（制冷及低温工程专业论文）微细颗粒物对居民建筑室内空气质量影响的预测.pdf

摘要 本文的研究对象是颗粒粒径在2 5 u r n 以下的微细颗粒物，因其容 易渗透进入室内并在人体呼吸道内沉积，从而危害人体健康，因此本 文结合我国空气污染现状，从微细颗粒物p m 2 5 的理化性质、来源、 污染水平及其健康效应等颗粒物自身的特性出发，基于质量守恒理论 建立了自然通风建筑室内的空气品质i a q 的通用模型，其适用范围 由单房间室内环境扩展至多房间室内环境，用于预测微细颗粒污染物 p m 2 5 对室内空气质量的影响。 研究中分别从宏观( 浓度与时间的关系) 和微观( 浓度与颗粒粒 径的关系) 两方面分析了室外p m 2 ，浓度对室内p m 2 5 粒度分布与浓 度分布的影响、室内各房间之间p m 2 ，浓度互相影响的关系以及室内 污染源( 吸烟、煤燃烧) 对室内p m 2 5 的贡献，重点考虑房间的通风 换气次数对室内p m 2 5 浓度的影响。本文将多区域渗风气流模型 c o m i sm o d e l 应用于模拟室内颗粒物的浓度分布，并以此验证文中建 立的i a q 数学模型的可行性，结果表明c o m i s 可以用于模拟室内颗 粒相污染物的传输，而且其浓度分布结果与数值计算值是吻合的。 关键词微细颗粒物( p m 2 5 ) ，自然通风，室内空气品质模型， c o m i s 模型 a b s t r a c t t h em a i ns u b j e c to f t h i sp a p e ri st h ei n v e s t i g a t i o no l lf i n ep a r t i c u l a t e m a t t e r s - - - t h ea e r o d y n a m i cd i a m e t e ro fw h i c ha r el e s st h a n2 5 p m t h e s e k i n d so fp ma r eh a r m f u lf o rh u m a nh e a l t hs i n c et h e i re a s yi n g r e s sa n d d e p o s i t i n gw i t h i nt h et r a c h e a b e g a nf r o mt h ep h y s i c a la n dc h e m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，o r i g i na n dc o n c e n t r a t i o no fp m 2 5 ，b a s e do nt h ep r i n c i p l e o fm a s sb a l a n c e ，t h eg e n e r a lm o d e lo fi n d o o ra i rq u a l i t y ( i a q ) w i t h i nt h e n a t u r a lv e n t i l a t i o nb u i l d i n g s ，w h i c ha d o p t a b l en o to n l yf o ra s i n g l ez o n e b u ta l s of o rt h em u l t i - z o n e ，w a sf o u n d e di nt h i sp a p e r , a n dw a su s e dt o p r e d i c ti a q t h a te f f e c t e db yt h ec o n c e n t r a t i o no f p m 2 3 f r o mt w oa s p e c t so fm a c r o s c o p i c ( c o n c e n t r a t i o nv s t i m e ) a n d m i c r o c o s m i c ( c o n c e n t r a t i o nv s d i a m e t e r ) r e s p e c t i v e l y , t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e no u t d o o ra n di n d o o rp m 2 5c o n c e n t r a t i o n , t h ei n t e r a c t i o nf r o m d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nf r o mo n ez o n et oa n o t h e ra n dt h ec o n t r i b u t i o n f r o mi n d o o rs o u r c e ( s m o k i n g ，b u r n i n go fc o a l ，e t c ) t ot h ev a r i e t yo f c o n c e n t r a t i o no f p m 2 5w e r es t u d i e si nt h