渗透通风建筑室内颗粒物的污染特征

樊越胜; 谢伟; 张鑫; 余俊伟; 司鹏飞

doi:10.12030/j.cjee.201710063

渗透通风建筑室内颗粒物的污染特征

1.
西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055
2.
中国建筑西南设计研究院，成都 610042
3.
清华大学建筑学院，北京 100084
基金项目:
国家重点研发计划(2016YFC0700503)

Pollution characteristics of indoor particle matter at infiltration ventilation building

1.
School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China
2.
China Southwest Architecture Design Institute, Chengdu 610042, China
3.
College of Architecture, Tsinghua University , Beijing 100084, China
Fund Project:

摘要: 通过建立颗粒物穿透率与渗透通风房间换气次数的数学模型以及室内颗粒物浓度集总参数模型，对常州市某住宅建筑室内颗粒物污染特征进行分析，通过实验验证了颗粒物穿透率、室内颗粒物浓度模型的准确性。计算结果表明，对于室内无污染源的渗透通风房间，粒径为0.5、1.0、2.5 μm的颗粒物以及PM2.5穿透率随换气次数的增大而增加；当换气次数从0.2 次·h-1增加至0.5次·h-1时，PM2.5穿透率由70%增大至88%，增加25.7%。对于用香烟烟雾作为颗粒污染物尘源的房间，空气净化器的实际洁净空气量CADR值为152 m3·h-1，相比试验舱标定工况320 m3·h-1衰减52.5%。
- 渗透通风 /
- 颗粒物 /
- 换气次数 /
- 穿透率
Abstract: Pollution characteristics in infiltration ventilation room was analyzed in Changzhou through establishing both the mathematical model of particle penetration rate with air exchange rate and the mass balance equation of particulate matter. The accuracy of those models were also tested and verified by experiments. The results indicate that the penetration rate of particle with diameter of 0.5, 1.0, 2.5 μm and PM2.5 were increased with air exchange rate, and the penetration rate of PM2.5 increased from 70% to 88%, increasing by 25.7% when the air exchange rate increased from 0.2 times per hour to 0.5 times per hour. The clean air delivery rate value of air cleaner was 152 m3·h-1, which attenuated 52.5% compared to the value of 320 m3·h-1 in test chamber conditions using cigarette smoke as the pollutant source.
- infiltration ventilation /
- particle /
- air exchange rate /
- penetration rate

细颗粒物（PM_2.5）污染日益引起人们重视，由于粒径小，比表面积大，携带更多有毒有害物质，长期暴露在污染环境中，PM_2.5对人体呼吸系统更具危害性^[1-3]。研究表明，人的一生有80%~90%的时间是在室内度过的^[4-5]，人们逐渐关注室内环境中的颗粒物污染暴露问题。室内污染与室外环境存在很大的关联性，在室内无明显污染源的情况下，室内PM2.5浓度有78%来自室外颗粒物通过维护结构的渗透^[6]；KOUTRAKIS等^[7] 对住宅建筑的研究发现，75%的PM_2.5和65%左右的PM₁₀来自室外。Ozkaynak等^[8]通过非线性方法进行室内源分析，发现即使在有烟草烟雾情况下，室内PM₁₀和PM_2.5中仍然有55%~60%来自室外。由于室外大气颗粒物污染严重，且建筑门窗缝隙密闭不严等原因，室内外通风换气加剧了室内污染，人们开始将研究重心转移到源于室外颗粒物浓度的影响因素上。

LEWIS^[9]基于实验舱模型研究得到压差为10 Pa，粒径范围在0.1~10 μm的颗粒物通过理想缝隙（高度为0.1 mm、深度为40 mm）时的穿透率；LIU等^[10]测得不同压差条件下通过不同尺寸矩形缝隙的穿透率，当缝隙两端压差大于4 Pa时，缝隙高度大于1 mm，粒径范围在0.02~7 μm的颗粒物穿透率近似为1。目前现有的穿透机理主要研究颗粒物粒径、缝隙压差、缝隙尺寸以及材料等对穿透率的影响，由于颗粒渗透过程中影响因素较多，不同学者的研究结果存在一定的差距，且当前分析一般建立在理想缝隙的基础上，无法在实际工程中得到应用。为了能有效预测室外颗粒物向室内的穿透，减少大气颗粒物对人体的危害，本文通过数值模拟和实验方法进一步研究室外颗粒物通过建筑维护结构的影响因素，推导出颗粒物穿透率与渗透通风房间换气次数的关系式，通过实验对0.5、1.0、2.5 μm粒径的颗粒物及PM_2.5穿透率理论模型进行验证，同时对室内PM_2.5污染特征进行分析，为控制室外进入室内的颗粒物浓度污染提供依据。

