圍護結(jié)構(gòu)顆粒滲透對室內(nèi)環(huán)境的影響初探

李聯(lián)友，李 昕，李櫟冬,劉 濤,王一諾,趙海旺

(1.河北建筑工程學院 能源工程系，河北 張家口 075000;2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學 自動化與電氣工程學院，天津 300000;3.貴州大學 土木工程學院2020級，貴州 貴陽 550025)

國外對顆粒滲透現(xiàn)象進行了很多研究，取得了一些成果。但是，離完全揭示這一現(xiàn)象的規(guī)律還有一段距離，新的研究不斷地提出新的方法與模型，得出一些新的結(jié)論，其中有些否定了以往的模型與結(jié)論，有些是對以前得出結(jié)果的補充。由此可見，這方面的研究還有很多工作要做。

1 研究方法

1.1 理論與模型

1.1.1 質(zhì)量平衡方程

在沒有室內(nèi)顆粒發(fā)生源且門窗緊閉、無機械通風的情況下，忽略顆粒相變、分散、凝聚和化學反應給顆粒濃度和大小帶來的影響，不考慮顆粒的二次懸浮，假設(shè)室內(nèi)空氣混合均勻，則對空氣中指定粒徑的顆粒有如下質(zhì)量平衡方程[1]：

(1)

N0(t)、Ni(t)分別是t時刻室外和室內(nèi)空氣中上述指定粒徑顆粒的計數(shù)濃度，p是顆粒透過圍護結(jié)構(gòu)縫隙的穿透系數(shù)，λ是滲透通風條件下的換氣次數(shù)，kd是室內(nèi)顆粒的沉降率[2]。

于是pλN0(t)-λNi(t)是單位時間室內(nèi)外空氣交換導致的室內(nèi)空氣顆粒濃度變化；-kdNi(t)是單位時間室內(nèi)空氣中顆粒沉降帶來的顆粒濃度增量。

在通常情況下，室內(nèi)外顆粒濃度沒有急劇的變化，可以近似地把質(zhì)量平衡方程寫為

(2)

p與縫隙特性、顆粒性質(zhì)、內(nèi)外環(huán)境等因素有關(guān)，是研究顆粒穿透現(xiàn)象需要確定的重要參數(shù)。kd主要由顆粒的大小等性質(zhì)、室內(nèi)表面積與體積之比、室內(nèi)表面性能和氣流擾動情況決定[3]。

1.1.2 換氣次數(shù)

定義單位時間單位室內(nèi)空氣同室外空氣的換氣體積為換氣次數(shù)，計為λ。對于室內(nèi)空氣中某種混合均勻的氣體，由質(zhì)量守恒，可以列出如下微分方程：

[Cin(t)+dCin(t)]V=Cin(t)(V-λVdt)+CoutλVdt

(3)

其中V是室內(nèi)空氣體積，Cin(t)是時刻t該種氣體在室內(nèi)的濃度，Cout是該種氣體在室外的平均濃度，視為常量。

(4)

(5)

在圍護結(jié)構(gòu)和室內(nèi)設(shè)置相同、門窗緊閉且無機械通風的情況下，λ主要取決于縫隙內(nèi)外的壓差，而壓差主要由室外的風速決定[4]。一般認為，這一壓差不超過10 Pa。

1.1.3 滲透系數(shù)(infiltration factor)

在1.1.1得到的質(zhì)量平衡方程中，當室內(nèi)顆粒濃度達到穩(wěn)態(tài)時，左邊的室內(nèi)顆粒濃度變化率項為零，因此可以得到

(6)

從滲透系數(shù)的表達式中可以看出，滲透系數(shù)由穿透系數(shù)(空氣穿過縫隙時能進入到室內(nèi)的粒子的比例)、換氣次數(shù)和顆粒沉降率決定。

在以下3個假設(shè)的前提下，能夠用I/Oratio來計算滲透系數(shù)：

a)室內(nèi)空氣充分混合，各處顆粒濃度相等；

b)進行測量的4 h的時間足夠使室內(nèi)顆粒濃度達到穩(wěn)定；

c)取室外濃度在一段時間內(nèi)的平均值進行計算，認為室外濃度的波動比起這一平均值來可以不予考慮。

實驗的指導思想就是使實驗條件盡量接近這3個假設(shè)，在此基礎(chǔ)上，用I/Oratio來計算滲透系數(shù)。

1.2 實驗過程

1.2.1 實驗對象的選取

1.2.2 換氣次數(shù)的測量

測量換氣次數(shù)的步驟如下：

a)先測量室外CO2濃度；

b)關(guān)好窗戶，連接CO2濃度測試裝置(由一個測量CO2濃度的儀器接上一個能讀取儀器數(shù)據(jù)的萬用表組成，萬用表放在室外用來讀數(shù)，CO2濃度儀放在室內(nèi)采樣)；

c)在室內(nèi)噴灑較高濃度的CO2氣體(用二氧化碳滅火器)，并盡量使之分布均勻(往不同方向噴灑)，噴灑完畢走出房間，關(guān)閉房門，在室外通過萬用表記錄數(shù)據(jù)。