i sp a p e r d u r i n gs u c hs t u d i e st h e a i re x c h a n g er a t ei sc o n s i d e r e dt oh eap i v o t t h ec o m i sm o d e lw a su s e d i nt h i sp a p e ri no r d e rt os i m u l a t et h ec o n c e n t r a t i o nv a r i e df r o mt i m e w i t h i nt w or o o m s ，a n dt h e8 r m em o d e lw a sp r e d i c t e db yt h ei a qm o d e l c o n w a s t e dt h er e s u l t so b t a i n e df r o mc o m sm o d e la n di a qm o d e l t h e m e t h o dd e v e l o p e db yt h i sp a p e rw a sv a l i d a t e d k e yw o r d sf r e ep a r t i c u l a t em a t t e r s ( p m 2 5 ) ，n a t u r a lv e n t i l a t i o n , i n d o o ra i rq u a l i t y ( i a q ) m o d e l ，c o m i sm o d e l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：望鱼壁叠 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：选丛导师签名：超2 豆；z 日期：迦年l l 月 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 近几年来，随着现代化工业的迅猛发展，人们生活水平得到了很大提高。同 时人们也发现人类赖以生存的地球环境正在急剧变化，其中空气污染是当今世界 所面临的重大环境问题之一。当人们看到工厂的烟囱冒着滚滚浓烟，汽车不断排 放着废气在公路上穿行、城市上空被烟雾笼罩时，人们相信室内空气质量一定好 于室外。因此，人们最初的研究焦点多集中在工业排放气体和汽车尾气的控制技 术上。然而，实际上室内空气污染的程度往往比室外污染更为严重，据美国环境 保护总局( u s e p a ) 调查结果表明：室内空气污染物浓度至少是室外的2 5 倍， 有时甚至高达1 0 0 倍以上由于人们在室内生活与工作时间的不断增加( 占9 0 以上) ，建筑室内空气质量i a q ( i n d o o ra i rq u a l i t y ) 日益成为广泛关注的问题， 因为它与我们的舒适、健康及工作效率密切相关i l l 。人们的室内生活、活动直接 影响室内空气的质量，特别是装潢材料的大量使用，使室内空气中污染物种类增 多、浓度增大，室内空气质量显著恶化，长期停留在被污染的环境中势必对人体 健康和精神造成一系列不良影响与危害。 1 1 室内空气污染的分类以及室内空气污染的现状 室内空气污染数量多、成分复杂，按照其性质可归纳为三类： ( 1 ) 颗粒物p m ( p a r t i c u l a t em a t t e r ) 引起的物理污染。室内空气中大量漂 浮的微细颗粒物p m 能够进入人体呼吸系统甚至通过肺泡进入血液循环从而对 心、肺等器官功能造成严重损害，进一步威胁人们的生命与健康。流行病学研究 表明，室内可吸入微细颗粒物的浓度与呼吸系统疾病及心脑血管疾病的入院率和 死亡率密切相关1 2 1 ( 2 ) 有机挥发性有害气体v o c s 引起的化学污染。室内空气中存在数百种 v o c s ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 气体通过人体眼、口、鼻等敏感部位刺激， 容易引起【疲劳、头痛、咳嗽、恶心、胸闷、过敏等病态建筑综合症s b s ，严重 影响人们的工作效率与身体舒适。另外，部分v o c s 气体具有一定的致癌作用， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 如2 0 0 4 年w h o 宣布：甲醛从人类可能致癌物( g r o u p2 a ) 确认为人类致癌物 ( g r o u p1 a ) 1 3 1 。 ( 3 ) 细菌、霉菌、病毒等微生物引起的生物污染。微生物繁殖能力强、生 长迅速、传播方便以及对人体的高致病性与强致命性，对人们身体健康与生命安 全构成直接威胁。近年来全球蔓延的非典病毒s a r s 与禽流感病毒h s n i 引起人 类的恐慌与高度重视。 室内空气污染问题在世界许多国家都受到了高度重视，欧洲、北美和日本等 国家从2 0 世纪8 0 年代开展了室内环境质量的研究工作，并取得了较全面、系 统、深入的研究成果，出台了更规范、严格的防治室内污染法规文件。