1 颗粒穿透率理论模型

假设建筑围护结构缝隙通道内表面光滑，颗粒物通过缝隙的总穿透率可以按重力沉降、布朗扩散和惯性碰撞分别作用下的穿透率的乘积计算^[11-12]，其计算公式如下：

$P = P_{G} \cdot P_{B} \cdot P_{I}$

（1）

式中：P为颗粒物的总穿透率，P_G、P_B、P_I别为重力沉降、布朗扩散和惯性碰撞单独作用下的颗粒物穿透率。

1.1 重力沉降

重力沉降作用下的颗粒物穿透率采用Fuchs^[13]中的方法计算，其计算公式如下：

$P_{G} = 1 - \frac{L v_{g}}{H μ_{m}}$

（2）

重力沉降速度可通过式（3）计算：

$v_{g} = C_{c} \frac{d_{p}^{2} （ ρ_{p} - ρ ） g}{18 μ}$

（3）

滑动修正系数：

$C_{c} = 1 + 2.25 \frac{λ}{d_{p}}$

（4）

式中：L为缝隙的宽度，m；

$v_{g}$ 为重力沉降速度，m·s⁻¹；H为缝隙高度，m；

$μ_{m}$ 为缝隙内空气平均流速，m·s⁻¹；

$d_{p}$ 为粒径，μm；颗粒物密度

$ρ_{p}$ =1×10³ kg·m⁻³；空气密度

$ρ$ =1.2 kg·m⁻³；重力加速度

$g$ =9.8 m·s⁻²；空气动力粘滞系数

$μ$ =18.24×10⁻⁶ Pa·s；平均自由程

$λ$ =0.066 μm。

1.2 布朗扩散

布朗扩散作用下的颗粒物穿透系数P_B^[12]按式（5）计算：

$P_{B} = \exp [- \frac{1.967 D L}{μ_{m} {（ 0.5 H ）}^{_{2}}}]$

（5）

扩散系数：

$D = \frac{k T C_{c}}{3 π μ d_{p}}$

（6）

式中：k为波尔兹曼常数，

$k = 1.38 \times 10^{- 23} J \cdot K^{- 1}$ ；T为热力学温度，K。

1.3 惯性碰撞

在颗粒物通过维护结构穿透过程中，任何由于惯性碰撞沉积的颗粒物同样能够在重力作用下沉降^[13]。在建立穿透率模型时，可忽略惯性碰撞作用，仅考虑重力沉降、布朗扩散作用。

$P = P_{G} \cdot P_{B} = (1 - \frac{L v_{g}}{H μ_{m}}) \cdot \exp [- \frac{1.967 D L}{μ_{m} {（ 0.5 H ）}^{_{2}}}]$

（7）

缝隙内空气平均流速

$μ_{m}$ 按下式计算：

$μ_{m} = \frac{q}{W H} = \frac{n V}{W H}$

（8）

式中：W为缝隙的长度，m；n为渗透换气次数，次·h⁻¹；V为房间体积，m³。

2 模型验证

2.1 测试概况

测试时选取江苏常州市某住宅建筑，以卧室作为研究对象，图1为测试现场布置图。该卧室体积为67.5 m³（5 m×5 m×2.7 m），两扇平推外窗（1.2 m×1 m），2扇外门（1 m×2 m），其中缝隙总长度W为22.8 m，宽度L为0.03 m。

测试时间为2017年3—8月。测试工况为渗透通风，测试时房间内无污染源，对室内颗粒物浓度进行监测。其中采样点布置靠中间，高度为1.1~1.2 m；室外采样点设置距离窗户0.3~0.4 m处。

图1 测试现场布置图
Fig. 1 Layout plan of experiment test

2.2 实验仪器

采用GRIMM1.109便携式气溶胶光谱仪监测室内外颗粒物数量及质量浓度，重现性5%；测试结果采用平均值。渗透通风换气次数采用SF₆示踪气体进行采样计算。

3 分析与讨论

3.1 不同粒径颗粒物穿透率

根据式（5）计算，在换气次数分别为0.1、0.2、0.5 次·h⁻¹时，粒径范围在0.25~1.3 μm，布朗扩散单独作用下的颗粒物穿透率P_B的计算结果见表1。

表1 不同粒径下颗粒穿透率随换气次数的计算结果
Table 1 Calculation result of air changes with different particle sizes

表1 不同粒径下颗粒穿透率随换气次数的计算结果
**Table 1** Calculation result of air changes with different particle sizes
换气次数/ （次·h⁻¹）	穿透率/%
换气次数/ （次·h⁻¹）	0.25 μm	0.3 μm	0.4 μm	0.5 μm	0.7 μm	0.8 μm	1.0 μm	1.3 μm
0.1	96	97	98	99	99	100	100	100
0.2	98	99	99	99	100	100	100	100
0.5	99	99	100	100	100	100	100	100