1.2.3 顆粒濃度的測量

a)測量方案

用2臺顆粒計數(shù)器同步測量室內(nèi)外顆粒濃度，室內(nèi)的計數(shù)器采用自計的方法，測量室外濃度的時候出于安全考慮，采用人工控制測量。每2次取樣的時間間隔為5 min，總的測量時間為4 h。

綜上所述，總之柴油機濾清器的保養(yǎng)，必須堅決地按使用說明書的規(guī)定時間和操作進行保養(yǎng)，如果作業(yè)環(huán)境出現(xiàn)惡劣，保養(yǎng)周期必須提前。拆裝、檢查和保養(yǎng)要嚴格按照規(guī)程操作，切不可認為各種濾清器作用不大，可有可無，否則柴油機無法保持技術(shù)狀態(tài)完好，功能不能正常發(fā)揮，甚至還會大大地減少柴油機的工作壽命。

b)Fluke 983 顆粒計數(shù)器的使用

Fluke 983是美國Fluke公司生產(chǎn)的空氣顆粒計數(shù)器，它能對0.2～0.5 μm、>0.5～1.0 μm、>1.0～2.0 μm、>2.0～5.0 μm、>5.0～10.0 μm以及>10.0 μm的6個粒徑范圍內(nèi)的顆粒濃度進行測量，并且能調(diào)節(jié)采樣氣體體積、采樣的時間間隔，還可直接用計算機讀取數(shù)據(jù)。最多能獲得5 000組樣本數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果

2.1 換氣次數(shù)

(7)

考慮到室內(nèi)外壓差變化不會太大，把t0作為定值，取t0=0，則(7)式變?yōu)?/p>

(8)

左邊稱為CO2的相對濃度，通過對得到的CO2相對濃度和相應時間進行線性擬合即得到λ的值。

表1是CO2的相對濃度與時間的對應值。

表1 CO2的相對濃度與時間的關(guān)系

線性擬合的結(jié)果如圖1所示。

圖1 CO2的相對濃度與時間的擬合結(jié)果

縱坐標是二氧化碳的相對濃度，可以看出與時間有相當好的線性關(guān)系。

由此得出換氣次數(shù)λ=0.371 h-1。

2.2 室內(nèi)外顆粒濃度

表2是選取的部分顆粒濃度測量結(jié)果。

表2 不同粒徑范圍內(nèi)的粒子室內(nèi)外濃度不同時間的對應值 個/L

不同粒徑范圍內(nèi)的粒子室內(nèi)外濃度在不同時間的對應值如下面6個坐標圖所示(圖2～7)。

圖2 0.3～0.5μm粒子濃度不同時間的關(guān)系 圖3 >0.5～1μm粒子濃度不同時間的關(guān)系

圖4 >1～2μm粒子濃度不同時間的關(guān)系 圖5 >2～5μm粒子濃度不同時間的關(guān)系

圖6 >5～10μm粒子濃度不同時間的關(guān)系 圖7 >10μm粒子濃度不同時間的關(guān)系

由此計算出不同粒徑的滲透系數(shù)，表示為如下的直方圖(圖8)。

圖8 不同粒徑的滲透系數(shù)直方

3 結(jié) 論

通過以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，滲透系數(shù)一般由穿透系數(shù)、換氣次數(shù)和顆粒沉降率來決定，因此隨著顆粒粒徑的增加，顆粒的沉降率提高，滲透系數(shù)整體呈下降趨勢(圖9)。具體結(jié)論如下：

圖9 顆粒粒徑與滲透率關(guān)系

1)對于空氣動力學直徑大于0.3μm的粒子，隨著粒徑的增大，穿透系數(shù)減小，沉降率增大，故滲透系數(shù)降低。

2)對于目前空氣中的PM2.5的粒子，滲透系數(shù)隨著該粒子的濃度的增加而增大。

總之，本研究的意義在于通過實驗數(shù)據(jù)分析出不同粒徑特別是PM2.5以上的粒子是隨著其濃度的增加其滲透率是增加的結(jié)論，因此實踐中適當降低其濃度是非常必要的；由于實驗范圍因素的影響，本研究存在著難以實時監(jiān)控室內(nèi)外顆粒濃度變化規(guī)律的不足，這些將會在以后的實驗中進行補充。