总体来说， 由于发达国家的室外环境空气质量好，大气悬浮颗粒少，所以物理污染不严重， 而且其室内装饰简约、材料环保，其v o c s 等物质挥发量小，故室内的化学污染 数量也比较少，发达国家把室内的生物污染作为室内污染研究的重点，关注对身 体健康有直接威胁或致命的生物污染，特别是这些国家的温和气候、中央空调系 统最适宜细菌、霉菌等滋生。 在我国等发展中国家，室内空气污染有着明显的特殊性：室内颗粒物引起的 物理污染非常严重，室内颗粒污染源多。一方面室外空气污染严重。我国空气首 要污染物是颗粒物，且有奶城市超标。我国空气质量标准与美国比较，我国对 s 0 2 、n 0 2 、0 3 、c o 的标准限值均比美国严格，但颗粒物污染标准则比美国宽。 我国尚未制订p m 25 标准，但对广州、武汉、兰州、重庆4 城市的8 点位监测结果 表明：p m 2 5 年日均值为5 7 1 6 0 t t g m 3 ，是美国标准值1 5 嵋m 3 的2 8 , 9 7 倍1 + 1 ，表 明我国城市细粒子污染已十分严重。另一方面室内污染源的特殊性及多样性。同 时，北京市化学物质毒性鉴定检测中心对北京市有代表性的居住环境进行了检 测，发现室内空气有毒物质中可吸入颗粒物最严重，已成为居室中的首要污染物。 我国由于经济因素制约，对室内空气质量的研究起步相对较晚，目前我国也 对室内空气污染问题日渐重视，主要集中在室内化学污染方面，如：家庭装修大 众化、豪华化，大量低质量散发有害气体的装饰材料被广泛使用，许多由室内有 害气体v o c s 超标而引起的疾病。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 颗粒物概况 空气中的颗粒物质( p a r t i c l em a t t e r ，p m ) 是指悬浮在大气中固体和液体颗 粒物的总称，根据其空气动力学直径大小，可分为粒径小于等于1 0 0 0 舯1 的总悬 浮颗粒物( t o t a ls u s p c - n d e dp a r t i c l e s ，t s p ) 和粒径小于等于1 0 0 t t m 的可吸入颗粒 物( i n h a l a b l ep a r t i c l e s ，i p ，也称为p m i o ) 。可吸入颗粒物能够进入人体的呼吸系 统而影响人体健康，因而倍受关注，可吸入颗粒物还可以细分为粗颗粒物、细颗 粒物和超细颗粒物，具体如表1 - 1 所示。 图i - 1 可吸入颗粒物的类别与粒径大小 随着对大气颗粒物研究的深入，许多学者逐渐认识到p m 2 5 易于富集空气中 的有毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、微生物等，对人体的健康的危害远比 空气动力学直径在2 5 1 0 0 t t m 之间的粒子大。因此，美国环保局( e p a ) 于1 9 9 7 年颁布了p m 2 5 的标准，规定2 4 h 平均值为0 0 6 5 m g m ，年平均值为0 0 1 5 m g m 3 ， 以降低p m 2 5 的影响、保护人体健康。据研究，p m 2 j 在大气中的停留时间为7 3 0 d ，这种颗粒物可随气流被输送到几百公里甚至上千公里以外的地方，造成大 范围的污染危害。我国在1 9 9 6 颁布的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 - 1 9 9 6 ) 中 规定了p m l o 的监测标准，并统一在空气质量日报中采用p m i o 指标。而对于p m 2 _ s 的研究虽然在近几年逐渐增加，但尚未制定p m 2 5 空气质量标准。 1 3p m 2 5 的理化性质 p m 2 s 的物理化学特征包括浓度、粒径、化学成分以及颗粒的聚集特性等。 颗粒物的粒径与其物理化学性质、在呼吸道内沉积、滞留和清除相关i s , q ，以下 详细叙述颗粒物的粒径分布特性以及与对人体健康的危害。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 颗粒物的粒径大小与在呼吸道中的沉积作用 颗粒物直径的大小决定颗粒物最终进入人体的部位。如图l - l 所示颗粒物在 呼吸道内的沉积模型，大于l o p m 的颗粒由于惯性作用，被鼻与呼吸道黏液排除。 粗粒子一般沉积在支气管部位，而细粒子更易于沉积在细支气管和肺泡，并可能 进入血液循环，导致与心肺功能障碍有关的疾病，但小于0 1 p m 的颗粒由于扩散 作用和布朗运动被黏附在上呼吸道表面上随痰排出。一般说来，颗粒物粒径越小， 在大气中稳定程度就越高，沉降速度也越慢，被吸入呼吸道的概率就越大，就越 易滞留在人体内，滞留时间越长所需的清除时间也就越长，越易使毒性物质转移 到身体的其他部位，加剧对人体健康的危害。 孙 ” 。一” “。 纩、k 。盘。、，。，”t 尝 蚕 董 耋 - 一d 5o硒蕾 - 州m _ 由_ - - o _ r o - 畸 图i - 1 颗粒物在呼吸遘内的沉积部位与沉积模型 1 3 2 颗粒物粒径分布的特性 空气中悬浮颗粒物s p m 粒径范围为o 1 l o o t t m , 其质量谱如图1 2 所示川。 从图中可见，s p m 粒径分布具有明显的双峰形，以2 5 p m 为界，分别代表细颗 粒物和粗颗粒物：第一个峰的动力学直径在o 4 0 5 p m ，第二个峰的动力学直径 在l o 1 5 p m 。 