣狀態(tài).

圖2 人體模型呼吸及加熱裝置連接示意圖Fig.2 Sketch of the connections of heating devices to the manikin

表1 7組實(shí)驗(yàn)通風(fēng)條件及呼吸參數(shù)設(shè)置Tab.1 Ventilation and breathing setup for seven cases

7組實(shí)驗(yàn)中Case 1～3用于對比較高的呼氣溫度與身體熱羽對持續(xù)射流軌跡的影響.Case 3～5用于對比正常的呼氣溫度與身體發(fā)熱時持續(xù)射流受空氣穩(wěn)定性作用，因此分別將人體模型置于3種送風(fēng)方式下.Case 6，7的設(shè)置是為了觀察空氣穩(wěn)定性對間歇射流的影響，同時與Case 4，5持續(xù)射流形成對比，觀察間歇呼氣與持續(xù)射流的差異.

2.3 測量儀器及方法

本實(shí)驗(yàn)測量溫度利用K型熱電偶，熱電偶通過等溫標(biāo)定設(shè)備和一個用于參考的精確的溫度計進(jìn)行標(biāo)定.標(biāo)定范圍是10～35℃.考慮到探頭、引線長度及數(shù)據(jù)采集設(shè)備的不確定性，實(shí)驗(yàn)精度為±0.5℃.標(biāo)定過的熱電偶與Fluke Helios Plus 2287A型Data logger相連接記錄溫度值.除室內(nèi)3根立桿上（L1，L2及L3）的用于測量室內(nèi)溫度梯度及分布的熱電偶外，人體模型嘴巴內(nèi)、頭部左側(cè)20cm處及身體不同高度上均布置有熱電偶，分別用于測量呼氣溫度、周圍空氣溫度（1.5m高度）及體表溫度.

采用的風(fēng)速儀為Danstec 54N50型熱球風(fēng)速儀，測量范圍0～5m／s，測量精度為0.01m／s，風(fēng)速儀在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞中進(jìn)行了標(biāo)定，數(shù)據(jù)采集及記錄頻率為10Hz，可實(shí)現(xiàn)間隙呼氣時脈動瞬時值的測量.呼氣速度的測定是將風(fēng)速儀置于距人體模型嘴巴開口前方1cm處測量得到，持續(xù)射流平均速度為3.74m／s，而間歇呼氣時速度采用該處一定時間內(nèi)的峰值速度的平均值，在呼氣量為17.6L／min，每分鐘16次呼吸狀態(tài)下，呼氣速度測量值為4.5m／s.

呼氣中的煙氣是由煙霧發(fā)生器加熱發(fā)煙油產(chǎn)生，煙霧油滴粒徑僅為約1μm，煙氣用來模擬人體通過呼吸產(chǎn)生的污染物.

3 結(jié)果分析

3.1 空氣穩(wěn)定性對持續(xù)射流的影響

非等溫射流時阿基米德數(shù)Ar用來表示由于溫差造成的浮力與受迫對流的相對作用，此處溫差為呼氣初始溫度與周圍空氣溫度差［7］.

式中β，g，a，uexh分別為空氣的體積膨脹系數(shù)（℃－1），重力加速度（m／s2），假人嘴巴面積（m2）以及呼氣出口速度峰值（m／s）.

表1中，Case 1幾乎為等溫呼氣，Ar最小，持續(xù)呼氣時煙氣幾乎為水平，如圖3（a）所示.其余6組呼吸均通過加熱管加熱，模擬正常人體的呼氣溫度，由于密度差造成的浮力作用使煙氣呈現(xiàn)向上彎曲的趨勢.射流中心線位置的確定方法如圖3（b）所示.Case 2相比Case 3沒有加熱人體模型的身體，射流彎曲程度較Case 3小.由圖3可知，持續(xù)呼氣時，Ar越大，射流向上彎曲程度越大，同時射流發(fā)展過程中引入由于較高身體溫度造成的向上運(yùn)動的熱羽，使射流向上彎曲的趨勢更明顯.

圖3 無通風(fēng)時Case 1～3射流軌跡Fig.3 Trajectory of theflow for Case 1～3 with no ventilation

圖4為3種通風(fēng)形式下的射流軌跡及中心線位置.中心線位置由高至低依次為無通風(fēng)時、混合通風(fēng)時及置換通風(fēng)時.結(jié)果與Olmedo等人［7］測量結(jié)果一致.如圖4（c）所示，盡管Case 3的Ar比Case 4與Case 5的小，無通風(fēng)作用，向上彎曲仍最明顯.Case 5射流受穩(wěn)定環(huán)境的影響與周圍空氣的摻混最弱，相比Case 4射流較窄，如圖4（a）及（b）所示.

由此可見，影響射流軌跡的因素主要為：Ar，體表溫度及通風(fēng)方式.隨Ar的增大呼氣射流彎曲越明顯，體表溫度越高造成熱羽越強(qiáng)，加劇了射流向上彎曲的程度，而溫度梯度的存在會抑制熱空氣的向上彎曲.

圖4 不同通風(fēng)方式時呼氣軌跡Fig.4 Exhalation trajectory under different ventilation patterns

3.2 持續(xù)射流與人體間歇呼氣對比

然而，實(shí)際上人的呼氣與吸氣過程是交替進(jìn)行的，持續(xù)射流不能完全代表人體呼吸的特點(diǎn)，因此Case 6與Case 7設(shè)置了一定的呼吸頻率與呼氣量，研究間歇射流與持續(xù)射流的差異.人體模型的機(jī)械肺是由活塞驅(qū)動，產(chǎn)生的氣流為正弦形式，與真實(shí)人體呼吸接近［10］.

