室内颗粒物的稳态置换流净化机制

林官明 ,任阵海 ,宋建立 (1.北京大学环境科学与工程学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100871；.中国环境科学研究院,北京 10001；.石家庄奥祥医药工程有限公司,河北 石家庄 05001)

大多数人将近 90%的时间是在室内[1],从人体污染物暴露的剂量上看,室内污染对人体健康的影响更为严重,因此,考察室内污染物的源与汇及迁移转化显得尤为重要.

室内空气质量与污染物来源直接相关.室外污染物通过门窗,墙的间隙以及通风系统进风口等进入室内,而室内源则在室内直接进入空气.目前,细粒子(PM2.5)成为危害健康的主要大气污染物[2-3].自然通风条件下,室内细粒子的浓度与室外 PM2.5浓度直接正相关[4].室内建筑或设施,人员的活动或生产也会产生 PM2.5.比如,吸烟、烹饪、供暖过程等都可导致室内颗粒物浓度在短时间内提高几倍甚至几十倍[5].人员活动、打扫、洗澡等活动也会引起颗粒物的再悬浮[6].对于粒径2～10μm 的颗粒物,约有 57%～80%的份额来自室内活动[7].

当前室外 PM2.5浓度居高不下[16-20],室内也产生相应 PM2.5污染[21],如何利用通风系统保障室内空气的清洁,尤其是如何有效地清除室内空气中的 PM2.5,是人们日益关注的问题.稳态置换流式通风系统是一套高效的室内颗粒物净化装置[8].本研究通过理论、数值模拟以及现场试验三种方法定性和定量地分析了室内颗粒物净化机制,且提出了考虑暴露剂量的净化效率概念.

1 研究方法

1.1 室内颗粒物污染的特点

由于空间上的特殊性,室内颗粒物与空气的相互作用截然不同于室外.室内空间相对密封狭小,颗粒物只在有限的空间内(1～10m)迁移扩散,多与固壁接触,被吸附或沉降在地板、墙体、顶板、家具及人体等表面.

颗粒物与空气相对速度低,自然通风条件下,室内气流的平均速度经常低于常规测速仪器的测量下限(0.1m/s).

热对流作用对颗粒物运动影响显著.室内空气往往有显著的温度梯度,实测表明,自然通风情况下天花板与地板的温差也有 2℃[9].即使不在供暖季,天花板附近的温度也比地板附近的温度高,加上室内人员、办公电器等热源的影响,室内热对流导致的气体运动是主要的气流运动形式.

地表及壁面吸附的颗粒物再悬浮影响大.室内颗粒物的再悬浮来自地板、家具、墙体及顶板.因为约束在室内,再悬浮会导致重复污染.实验结果表明,人的活动引起的再悬浮会导致 PM10的浓度平均升高2.5倍,峰值浓度升高4.5倍[10].

颗粒物去除因素少.去除因素只有清扫清洁,或者有通风装置的吸附过滤.

1.2 颗粒物通量分析

对于室内空气净化的流动,比较理想的方式是形成均匀单一方向的层流,比如在某面墙上均匀设置进风孔,在对面的墙上也设置均匀的排风孔,含污染物的空气在均匀压力场的作用下稳定地被新风置换.这种布局在生活及从事生产的室内空间是不现实的.

室内空间的流动极其复杂[11].由于速度较低的固壁边界上都存在转捩行为,室内物体周围普遍存在分离现象,使得气流的脉动速度往往高于平动速度.这种情况下,假设室内空间某点的颗粒物的行为满足 Markov过程是合理的,即在目前运动状态的条件下,它未来的运动状态不依赖于以往的演变过程.如果所定义的通量矢量在数值上一致较大(比如为正),则排出室外的通量就大.显然,漩涡的存在不利于颗粒物更快地迁移到排风口,较强的湍流扩散及分子扩散增加了颗粒物向各个方向运动的可能性,从而削弱了净化装置所期望的指向正向的运动.

大气湍流的Kolmogorov湍流微尺度定义为η=(v3/ε)1/4,其中 v 为粘性系数,ε为湍流耗散率.空气的湍流微尺度大概在 η=1mm[12].边界层的粘性次层的厚度定义为v/uf,其中uf为摩擦速度.以大气流动中常见的摩擦速度 0.1m/s量级估计,粘性次层的几何尺度在 0.1mm.考虑到热线风速仪使用的热丝直径在 3～5μm,空气流体微元的几何尺寸应在空气分子自由程λ量级到热丝直径量级之间,即 0.1～3μm.相应地,对于表征空气中某颗粒物的物理量,可划分为 3个几何特征区间：小于 1μm的,以分子运动特征量论述,称为λ尺度;1mm量级的,以湍流脉动特征量论述,称为η尺度;1m量级的,以平均运动特征量论述,称为δ尺度.