图1 - 2 颗粒物不同粒径的质量分布示意图 中南大学硕士学位论文第一章绪论 不同质量浓度的悬浮颗粒物，其不同粒径颗粒物之间的比例是不同的，研究 结果表明，p m l o 与t s p 的比例随不同地区、不同季节、不同气象条件以及不同 时间而有较大变化。如北京p m l o t s p 质量浓度比值范围为0 3 7 o 6 1 ，年均比 值约为0 5 2 3 。北方沙尘暴天气下，s p m 中大颗粒物多，小颗粒物少，p m l o 与 t s p 的比值可低达0 1 0 ，而我国南方气候湿润。扬尘少，相对大颗粒物较少，小 颗粒物较多，p m l o 占t s p 的比例高达6 0 7 0 。工业除尘器容易除去大颗粒 物，而小颗粒物较难除去，因此消烟除尘工作的进展，使环境空气中t s p 浓度 有逐年下降的趋势，但p m l o 与t s p 的比值相对则有所上升。 同时p m 2 5 在p m i o 所占比例也不同，表1 - 2 列出了广州、武汉、兰州、重庆 市两年颗粒物监测的结果。 表l - 2 p m 25 p m i o 平均比值( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 年) 城市年份 塞垦：墨鎏塑：墨 。 n p m 2 折 m l o n p m 2 卯m 1 0 一 , t l l 1 9 9 55 7o 6 4 75 50 7 5 l 7 ” 1 9 9 66 10 6 6 l5 70 7 0 1 者谊 1 9 9 54 60 5 2 64 60 6 0 6 “ 1 9 9 64 80 6 0 55 00 6 7 6 譬州 1 9 9 55 10 5 1 65 2 0 6 1 4 一” 1 9 9 66 20 5 1 96 00 5 7 1 t 出 1 9 9 54 90 6 1 85 1o 5 8 5 由表可见p m 2 5 与p m l 0 的比值约为0 5 0 0 7 5 ，干旱地区的兰州市，p m 2 , s 与p m l o 的比值较低；同时还可以看出郊区的颗粒物p m 2 j 与p m l o 的比值较同一 城市城区高，这是因为p m t 5 可以长期飘浮在空气中，并且可以远距离输送。 1 4p m 2 5 的来源及污染水平分析 室内p m 2 5 的形成有两种，种是直接以固态形式排出的一次粒子，另一种 是由气态化学反应而生成的二次粒子。p m 2 5 中一次粒子主要来源于燃料燃烧、 吸烟以及由室外进入室内的颗粒物，二次粒子主要由气相( 气一粒) 化学反应而 形成的硫酸盐、硝酸盐的二次细粒子 燃料燃烧是室内微细颗粒物的重要来源之一。在我国大部分地区烹饪和取 暖主要以煤、煤气为燃料，甚至9 0 的农村家庭( 6 0 至8 0 的亚洲家庭) 仍以 中南大学硕士学位论文第一章绪论 生物体为燃料，并且这种能源结构在近2 0 年内不会有太大改变，这些燃料通常 在没有通风设备的低效率传统设备中燃烧，燃烧时产生大量的颗粒物，从而导致 严重的室内污染。天然气等燃烧产物中虽然颗粒物浓度较低，但可吸入颗粒物占 9 3 以上，黏稠度大，易进入肺内聚集成团，造成局部组织损伤加重。医学研究 调查证实了燃料燃烧是可吸入颗粒物的重要污染源，并且和人们呼吸道系统的病 交有密切关系。l e e 等的研究表明当使用木头为燃料烹饪时，室内p m 2 5 和p m l o 的浓度分别为4 2 3 和1 2 6 5 i i g m 3 ，而且在做饭时达到高峰值，但烹饪结束后p m 2 5 和p m l o 的浓度显著下降，并且认为妇女和儿童，在烹饪时更容易暴露在高浓度 的颗粒物中。 近年来国外学者更多关注燃料燃烧造成的室内颗粒物污染中与粒径分布有 关的特性。l o n ge ta 1 通过对波士顿九处居民建筑连续监测的数据，研究室内烹 饪过程中产生的p m 2 5 的质量以及粒径分布的特性，认为室内颗粒物的散发是一 个短暂的、不连续且不稳定的过程i s l 。v e n k a t a r a m a a & r a o 比较了在印度广泛使 用的传统煤炉与改良后的煤炉中燃烧木柴、动物粪便以及煤时所散发的不同粒径 颗粒物的散发因子，结果指出烧煤的炉子散发的颗粒物其粒径呈单峰分布，质量 中值直径在0 5 - 4 ) 8 t t m 之间嗍；k i e e m a ne ta 1 在文献中分析了由木柴燃烧、烧烤 及吸烟等室内源中散发的微细颗粒物的粒径分布及化学组分，其中指出木柴燃烧 和烧烤时散发的颗粒物的质量中值直径在0 1 o 2 t t m 之间，吸烟时的为o 3 加4 1 u n 之间f t o l 。 吸烟也是室内微细颗粒物的另一项重要来源i t t l 。吸烟主要产生1 1 t t m 以下 的细小颗粒1 1 2 1 ，据b a e k 等估计，环境烟草制品烟雾( e t s ) 对于粒径2 5 a n 的 颗粒物贡献为l o 2 0 【玎l 。k m x i sc t a l 提出了一种基于模型的方法，用于评估 室内污染源颗粒物的散发随粒径分布的影响因素，接着应用此方法来预测箱体实 验中一系列的香烟的与粒径相关的散发速率，并将预测值与实测值进行比较i l 舢 结果证实此方法是可行的并可推广用于评估室内的其他污染源颗粒物的散发。