空气稳定性对室内人体持续与间歇呼气的影响＊

徐春雯，龚光彩†，王雅迪，Peter V.Nielsen，刘 荔

（1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.Department of Civil Engineering，Aalborg University，Aalborg 9000，Denmark）

空气稳定性概念源于大气稳定性，对室内的污染物传播有一定的影响，尤其是稳定的空气可能造成污染物在一定的高度分层凝滞，不利于通风对其稀释排出.室内人体本身在呼吸过程中产生CO2，说话、咳嗽或者打喷嚏过程产生飞沫，可能携带通过空气传播病菌，成为室内空气的污染源.研究人体呼气扩散特点对于控制疾病传播、降低污染物的危害具有重要意义.

1 空气稳定性与人体呼吸过程

1.1 空气稳定性概念

空气稳定性原本是用于描述大气特性的一个重要参数.稳定的空气会阻碍气块竖直方向的运动，可能使污染物在地表附近堆积不易扩散而造成严重污染，如雾、霾的形成，而不稳定的空气会使竖直方向运动增强产生剧烈天气.随着研究发现，空气稳定性不仅仅存在于室外大气环境中，室内的空气也同样可以应用这一机理［1－2］.

判定空气稳定性分类的一个重要参数是温度绝热递减率，用λ＝－dT／dy表示，其中T 是温度（℃），y是竖直方向高度（m）.环境中的气块，可能是污染物，也可能是温热、潮湿的空气.假使气块初始温度与周围环境温度相同，当环境的温度竖直递减率比气块的竖直递减率低，说明气块的温度降低比周围环境空气温度降低快，气块温度更低密度更大，向上运动的趋势受到阻碍并有可能会返回到原来位置，这时的空气可以称为稳定的空气.与此相反，不稳定的空气是当周围空气竖直递减率比气块竖直递减率高时，气块一直保持相比周围环境较高的温度，因此一直受到向上的推动而持续运动.中性状态介于两者之间.随着置换通风方式作为舒适性通风在室内的广泛应用，其与传统的混合通风方式的差别越来越明显，尤其是置换通风带来的竖直方向随高度递增的温度梯度，与混合通风的房间内竖直方向几乎不存在温差明显不同.假设室内的较高温度的气体，例如人体呼气，人体表面热羽等，上升过程中由于不断引入周围冷空气温度逐渐降低至室温，而置换通风的温度递减率为负，此时室内空气为稳定状态.而混合通风时环境竖直温度递减率几乎为零，热空气与冷空气充分掺混达到相同的温度，此时的室内空气可以认为是中性状态.

存在递增的竖直温度梯度是置换通风方式的典型特征之一［3］，往往造成稳定的室内环境.其对室内热源产生的热羽、人体呼吸、散流器射流及污染物的传播的影响也逐渐引起人们的关注.Nielsen等人在对用于置换通风的散流器冷空气射流研究时发现，温度梯度越大，射流与地面的之间的厚度越小，射流边界越清晰，这是由于稳定的空气造成的射流分层［3］.Liu等人在研究由于人体热源形成的热羽时发现，置换通风条件下的人体头顶热羽的速度要低于混合通风时，说明递增的温度梯度限制了热羽的发展［4］.Kofoed与Nielsen实验发现圆柱形热源产生的热羽在置换通风时高度降低，并开始向水平扩散，即使很小的温度梯度就会改变热羽的分布［5］.除此以外，稳定的空气影响人体呼气扩散.

1.2 对人体呼吸的影响

置换通风条件下，呼吸区的温度梯度足够大时，从人体呼出的气体会在一定高度分层凝滞，而没有温度梯度时呼出的相对温度较高的空气会在浮力作用下上升并与周围空气充分混合［6］.Olmedo等人对比了3种送风方式下的呼气轨迹，发现置换通风方式时呼气的中心线位置最低，向上弯曲的趋势受温度梯度的作用被减弱，而混合通风和下送风时射流向上弯曲较明显；对比不同通风方式的速度衰减后发现射流中心线的速度在置换通风时衰减最慢，说明稳定的空气使呼气不易向上扩散，但在水平方向射流速度更大［7］，这与模拟的结果一致［8］.这种稳定状态造成的空气分层凝滞现象对于医院通风是非常不利的，可能造成病床之间受害者暴露于较高的污染物浓度水平下而传染疾病，因此可以形成稳定空气状态的通风方式不推荐用于医院病房［9］.

本文重点研究持续呼气和正常人体间歇呼气时空气稳定性对呼气射流的影响并对比两种射流方式的差异，通过测量正常呼吸频率时人体呼气速度在稳定与中性条件下的衰减规律，研究人体呼气特点及受空气热环境的影响.

2 实验研究

2.1 通风系统及房间设置

测试房间的墙体均采用10cm厚度的塑料泡沫板保温，房间尺寸为3m×2.3m×2.5m，为了实现不同送风方式的转换与不同的空气稳定性条件，顶板和地板上都均匀布置直径为1cm的孔口，如图1所示.房间两侧设有送风室与回风室，可以实现全顶板送风与全地板回风的混合通风方式或全地板送风与全顶板回风的置换通风方式.实验过程中采用供冷的方式，制冷机产生的冷冻水通过换热器使空气降温然后通过风机送入送风室内混合，再经过地板或顶板的开口进入房间内.这种均匀布置的小孔有利于气流分布均匀，降低了送风速度的影响.房间内的人体模型及竖直均匀布置有热电偶的立杆L1与L2，另外一根立杆L3置于假人正前方1.3m处.