由表1可知，布朗扩散作用下不同粒径的颗粒物穿透率P_B近似为1，因此，穿透率P的计算可只考虑重力沉降。

根据集总参数模型，预测室内颗粒物浓度变化^[14-16]，验证穿透率的理论模型的计算公式如下：

$\overset{变化量}{\overset{︷}{\frac{d C_{in}}{d t}}} = \underset{穿透}{\underset{︸}{P n C_{out}}} + \overset{室内源}{\overset{︷}{G / V}} - \underset{气流带出}{\underset{︸}{n C_{in}}} - \overset{沉降}{\overset{︷}{K C_{in}}}$

（9）

式中：C_in为室内颗粒物浓度，µg·m⁻³；C_out为室外颗粒物浓度，µg·m⁻³；P为颗粒物的穿透率，%；K为颗粒物的沉降率，h⁻¹；G室内发尘源，µg·h⁻¹；t为时间，min。

对式（9）积分，可得室内颗粒物逐时浓度公式。

$C_{in} = C_{\infty} - （ C_{\infty} - C_{0} ） \cdot \exp （ - \frac{n + K}{60} t ）$

（10）

式中：

$C_{0}$ 为室内颗粒物初始浓度，µg·m⁻³；

$C_{\infty}$ 为室内颗粒物稳定浓度，µg·m⁻³。

图2为颗粒物粒径0.25、1.0和2.5 μm的数量浓度随时间的变化及其拟合曲线。

图2 颗粒物数量浓度随时间的变化
Fig. 2 Changes of diameter particle concentration with time

通过实验数据与式（10）对比，可计算沉降率K，穿透率P可根据式（11）计算。

$P = \frac{(a + K) C_{\infty}}{a C_{out}}$

（11）

粒径0.25、1.0及2.5 μm颗粒物的穿透率计算结果见表2。

表2 粒径0.25、1.0、2.5 μm穿透率计算结果
Table 2 Calculation result of penetration rate with particle sizes 0.25, 1.0 and 2.5 μm

表2 粒径0.25、1.0、2.5 μm穿透率计算结果
**Table 2** Calculation result of penetration rate with particle sizes 0.25, 1.0 and 2.5 μm
粒径/μm	实验拟合公式	相关系数R²	n/（次·h⁻¹）	P/%
0.25	C_in=138 105+32 236exp（-0.025t）	0.98	0.8±0.05	0.93±0.05
1.0	C_in=583+625exp（-0.018t）	0.87	0.8±0.05	0.80±0.05
2.5	C_in=151+244exp（-0.024t）	0.75	0.8±0.05	0.75±0.05

从图3可知，通过数值模拟与实验结果进行比较，趋势基本吻合，误差在±8%以内。对于某一粒径颗粒物d_p，穿透率P随换气次数n的增加而增大，对比式（2）可知，随着换气次数n的不断增加，颗粒物跟随气流通过门窗缝隙的流动能力逐渐增加，导致颗粒物穿透率P增大。

图3 穿透率与换气次数的关系
Fig. 3 Relationship between penetration and ach

由于本次计算模型采用光滑模型，而在实际房间测试中，由于缝隙表面粗糙度原因导致实际房间的计算结果小于理论值。

3.2 PM_2.5穿透率的理论模型与实验验证

对于PM_2.5的平均穿透率P，通过式（7）积分简化得到：

$P = \frac{\int_{d_{1}}^{d_{2}} (1 - \frac{4.5 W L}{n V} d_{p}) d (d_{p})}{d_{2} - d_{1}}$

（12）

式中：d₁=0.25 μm；d₂=2.5 μm。

为验证PM_2.5穿透率的理论模型，现对实验测试结果进行分析。图4为渗透通风室内PM_2.5质量浓度随时间的变化，其中PM_2.5实验拟合公式C_in=37+23exp（-0.028t），R²=0.98，其中PM_2.5的穿透率可根据集总参数模型计算。图5为PM_2.5穿透率的数值模拟与实验结果对比图。

图4 室内PM_2.5浓度随时间的变化
Fig. 4 Change of PM_2.5 concentration with time

图5 PM_2.5穿透率与换气次数的关系
Fig. 5 Relationship between PM_2.5 penetration rate and air exchange rate

由图5可知，随着换气次数的不断增大，空气通过缝隙的气流速度增加，细颗粒物PM_2.5通过维护结构的穿透不断增大。研究^[17]给出对于门窗关闭房间的渗透换气次数变化范围0.2~1.0 次·h⁻¹，由数值模拟结果可知，当通风换气次数从0.2次·h⁻¹增加至0.5次·h⁻¹时，PM_2.5穿透率由70%增大至88%，增加25.7%；此时，维护结构密闭减小渗透换气量，可减少室外PM_2.5浓度对室内的贡献率。