调 查表明，在密闭的房间里，未吸烟时，室内环境的颗粒物仅为室外的0 5 倍，吸 一支烟所造成的污染超过国家环境空气质量二级标准的2 5 倍。邹庐泉等对上海 市某办公室内空气颗粒物的粒度分布进行了测定，结果表明吸烟对办公室内空气 中颗粒物的浓度分布有很大的影响1 1 5 1 。 从室外进入室内的颗粒物是室内微细颗粒物的另一来源。室外的颗粒物主 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 要通过窗除、天花板、门缝等进入室内，其主要污染源是煤燃烧、工业排放、机 动车、建筑工地和地面扬尘等。若控制了室外的污染源，则室内的颗粒物浓度也 会相对降低。 自2 0 世纪6 0 年代末开始，荷兰的b i e r s t e k e r 等人首先做了关于f o ( r e l a t i o n s h i p b e t w e e ni n d o o ra n do u t d o o ra i rq u a l i t y ) 的研究，他们测量了位于鹿特丹的6 0 个 房问内的s 0 2 和香烟颗粒物浓度，第一次指出了民用建筑的i a q ( i n d o o ra i r q u a l i t y ) 与o a q ( o u t d o o r a i rq u a l i t y ) 之间存在着明显差异，并且提出i a q 是影 响人类健康的一个重要因素i u i ，这一研究促使更多的人把目光转向了i ，o 研究。 对于f o 的研究主要集中于以下三类文献：大量文献都是通过实验测定室内和 室外颗粒物浓度1 1 ，1 7 1 。堋研究发现，在室内没有粒子源的情况下，室内外粒子 质量浓度之比在o 5 至2 的范围内变化，且室内人员的生活和工作都会对此产生明 显影响嗍；室内有吸烟源存在时，怕值将大于1 8 2 ，而且通风对室内颗粒物浓 度的影响较大，不同粒径范围内的i o 值是不同的嘲；结合连续监测的数据与 在瞬时条件下的计算结果对室内外污染物浓度之间的关系进行评估1 2 & 7 h 1 ；用 数学模型描述的关系。f r e i j e ra n db l o e m e n 用动力学质量守恒模型计算瞬时i o 值，而且还分析了室内与室外浓度的线性相关性嗍。m o r l e y 等嗍将实验和质量 守恒模型结合，得出在室内外不同的压差情况下不同粒径的室外颗粒物对室内浓 度的贡献。c h a o & t u n g 建立的经验模型指出换气次数对室内外空气中的p h 心j 浓 度的影响非常显著，此模型在房间换气次数为4 h 1 以下都是适用的1 2 q 。 为有效控制颗粒物污染，量化各类典型污染源对大气颗粒物的贡献是非常必 要的大气颗粒物的来源非常复杂，用于解析其来源的方法一般有3 类：源清单、 源模型和受体模型。化学质量平衡( c m b ) 模型是受体模型的一种，已被美国环境 保护局( u s e p a ) 推荐作为大气颗粒物来源解析的重要方法之一。s c h a u e r 等在2 0 世纪9 0 年代提出了有机示踪技术( o r g a n i cl r a t 搿t e c h n i q u e ) ，以有机物作为污染源 示踪物解析颗粒物及其有机碳( o c ) 的来源，这是对c m b 受体模型的重要发展 阱洲北京大学利用c m b 受体模型对北京市p m 2 5 来源进行解析，结果表明。北京 市p m 2 5 的主要来源为燃煤、扬尘、机动车捧放、建筑尘、生物质燃烧、二次硫 酸盐和硝酸盐及有机物p e l 。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 微细颗粒物污染危害 颗粒物中危害最大的是细颗粒物，严重危害人体健康。不少研究发现，大气 中p m 2 5 浓度的上升与咳嗽等呼吸道症状的产生、肺功能减弱及哮喘的发病相关 p 。n o r r i s 等发现西雅图城市儿童哮喘急诊人数与细颗粒物( 粒径小于l p m ) 的污 染水平显著相关，当细颗粒物浓度上升11 陷m 耐，急诊人数增加的相对危险度o u r ) ；1 1 5 ( 1 0 8 1 2 3 ) ，即使是处于最新大气颗粒物p m 2 5 浓度质量标准水平之下，也 存在上述相关p 2 1 。1 9 9 5 1 9 9 6 年在我国广州、武汉、重庆、兰州四城市的调查显 示，大气中p m l o a x ：i ：i p m 2 5 污染水平与儿童呼吸道炎症、哮喘的患病率呈线性正相 关关系网。国内外流行病学研究表明，城市空气中可吸入颗粒物中，p m i o 年t l 细颗 粒物p m 2 5 与医院就诊率、心肺疾病发病率乃至死亡率等诸多不利健康效应之间 均有密切关系 a 哪t s l 。另外，细颗粒物有明显的毒性作用，可引起机体呼吸系统、 免疫系统等较为广泛的损害瞰i ，吸附在细粒子上的多环芳烃污染是肺癌重要致癌 因子之一，而且颗粒物的污染与人类生殖功能的改变显著相关。 细颗粒物还能造成能见度下降1 3 7 l ，给城市景观带来不利影响。如北京市在2 0 世纪8 0 年代能见度为十几千米，但现在通常仅为2 3 k i n ，其主要原因为颗粒物质 的散光效应、炭黑以及含炭黑颗粒对光的吸收作用等。