图1 位于房间顶板和地板上的通风口及房间内假人及热电偶布置Fig.1 Ventilation openings on the ceiling and floor and the positions of manikin and thermocouples

2.2 人体模型发热及呼吸设置

人体模型是根据标准女性体型制造的，具体的尺寸和构造详见文献［6］.模型身高1.7m，嘴巴高度1.53 m，嘴巴面积为123mm2，身体内均匀布置热线并由两个小风机转动将空腔内的空气混合实现体表温度均匀的分布，呼吸和体表发热均通过变压器和功率表进行控制，如图2所示.如果呼气管连接恒定风速的风机可以实现持续射流，图2中呼气和吸气管连接一个电机驱动的活塞装置，称为“人工肺”，可以使人体模型按照设定的呼吸频率和呼气量进行间歇呼吸，模拟真实人体的呼吸过程.实验过程中对两种呼气方式均进行了研究，并且为了研究室内空气稳定性的影响，共设置了表1中的7组对照实验，NV，MV与DV分别表示无通风、混合通风与置换通风3种方式，前两者经过测试发现产生的室内温度梯度几乎为零，可以认为是中性稳定的空气状态，而DV可以产生竖直方向上递增的温度梯度，认为是稳定的空气状态.

图2 人体模型呼吸及加热装置连接示意图Fig.2 Sketch of the connections of heating devices to the manikin

表1 7组实验通风条件及呼吸参数设置Tab.1 Ventilation and breathing setup for seven cases

7组实验中Case 1～3用于对比较高的呼气温度与身体热羽对持续射流轨迹的影响.Case 3～5用于对比正常的呼气温度与身体发热时持续射流受空气稳定性作用，因此分别将人体模型置于3种送风方式下.Case 6，7的设置是为了观察空气稳定性对间歇射流的影响，同时与Case 4，5持续射流形成对比，观察间歇呼气与持续射流的差异.

2.3 测量仪器及方法

本实验测量温度利用K型热电偶，热电偶通过等温标定设备和一个用于参考的精确的温度计进行标定.标定范围是10～35℃.考虑到探头、引线长度及数据采集设备的不确定性，实验精度为±0.5℃.标定过的热电偶与Fluke Helios Plus 2287A型Data logger相连接记录温度值.除室内3根立杆上（L1，L2及L3）的用于测量室内温度梯度及分布的热电偶外，人体模型嘴巴内、头部左侧20cm处及身体不同高度上均布置有热电偶，分别用于测量呼气温度、周围空气温度（1.5m高度）及体表温度.

采用的风速仪为Danstec 54N50型热球风速仪，测量范围0～5m／s，测量精度为0.01m／s，风速仪在标准风洞中进行了标定，数据采集及记录频率为10Hz，可实现间隙呼气时脉动瞬时值的测量.呼气速度的测定是将风速仪置于距人体模型嘴巴开口前方1cm处测量得到，持续射流平均速度为3.74m／s，而间歇呼气时速度采用该处一定时间内的峰值速度的平均值，在呼气量为17.6L／min，每分钟16次呼吸状态下，呼气速度测量值为4.5m／s.

呼气中的烟气是由烟雾发生器加热发烟油产生，烟雾油滴粒径仅为约1μm，烟气用来模拟人体通过呼吸产生的污染物.

3 结果分析

3.1 空气稳定性对持续射流的影响

非等温射流时阿基米德数Ar用来表示由于温差造成的浮力与受迫对流的相对作用，此处温差为呼气初始温度与周围空气温度差［7］.

式中β，g，a，uexh分别为空气的体积膨胀系数（℃－1），重力加速度（m／s2），假人嘴巴面积（m2）以及呼气出口速度峰值（m／s）.

表1中，Case 1几乎为等温呼气，Ar最小，持续呼气时烟气几乎为水平，如图3（a）所示.其余6组呼吸均通过加热管加热，模拟正常人体的呼气温度，由于密度差造成的浮力作用使烟气呈现向上弯曲的趋势.射流中心线位置的确定方法如图3（b）所示.Case 2相比Case 3没有加热人体模型的身体，射流弯曲程度较Case 3小.由图3可知，持续呼气时，Ar越大，射流向上弯曲程度越大，同时射流发展过程中引入由于较高身体温度造成的向上运动的热羽，使射流向上弯曲的趋势更明显.

图3 无通风时Case 1～3射流轨迹Fig.3 Trajectory of theflow for Case 1～3 with no ventilation

图4为3种通风形式下的射流轨迹及中心线位置.中心线位置由高至低依次为无通风时、混合通风时及置换通风时.结果与Olmedo等人［7］测量结果一致.如图4（c）所示，尽管Case 3的Ar比Case 4与Case 5的小，无通风作用，向上弯曲仍最明显.Case 5射流受稳定环境的影响与周围空气的掺混最弱，相比Case 4射流较窄，如图4（a）及（b）所示.