以Case 6為例，圖5（a）與（b）分別為人體呼氣與吸氣過程.呼氣時氣流經(jīng)過嘴巴開口并向前發(fā)展，氣流的體積隨著不斷卷入周圍的空氣逐漸變大，寬度也隨射流長度增大而增大.吸氣過程中，呼出的污染物由于溫度較高持續(xù)上升并擴(kuò)散至環(huán)境中，煙氣中可以觀察到很多渦流存在.

同時，Case 6的Ar與體表溫度雖然與Case 5接近，氣流卻更加平坦，向上彎曲的程度不是特別明顯.即使降低間歇呼氣時的初始速度即呼氣量，Ar增大，仍然觀察到間歇射流軌跡較水平.圖6也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律.

圖5 人體模型呼氣及吸氣時的煙氣傳播（Case 6）Fig.5 Smoke dispersion of the manikin for exhalation and inhalation

因此，間歇的呼氣過程與持續(xù)射流存在不同，呼氣量達(dá)到正弦峰值后開始衰減，造成呼吸呈脈動狀態(tài)，湍流發(fā)展更充分，污染物與周圍空氣摻混嚴(yán)重，呼氣氣流更加平坦.

3.3 空氣穩(wěn)定性對間歇呼氣的影響

空氣穩(wěn)定性對間歇呼氣造成的影響是穩(wěn)定狀態(tài)下氣流凝滯與分層，如圖6所示，在人體頭部上方區(qū)域（約1.7m高度）存在污染物濃度較高的區(qū)域，原因是置換通風(fēng)條件產(chǎn)生的豎直溫度梯度抑制污染物初始向上運(yùn)動的趨勢，并且由于人體上部空間較高的溫度導(dǎo)致污染物上升的浮力減小，因此形成了污染物的分層，如圖7所示.

圖5中性穩(wěn)定條件下，氣流在呼出過程中就不斷向上擴(kuò)散，吸氣時氣流很快被通風(fēng)稀釋，在人體頭部以上區(qū)域未觀察到濃度分層.但是由于置換通風(fēng)帶來的溫度梯度，污染物向上運(yùn)動受到抑制，并且與周圍空氣摻混也減弱，而且由于上部空間溫度較高，污染物停滯在一定的高度，造成了室內(nèi)分為下部潔凈、上部污染兩個區(qū)域.根據(jù)Bjorn與Nielsen［6］的研究，溫度梯度越大，分層的高度將越低，污染物更難向上擴(kuò)散.這一現(xiàn)象與大氣逆溫造成的污染現(xiàn)象類似，地面污染物由于在穩(wěn)定的大氣中難以向上運(yùn)動而覆蓋在地面以上造成嚴(yán)重污染.由此可見，源于大氣的空氣穩(wěn)定性概念應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境時同樣適用，并能合理解釋室內(nèi)污染物的凝滯現(xiàn)象.

圖6 穩(wěn)定空氣下的呼氣（Case 7）Fig.6 Exhaled flow under stable condition（Case 7）

圖7 混合通風(fēng)（Case 6）與置換通風(fēng)（Case 7）產(chǎn)生的溫度梯度Fig.7 Temperature gradients with mixing ventilation（Case 6）and displacement ventilation（Case 7）

通過對不同豎直斷面的呼氣速度進(jìn)行測量，得到各個測點(diǎn)位置的峰值平均速度并繪成速度剖面圖，如圖8（a）與（b）所示.可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定狀態(tài)下（Case 7）向上彎曲的程度比無溫度梯度時要小.將各斷面的最大速度連線可以得到射流的速度中心線位置，見圖8（c），同樣驗(yàn)證了穩(wěn)定狀態(tài)下射流中心線位置低的結(jié)論，與持續(xù)射流現(xiàn)象類似.此外，同樣的出口速度，穩(wěn)定狀態(tài)下的氣流速度衰減較慢，如圖8（a）與（b）所示，原因是穩(wěn)定狀態(tài)限制了人體熱羽的發(fā)展及呼氣與周圍空氣的摻混能力，呼出的氣流較狹窄在發(fā)展過程中由于卷入了較少的空氣量而保持了較高的速度.

圖8 不同水平距離的速度剖面及速度中心線位置Fig.8 Velocity profiles at different positions and the position of velocity centerline

4 結(jié) 論

通過煙氣可視化實(shí)驗(yàn)及溫度、速度測量發(fā)現(xiàn)，置換通風(fēng)帶來的穩(wěn)定狀態(tài)和混合或無通風(fēng)時的中性穩(wěn)定狀態(tài)下，人體呼出氣體的擴(kuò)散規(guī)律是不同的，不論是持續(xù)射流還是間歇的呼氣過程，空氣穩(wěn)定性對呼氣擴(kuò)散的影響顯著，表現(xiàn)在影響其軌跡彎曲程度及速度衰減.同時，間歇的呼氣過程與持續(xù)射流存在差異，在間歇過程中湍流充分發(fā)展污染物與周圍空氣迅速摻混，且呼氣氣流更加平坦.呼出的氣體受到身體熱羽流和較高的呼氣溫度的影響有向上彎曲的趨勢，穩(wěn)定的空氣使持續(xù)或間歇射流更水平，而速度衰減低于中性穩(wěn)定狀態(tài).并且，空氣穩(wěn)定性概念應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，可以合理解釋與大氣現(xiàn)象類似的空氣凝滯分層現(xiàn)象.結(jié)果為控制污染物的傳播提供依據(jù).

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