颗粒物粒径不同，对能见 度的影响有差异，p m 2 5 的消光作用远大子粒径在2 5 1 a n 以上的粒子，在影响大气 能见度的粒子中占有极其重要的主导地位。由于l m 2 5 的存在，美国大部分地区 的能见度只有天然能见度的3 0 。 1 6 颗粒物在室内的动力学行为特性 如图l - 3 所示 m l ，室外空气中的颗粒物可以通过建筑墙体的裂缝以及窗隙等 进入室内，进入室内的颗粒物一部分沉积在室内四周的墙体表面，在室内人员的 活动或机械作用下又可以再扬尘，另一部分颗粒物则随渗透气流从墙体等的裂缝 中渗漏到室外。研究颗粒物的动力学行为特性，可以用渗透系数p 来描述随着渗 透气流从室外进入室内的颗粒物部分，用沉降系数k 描述沉积在室内表面的颗 粒物部分。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图l - 3 颗粒物进入室内的路径以爰颗粒物在室内的行为与归宿 在过去几年中，国外学者在建筑墙体对颗粒物的渗透方面作了许多基础性的 研究，主要有以下四个方面的工作：对室内室外颗粒物之间的关系进行观测1 3 8 1 ； 在建筑物中进行可操作的实验嗍；实验室中测定通过仿真裂缝的渗透系数1 4 0 , 4 1 1 ； 用数学模型模拟计算通过理想裂缝的渗透系数f 4 2 1 。这些工作中解释了出现预知的 结果的潜在因素，即超细颗粒物( 粒径范围so 1 f t m ) 由于不停地做布朗运动而 沉积在墙体裂缝的周围，粗颗粒物( 粒径范围 2 1 x m ) 则由于重力作用被沉降在 墙体表面，所以这两种颗粒物的渗透系数比较小，而细颗粒物( 粒径范围 0 1 2 1 t m ) 则能非常有效地通过墙体裂缝被渗透进入室内。正如t a o m l , u t y 等指 出室外大于l i m a 的颗粒物易于沉降，小于0 2 1 t m 的颗粒物易于扩散，只有在 0 3 0 m 0 s j x m 的颗粒物才会通过墙体的围护结构进入室内，并利用质量守恒模 型分析各参数对室内颗粒物浓度的影响1 4 3 1 室内空气的水平对流或紊流扰动足以使室内的颗粒物在空气内核区与边界 层之间进行运动，通过边界层的传输控制颗粒物的沉降：布朗运动促使超细颗粒 物沉降，重力作用使粗颗粒物沉降，而细颗粒物的沉降效率则比较低。l a i 和 t h a t c h e r 分别在不同的实验中通过对任意给定粒径的颗粒物的沉降速率进行观 测，得出增加空气流速或增大室内表面积可以提高颗粒物的沉降速率结果1 4 4 , 4 1 s l 。 1 7 室内空气品质( l 垃) 模型 近年来，随着经济的发展、生活水平的提高，人们对居住环境的要求提升到 关注与室内可挥发有机物、颗粒物质等密切相关的室内空气品质( i a q ) 的高度。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 室外颗粒物可通过自然渗风、机械通风、人员进出带入室内；室内人员活动如吸 烟、取暖、做饭、清扫等，也可能增加室内的颗粒物含量。影响室内颗粒浓度的 因素很多，分析这些因素的影响，对评测和控制室内空气品质有着十分重要的意 义。另一方面，现在很多建筑物，尤其是居民住宅都采用或提倡采用自然通风， 在这种情况下，研究基于自然通风的室内空气品质很有意义。 国内外大量研究表明，基于质量守恒定理的模型能够很好的解释如图1 3 所 示的影响室内颗粒物浓度的各种因素以及颗粒物在室内的动力学行为过程，因 此，建立在此基础上的“室内空气品质模型佣于进行研究室内p m 的特性就成为 国外众多学者的研究重点。n a z a r o f f a n dc a s s 针对各种不同的室内空间建立了不 同的质量守恒模型，用于模拟室内p m 的动力学行为过程，奠定了用质量守恒模 型研究室内p m 的基础嗍。近年的研究主要集中在建立室内空气品质模型分析室 内颗粒物浓度与室外颗粒物浓度的关系，预测室内颗粒物浓度的趋势以及各控制 参数的影响，取得了比较系统的研究成果。但目前研究中最为突出的问题与困境 是现有的室内空气品质模型o n d o o r a i r q u a l i t y m o d e l ) 4 7 , 4 u 1 , , 1 9 , 1 缺乏统一性与广 泛适应性。即现有文献中提出的关于室内颗粒污染物浓度分布与变化规律都是针 对某种特殊情况或特殊环境与地域条件下得到的。 本文将从室内颗粒质量平衡的角度建立室内颗粒物的传输模型，即室内空 气品质模型，借此对室内颗粒浓度的影响因素进行分析，用以评价与预测自然通 风建筑室内颗粒污染物的浓度分布。 1 8 研究方法 随着计算机技术的发展，c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 技术已被应用于 建筑通风空调设计领域。该法利用室内空气流动的质量、动量和能量守恒原理， 采用合适的湍流模型1 5 l ，5 2 1 ，给出适当的边界条件和初始条件，可求出室内各点的 气流速度、温湿度以及热舒适指标p m v ( p r e d i c t e d m e a n v o t e ) ，同时利用室内空 气的流动形式和扩散特性，得到室内各点的空气龄，从而判断送风到室内各点的 时间长短，评估室内空气的新鲜度。