3.3 室内颗粒物浓度变化特征

为了解渗透通风房间室内PM_2.5污染特征，现以香烟烟雾作为室内污染源^[18]，分析自然渗透与渗透+净化器2种工况室内PM_2.5的污染特征。图6给出2种工况室内PM_2.5质量浓度随时间的变化。

图6 室内PM_2.5浓度随时间的变化
Fig. 6 Change of indoor PM_2.5 concentration with time

由式（10）可知，渗透通风系统室内PM_2.5浓度呈现指数衰减，通过数值模拟与实验结果进行比较，相关性R²=0.99。分析可知，自然渗透房间室内PM_2.5稳定浓度为210 µg·m⁻³，渗透+净化器房间室内PM_2.5稳定浓度为15 µg·m⁻³，可见，使用空气净化器可有效净化室内PM_2.5浓度。目前，表征净化器净化能力参数CADR值一般在实验舱内标定，为了解实际房间空气净化器的净化效果，进行如下计算，其特征参数计算结果见表3。

表3 渗透通风的计算结果
Table 3 Calculation result of infiltration ventilation

表3 渗透通风的计算结果
**Table 3** Calculation result of infiltration ventilation
测试工况	室内PM_2.5浓度公式	测试参数			求解参数
测试工况	室内PM_2.5浓度公式	n/（次·h⁻¹）	C_w/（μg·m⁻³）		P/%	K/ h⁻¹	G/ （mg·h⁻¹）	CADR/ （m³·h⁻¹）
渗透通风	C_in=210+492exp（-0.024t）	0.40	78	0.85		1.0	15.4	—
渗透通风+净化器	C_in=15+742exp（-0.06t）	0.35	50	0.83		1.0	0.85	152

室内空气净化器的实际CADR值为152 m³·h⁻¹，相比试验舱标定工况320 m³·h⁻¹衰减52.5%。

图7给出净化器工作1 h，对粒径范围0.25~2.5 μm内的分级过滤效率，由于0.25~0.3 μm的细微颗粒物扩散作用的影响，导致净化器的累计过滤效率较低；随着颗粒物粒径增大，截留和惯性效应增大，其过滤器效率逐渐增加。

图7 净化器对不同粒径的分级效率
Fig. 7 Separation efficiency of air cleaner on different particle size

通常净化器厂家只标定其累计净化效率，且净化效率较高，由于累计净化效率无法真实反映净化器的净化能力。一次净化效率则可以直观反映对颗粒污染物净化能力。

文献^[19]给出过滤器串联的效率计算，如式（13）所示：

$η = 1 - （ 1 - η_{1} ）（ 1 - η_{2} ） \dots \cdot （ 1 - η_{n} ）$

（13）

式中：

$η$ 为串联过滤器的总效率，

$η_{1}$ 为一级过滤效率；

$η_{n}$ 为

$n$ 级过滤器效率。

净化器的额定风量为Q=1 000 m³·h⁻¹，该实验净化器对房间的换气次数为15 次·h⁻¹，其中净化器对颗粒物PM_2.5的累计过滤效率为95.0%。根据式（13）计算，PM_2.5的一次净化效率为18.1%，在分析净化器性能时，应该综合考虑一次净化效率与累计净化效率。

4 结论

1）对于某一粒径d_p的颗粒物，随换气次数n的不断增加，由于颗粒物跟随气流通过门窗缝隙的流动能力增大，颗粒物穿透率P增大。

2）由数值模拟结果计算可知，当渗透换气次数从0.2次·h⁻¹增加至0.5次·h⁻¹时，PM_2.5穿透率P由70%增大至88%，增加25.7%；此时，维护结构密闭减小渗透换气量，可减少室外PM_2.5浓度对室内的贡献率。

3）测试体积为67.5 m³实验房间，室内空气净化器的实际CADR值为152 m³·h⁻¹，相比试验舱标定工况320 m³·h⁻¹衰减52.5 %。

4）实验测定空气净化器对PM_2.5的1 h累计净化效率为95.0%，其一次净化效率较低，仅为18.1%；建议空气净化器生产厂家在标定洁净空气量CADR时，相应提高颗粒污染物的一次净化效率，从而可减小净化器风机风量。

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2.	康得军，张芳，宋广清，刘勇丽，刘希平，夏训峰. 人工湿地温室气体排放影响因素及相关作用机制研究进展. 环境污染与防治. 2024(10): 1508-1514 . 百度学术

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