由此可见，影响射流轨迹的因素主要为：Ar，体表温度及通风方式.随Ar的增大呼气射流弯曲越明显，体表温度越高造成热羽越强，加剧了射流向上弯曲的程度，而温度梯度的存在会抑制热空气的向上弯曲.

图4 不同通风方式时呼气轨迹Fig.4 Exhalation trajectory under different ventilation patterns

3.2 持续射流与人体间歇呼气对比

然而，实际上人的呼气与吸气过程是交替进行的，持续射流不能完全代表人体呼吸的特点，因此Case 6与Case 7设置了一定的呼吸频率与呼气量，研究间歇射流与持续射流的差异.人体模型的机械肺是由活塞驱动，产生的气流为正弦形式，与真实人体呼吸接近［10］.

以Case 6为例，图5（a）与（b）分别为人体呼气与吸气过程.呼气时气流经过嘴巴开口并向前发展，气流的体积随着不断卷入周围的空气逐渐变大，宽度也随射流长度增大而增大.吸气过程中，呼出的污染物由于温度较高持续上升并扩散至环境中，烟气中可以观察到很多涡流存在.

同时，Case 6的Ar与体表温度虽然与Case 5接近，气流却更加平坦，向上弯曲的程度不是特别明显.即使降低间歇呼气时的初始速度即呼气量，Ar增大，仍然观察到间歇射流轨迹较水平.图6也呈现同样的规律.

图5 人体模型呼气及吸气时的烟气传播（Case 6）Fig.5 Smoke dispersion of the manikin for exhalation and inhalation

因此，间歇的呼气过程与持续射流存在不同，呼气量达到正弦峰值后开始衰减，造成呼吸呈脉动状态，湍流发展更充分，污染物与周围空气掺混严重，呼气气流更加平坦.

3.3 空气稳定性对间歇呼气的影响

空气稳定性对间歇呼气造成的影响是稳定状态下气流凝滞与分层，如图6所示，在人体头部上方区域（约1.7m高度）存在污染物浓度较高的区域，原因是置换通风条件产生的竖直温度梯度抑制污染物初始向上运动的趋势，并且由于人体上部空间较高的温度导致污染物上升的浮力减小，因此形成了污染物的分层，如图7所示.

图5中性稳定条件下，气流在呼出过程中就不断向上扩散，吸气时气流很快被通风稀释，在人体头部以上区域未观察到浓度分层.但是由于置换通风带来的温度梯度，污染物向上运动受到抑制，并且与周围空气掺混也减弱，而且由于上部空间温度较高，污染物停滞在一定的高度，造成了室内分为下部洁净、上部污染两个区域.根据Bjorn与Nielsen［6］的研究，温度梯度越大，分层的高度将越低，污染物更难向上扩散.这一现象与大气逆温造成的污染现象类似，地面污染物由于在稳定的大气中难以向上运动而覆盖在地面以上造成严重污染.由此可见，源于大气的空气稳定性概念应用于室内环境时同样适用，并能合理解释室内污染物的凝滞现象.

图6 稳定空气下的呼气（Case 7）Fig.6 Exhaled flow under stable condition（Case 7）

图7 混合通风（Case 6）与置换通风（Case 7）产生的温度梯度Fig.7 Temperature gradients with mixing ventilation（Case 6）and displacement ventilation（Case 7）

通过对不同竖直断面的呼气速度进行测量，得到各个测点位置的峰值平均速度并绘成速度剖面图，如图8（a）与（b）所示.可以发现，稳定状态下（Case 7）向上弯曲的程度比无温度梯度时要小.将各断面的最大速度连线可以得到射流的速度中心线位置，见图8（c），同样验证了稳定状态下射流中心线位置低的结论，与持续射流现象类似.此外，同样的出口速度，稳定状态下的气流速度衰减较慢，如图8（a）与（b）所示，原因是稳定状态限制了人体热羽的发展及呼气与周围空气的掺混能力，呼出的气流较狭窄在发展过程中由于卷入了较少的空气量而保持了较高的速度.

图8 不同水平距离的速度剖面及速度中心线位置Fig.8 Velocity profiles at different positions and the position of velocity centerline

4 结 论

通过烟气可视化实验及温度、速度测量发现，置换通风带来的稳定状态和混合或无通风时的中性稳定状态下，人体呼出气体的扩散规律是不同的，不论是持续射流还是间歇的呼气过程，空气稳定性对呼气扩散的影响显著，表现在影响其轨迹弯曲程度及速度衰减.同时，间歇的呼气过程与持续射流存在差异，在间歇过程中湍流充分发展污染物与周围空气迅速掺混，且呼气气流更加平坦.呼出的气体受到身体热羽流和较高的呼气温度的影响有向上弯曲的趋势，稳定的空气使持续或间歇射流更水平，而速度衰减低于中性稳定状态.并且，空气稳定性概念应用于室内环境，可以合理解释与大气现象类似的空气凝滞分层现象.结果为控制污染物的传播提供依据.

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