但是c f d 技术所能提供的是室内各点的不 同浓度分布，并不能确定室外对室内浓度的影响以及室内颗粒污染物的粒径分布 特性，因此当采用这种方法研究颗粒物的行为特性时就有很大的局限性。 l o 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，基于整个建筑物的多区域空气流动网络模型( m u l t i z o n en e t w o r k m o d e l ) 宅e 通风和室内环境领域的研究中日益得到广泛应用。它与c f d 模拟技术 的不同点在于，c f d 模拟是从微观角度，针对某一区域或房间，利用质量、能量 及动量守恒等基本方程分析其速度场、温度场、污染物浓度场等，是一种场模型 ( f i e l dm o d e l ) ：而多区域网络模拟则从宏观角度进行研究，把整个建筑物作为一 个系统，而其中的每个房间为一个控制体( 或称网络节点) ，各个网络节点之间通 过各种空气流通路径相连，利用质量、能量守恒等方程对整个建筑物的空气流动、 压力分布和污染物的传播情况进行研究，因此国外建立了大量的基于多区域空气 流动网络的渗风气流模型1 5 3 1 ，其中尤其以c o m i sm o d e l ( c o n j u n c t i o no f m u l t i z o n ei n f i l t r a t i o ns p e c i a l i s t ) 为代表。此模型可通过室内c 0 2 浓度和能耗状况 来评估室内通风状况，能处理复杂的多区气流状况，并能对其和污染物传输状况 进行模拟分析，可以确定空气流通率及其分配以及室内污染空气的组分、来源和 沉积情况等。现有的文献仅是针对室内的气态污染物( 如c o 、v o c 气体等) 在 室内的传输过程的模拟i s 4 , 鲒l ，还未见到有相关文献应用c o m i s 模型研究颗粒物 在室内的传输过程。 本课题在总结前人研究经验的基础上，采用“理论分析、数值预测、软件模 拟”相结合的方法，遵循“从简单到复杂，由现象看本质”的原则，合理假设、简 化模型，建立完整的、通用的i a q 模型，预测复杂室内环境中微细颗粒污染物 对室内空气质量的影响。 1 9 本文的研究目的及意义 本课题的研究方向是根据地方环境监测站公布的大气悬浮颗粒物浓度、粒径 分布，结合当地的气象条件、建筑围护结构特征等，预测室内环境中的颗粒物污 染状况，并制定及时合理的控制策略，减少人们在室内环境中的健康风险。如何 得到一个具有通用性、能够综合考虑多种影响因素的室内空气品质模型就是本课 题的研究目的，希望能为我国室内环境质量控制提供一定的科学理论根据。 针对我国室内空气污染的特殊性与严重性：一方面由于室外大气中悬浮颗粒物污 染严重，而且我国建筑围护结构的密封性远远不及欧美发达国家，大气悬浮颗粒 污染物更容易通过建筑围护结构渗透进入室内，另一方面由于经济发展的制约以 中南大学硕士学位论文第一章绪论 及我国居民的生活习惯造成我国室内烹饪多采用煤炭等原因，导致室内环境不断 恶化，这样国际上的一些室内空气品质模型直接应用将带来很大的误差。尽管我 国对建筑室内环境污染及其对健康的影响给予了相当的重视，但对室内环境颗粒 污染物的研究还明显不足惭刃，鼹别，数据的系统性也较差。有限的观测结果还不 能全面地反映细粒子的污染状况和污染特征，无法进行深入的分析和比较。因此， 本课题对改进我国的室内空气品质状况，具有更加特别的意义。 中南大学硕士学位论文第二章单房间室内空气品质i a q 模型 第二章单房间室内空气品质i a q 模型 伴随着人们对室内环境重要性的认识不断加深，“室内空气品质的评价这一 概念应运而生。对室内空气品质进行评价的目的在于：( 1 ) 掌握室内空气品质状 况和变化趋势，以开展室内污染的预测工作；( 2 ) 评价室内空气污染对健康的影 响，以及室内人员的接受程度，为制定室内空气品质标准提供依据；( 3 ) 弄清污 染源与室内空气品质的状况关系，为建筑设计、卫生防疫、控制污染提供依据。 事实上，直接测量或计算室内污染物的浓度水平以及室内外污染物浓度比是相当 困难的，这就推动了能够预测室内污染物浓度分布规律的模拟技术的发展；另一 方面，模拟技术从简单的回归模型发展到复杂的计算流体动力学( c f d ) ，开发 具有通用性、能够综合考虑影响室内污染物浓度水平的各种参数的预测工具的需 要，进一步推动了室内空气品质模型( i n d o o r a i r q u a l i t y m o d e l ，i a q m o d e l ) 的 发展，因此本文从单个的自然通风房间入手，进而研究复杂室内环境的空气品质 模型。 2 1 物理模型描述 本章中研究的建筑物室内的空气品质，是把整个建筑物室内看作一个单一的 房间。室内经常会有颗粒污染物散发，而且室外环境中的颗粒污染物也会通过建 筑物的通风等形式被带入室内，其室外的p m 浓度也将影响室内的p m 浓度。由 于房间墙体结构的不同、室内装修以及室内人员的活动等的影响，室内的颗粒物 在通风房间内会经历沉降、吸附、再扬尘和聚合等等动力学行为过程，可以通过 数值的方法预测室内颗粒物的浓度，本文采用图2 1 所描述的通风房间内颗粒物 动力学行为过程的物理模型，用于计算室内颗粒污染物的浓度。 