颗粒物在空间中的通量Ji定义为

式中：c为颗粒物的浓度,upi为颗粒物运动速度,S为颗粒物通过的面积,T为平均时间.这里采用张量表示法,定义的通量具有方向性.

颗粒物与气流之间存在滑移,即

式中：uai与Vi分别为气流速度和滑移速度.对 uai与Vi进行三个空间尺度的分解,

假设A：在λ尺度范围,η尺度的物理量为常量,同样,在η尺度,δ尺度的物理量为常量.

这样,有以下对通量的系综平均过程

在假设A下,

重写(5),得

式(7)的物理含义是颗粒物的通量被分为平均运动、湍流脉动以及分子运动几部分.

式中：m为颗粒物质量,F0为空气分子的随机碰撞导致的力,为颗粒物与空气分子之间的相对速度, r为颗粒物的半径, μ为空气的粘性系数,这里用到斯托克斯阻力公式.

式中：τp=2ρpr2/9μ称为弛豫时间.对1μm 左右粒径,密度为 1.5×103kg/m3的颗粒物,τp在 10-6s量级.接着对式(10)进行系综平均,在 δ尺度下.这样,有

式(11)中为下标未使用爱因斯坦求和表示法,该式与用类比的方法获得的公式相同[13].与颗粒物的速度相比,滑移速度非常小,只有当颗粒物足够大的情形下才变得重要.

在δ尺度,再次用斯托克斯阻力公式

或

方程两侧乘以c′,且进行系综平均

作为近似此处取 Δt=τL,即流体的拉格朗日时间积分尺度,相当于体现在系综平均过程中.

这样,

同理,得到

Ki为湍流扩散系数,且该式不求和,DB为布朗扩散系数.

重写式(7),得到通量表达式[14]：式中：等号右端第1项为平流输送项,显然,沿目标方向颗粒物平均速度越大,则通量越大;第2项为滑移平均速度项,颗粒物脉动速度方差沿目标方向的梯度越小则通量越大,提示颗粒物最好以脉动速度渐弱的方式靠近汇;第3项为湍流扩散项,由于一般颗粒物浓度在指向汇的方向上增加,梯度为正,则湍流扩散系数越小,或者湍流越弱,则通量越大;最后一项为布朗运动扩散项,与湍流扩散项相同,布朗运动越弱或通量越大.

1.3 稳态置换流净化机制

1.3.1 进排风口的选择方法 设想一个L(长)×W(宽)×H(高)的长方体房间,不失一般性,设L≥W＞H.通风净化装置只能安装在墙体、地板和天花板上.考虑到不影响人员在地板上的活动,颗粒物本身有重力沉降,合理的排风口一般位于墙体下部,进风口则位于墙体上部或顶板.有些传统的通风装置把进排风口统统设计在天花板,其缺点是显而易见的：易形成短路,靠近地板的空间换气不足,死区占比高,颗粒物运动过程中存在方向的改变,这意味着驱动室内流动的能量的损耗.稳态置换流采用最大过风空间策略,即对边线状布置进排风口,以尽可能减少室内空间的死区.

若只设一排下排风口,定义房间中空间点离开该边的最远距离为dmax,显然,选择长边的dmax数值上比选择短边的数值要大.因此,同样条件下,比如流速相同,排风口选择长边能够使颗粒物更快地到达排风口.

设置 2个长边排风口是有缺陷的.设想同时在两个长边设置了下排风口,根据对称性,进风口在顶板正中,那么就存在一个理想的对称面.位于对称面的某颗粒物向两侧长边运动的可能性是随机的,或者说该对称面气流理想上是静止的.因此,多排风口会使得房间内气流流动具有更大的不确定性,应当尽可能避免.

不失一般性,假设在某侧长边上的排风口均匀布置,那么根据对称性,进风口的合理位置就是对面的长边.因为放在同侧显然不利于新风对房间空间的清扫,放在临侧同样会顾此失彼.这样,我们得到简化的稳态置换流净化通风模型：上进风口位于某侧长边,下排风口位于对面长边.