大多数的居民建筑以及某些商业建筑大多采用自然通风的形式，如图2 1 所 示：室外颗粒物的浓度为c d ，房间的通风量为q ，室外的颗粒物随空气的流动 通过窗户或墙体的裂缝进入室内，但建筑墙体对于一定粒径范围内的颗粒物有一 定的过滤作用，即只有一部分的颗粒物能够进入室内，故对于一个确定的建筑物 中南大学硕士学位论文 第二章单房间室内空气品质i a q 模型 有一确定的渗透系数p ；室内有污染源产生时，以一定的散发速率散发颗粒物， 室内的一部分颗粒污染物可能被地面、桌面等表面吸附并以一定的沉降速率k 落 于房间四周的表面上，另一部分颗粒物在室内经历如图2 - 1 所示的一系列动力学 行为过程后室内颗粒污染物的浓度为g ，在通风的作用下从墙体的裂缝或开口 处渗漏出至室外。 图2 - l 通风房间内颗粒物动力学行为过程的物理模型 2 2 单房间室内空气品质i a q 模型的建立 2 2 1 质量守恒方程 评价室内空气品质一般遵循污染物的质量守恒原理，质量守恒模型被应用于 污染物的暴露评价以及室内污染水平的控制，本文考虑的单房间质量守恒模型， 见图2 - 1 ，其中考虑了建筑( 房间) 的体积，通风量，室内污染源，汇以及室外的 污染物浓度。 假设所研究的单房间是充分混合的室内环境，假定温度和压力在时问和空间 上都是相对恒定的，则空气的质量守恒处于稳态过程，也就是说，进入室内的空 气在室内均匀分布，且进入室内的空气质量等于从室内出去的空气质量。室外空 气中含有污染物，且能通过建筑物的开口或墙壁裂缝渗透进入室内，室内与室外 进行空气交换的同时污染物也随之进行传输。另外。对所研究的污染物作如下假 设： 进入室内的污染物浓度等于室外的污染物浓度减去污染物在进入室内时 被墙体等过滤设置过滤掉的部分，即c 。= c 0 蛔一c j 。；从室内出 去的污染物浓度应该等于室内的污染物浓度； 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章单房间室内空气品质i q 模型 室内污染物浓度的衰减与污染物的质量是成比例的： 室内源与汇影响室内污染物的增加和减少； 考虑以上假设条件，则污染物的质量是守恒的，根据质量守恒定理，房间中污染 物的质量存在如下关系： 掣吨，m + 历 ( 2 1 ) 百2 一o u t + 历g e n 2 。1 即：室内污染物质量随时间f 的变化量= 在时间f 内进入室内的污染物一 在时问f 内从室内流出的污染物+ 在时间f 内室内源所产生污染物。根据上述 对式( 2 - 1 ) 中各项物理意义的描述，则对于本章所研究的单房间可以建立如下 质量守恒方程： 矿鲁= 鹏一( q + 七+ e ( 2 - 2 ) 式中：g 室内颗粒污染物的浓度，t t g m 3 ； e 室外颗粒污染物的浓度，p g m 3 ； q 通风量，m 3 h ； p 渗透系数； 七沉降系数，h 一； 层室内污染源散发速率，t l g , h ： 矿房间的体积，m 3 ： f 时间，h 。 等式左边表示室内颗粒污染物质量的变化速率，等式右边各项依次表示由通 风从室外带入的颗粒物、从室内渗漏至室外的颗粒物质量及由于沉降作用带走的 室内空气以及室内的污染源。 为了简化方程( 2 - 2 ) ，定义换气次数：进入室内的空气流量总和除以室内的 体积所得即为房间的换气次数口( h 。1 ) ，即： 口= 罟( 2 - 3 ) 根据以上定义，整理方程( 2 - 2 ) 可得： 鲁= , w c o o + 七b + 歹e ( 2 _ 4 ) 中南大学硕士学位论文第二章单房间室内空气品质i a q 模型 由此，方程( 2 - 4 ) 即为单房间室内空气品质i a q 数学模型的控制方程。 2 2 2 控制参数分析 控制方程( 2 - 4 ) 可以看作形如g = f ( c o ，e ) 的函数关系式，其中室内的实 时浓度g 是未知变量，室外的实时浓度c 与污染源的散发率e 是已知变量。方 程中有三个控制参数：换气次数口、渗透系数p 以及沉降系数k ，其中p 与k 对 于一确定的建筑来说是一常数，口则与房间的通风量有关。 室内空气的质量守恒方程( 也即i a q 模型) 的非稳态解考虑的是室内p m 2 j 随时间的变化，其中房间的通风换气次数盯是随时间变化的，而控制参数p 与k 是恒定的，因此非稳态解是综合了颗粒物的渗透与沉降作用而得出室内颗粒物浓 度的宏观变化情况。然而从室内空气质量守恒方程的稳态解得出的统计学模型， 区分了不同粒径的渗透与沉降作用的耦合影响，因而才可以得到室内颗粒物浓度 随粒径分布的规律。 2 3i a q 方程的稳态解 在质量守恒方程( 2 - 2 ) 中随粒径不同而变化的项有：e 、p 和| ，因此方程 ( 2 - 2 ) 在一定程度上不能很全面地表达在空气传播中颗粒物的质量。实际上， 室内产生的颗粒物按粒径可以大致分为以下三种类型( 见表2 1 ) ，评估室内颗粒 物的动力学行为也应该分为三个部分，即需要对应每种类型的颗粒物来求解一系 列的方程( 2 - 2 ) ，因此在研究中可以把颗粒物看作是静态的实体，主要考虑的是 颗粒物在传输过程中自身的特性而不是其动态变化的特性。 表2 - 1 颗粒物按粒径的分类 在以上这种理想化的条件