设置进风装置的房间一般是正压,即房间内压力较室外大气压高,而只采用排风装置的房间则是负压,即房间内压力较大气压低.一般家庭的厨房通风即采用的是负压方式,根据质量守恒定律,室外大气会通过门窗进入室内.如果室外空气质量较差,颗粒物浓度较高,那么负压下会不断吸入脏空气而不利于保持房间的清洁.没有颗粒物源的房间净化的想象图是这样的：污染团在受约束的空间缓慢移动并扩散,最终迁移出去.

1.3.2 净化效率 综合考虑室内空气净化效果时,有4个变量需要考虑：房间体积大小Ω,新风通风量I,室内源强度Q以及室内颗粒物浓度c.净化效率为：

式中：E0为没有净化装置也没有通风的室内颗粒物暴露量;E为有净化装置或有通风的室内颗粒物暴露量;c0为室内初始浓度;T为净化装置运行后达到净化标准浓度的时间.

式(21)的物理解释是时间T内,房间体积与总新风量的剂量暴露加权比值.时间越长,则暴露剂量越大,相应的净化效率就越低.不考虑剂量加权时,净化效率η0=Ω/(TI),其倒数TI/Ω即常规通风设计中的换气次数[15].

室内空气净化不适宜采用高流速的方式,除了舒适性考虑之外,一方面是因为能耗与速度的三次方成正比,另一方面较高的速度意味着湍流的加强,不利于通量的提高.

2 计算与实验

2.1 二维流场

采用稳态置换流装置布局,考虑一个二维的简化流场,对应于现场一个长 7.0m,宽 6.6m,高3.0m的房间.现场测量平均流场结果如图1,模式计算如图2,图3.

图1 现场测量的平均速度场Fig.1 The measured mean speed contour

图2 稳态置换流流场示意(进风量1200m3/h)Fig.2 Steady substitution flow

图3 上进风上排风流场示意Fig.3 Indoor flow with air ceiling inlet and outlet

气流自左上角辐流方式进入室内,自右下角被过滤并回风,通风量为1200m3/h.使用DISA热线风速仪测量得到的平均风速在 0.5cm/s以下,低于一般的风速测量仪器的测量下限.流动的数值计算采用 Fluent软件k-ε模式,未考虑门窗的影响,其结果可以与现场实测结果对照参考.对k-ε模式用于室内流场计算,Miao[11]进行了较详细的综述,认为该模式可以较好地进行模拟.

比较图2和图3可发现,相同进风量的情况下,稳态置换流降低了漩涡区面积,活动区气流速度显著降低,整体气流单向性好.

2.3 现场实测

图4 北京某幼儿园活动室Fig.4 The setup of the steady substitution flow in a nursery school in Beijing

图5 实测数浓度随时间变化Fig.5 Variation of the measured number concentration

为考察不同流场状态净化效率的不同,在北京某幼儿园2个活动室(图4)使用Y09-310型激光尘埃粒子计数器进行了浓度随时间变化的测量.图5为2个房间中心位置的实测颗粒物数浓度(只统计 1～3μm 的粒子数)随时间的变化,可以看出,系统运行几分钟后浓度随时间的变化近似指数分布,拟合后代入式(21)进行计算,得净化效率.在无颗粒物源的情形下,右侧房间的净化效率比左侧的要高.不采用剂量加权的净化效率η0明显比η偏大,如右侧房间的η0为41.7%,而相应的η为 25.7%.其原因在于,右侧房间有两个进风口,共同作用下在进风口之间存在混合区,加大了湍流扩散,削弱了气流的单方向性.

3 结论

3.1 用时间空间尺度分析方法得到颗粒物通量稳态置换流通过以下原则提高净化效率：弱正压原则.从源头控制,用于阻滞室外污染空气进入;最短路径原则.充分考虑重力沉降,满足最大扫过室内空间的同时,尽可能缩短气流在室内经过的路径;稳定低速原则.尽可能降低气流阻滞带来的能量消耗;弱化湍流扩散原则.尽可能减少形成涡旋的条件,让污染物没有充分扩散就抵达排风口.

3.2 从实测数据看,净化装置运行情况下,颗粒物数浓度随时间指数衰减.将不同通风净化装置产生的死区纳入考虑,采用暴露剂量加权的净化效率做净化指标更合理.

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