李志永潘菂李志遠(yuǎn)張帆

1北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

3湖南大學(xué)土木工程學(xué)院

1 問(wèn)題的提出

室內(nèi)空氣可吸入顆粒物對(duì)人體健康有重要影響，而室內(nèi)空氣所受室外源細(xì)顆粒物的污染主要是通過(guò)門(mén)窗或墻縫等縫隙來(lái)滲透進(jìn)入室內(nèi)[1]。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的一項(xiàng)研究表明，室內(nèi)大約有75%的PM2.5來(lái)自室外污染空氣的影響[2]。因此，對(duì)細(xì)顆粒污染物通過(guò)縫隙擴(kuò)散進(jìn)入室內(nèi)的規(guī)律進(jìn)行研究具有重要的意義。

可吸入顆粒物通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙的穿透特性主要受顆粒物直徑，氣流速度，縫隙的幾何形狀，尺寸（縫隙高度、縫隙寬度、氣流經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度）和數(shù)量的影響[3-4]。部分學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。Thatcher等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒物的攔截作用可以忽略（穿透因子P近似為1）。當(dāng)房間的換氣次數(shù)較大時(shí)顆粒物在室內(nèi)的沉積率也可以忽略不計(jì)。Lewis等[6]對(duì)不同粒徑顆粒物做了基于環(huán)境艙的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同粒徑顆粒物的穿透因子有較大差異，其波動(dòng)范圍為0.29～0.97。Lee等[7]對(duì)顆粒物通過(guò)縫隙的滲透特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)證實(shí)狹縫擴(kuò)散主要發(fā)生在粒徑大于0.1%μm的細(xì)顆粒物，而通過(guò)粗糙表面穿透的I/O值小于光滑表面的I/O值。

雖然以往的研究中已經(jīng)有人采用多種材料來(lái)制造狹縫[4]，但還沒(méi)有人通過(guò)對(duì)狹縫內(nèi)側(cè)壁面的粗糙度進(jìn)行控制來(lái)開(kāi)展相關(guān)研究。為了更深入的研究顆粒物通過(guò)縫隙進(jìn)入室內(nèi)的規(guī)律，本文利用不同粗糙度的砂紙模擬縫隙的粗糙度，并對(duì)滲透壓差進(jìn)行精密控制，研究了壓差、縫隙高度、縫隙粗糙度對(duì)不同粒徑顆粒物的影響規(guī)律。該研究可以為污染物滲透及控制的相關(guān)研究提供參考，并可以為提高室內(nèi)空氣品質(zhì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置

2.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)直接采用霧霾濃度較高的室外空氣（霧霾濃度高于200 μg/m3）為實(shí)驗(yàn)的測(cè)試氣體。本次實(shí)驗(yàn)分別采用LD-5C(B)型粉塵儀和CLJ-03A激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量粒子濃度和質(zhì)量濃度。

實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)氣流由圖中左側(cè)入口段進(jìn)入，經(jīng)過(guò)整流段3整流使氣流流速穩(wěn)定，然后到達(dá)前采樣段4。在壓力的作用下，前采樣段里的細(xì)顆粒物通過(guò)縫隙結(jié)構(gòu)5中的縫隙滲透擴(kuò)散進(jìn)入后采樣段6。最后，后采樣段中的細(xì)顆粒物在風(fēng)機(jī)排風(fēng)的作用下，經(jīng)過(guò)過(guò)渡段7被排出試驗(yàn)艙。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)用微壓計(jì)來(lái)測(cè)量縫隙兩側(cè)壓差，精度為0.5Pa。通過(guò)風(fēng)機(jī)變頻控制縫隙兩側(cè)壓差。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

圖1 顆粒物縫隙滲透實(shí)驗(yàn)原理圖

表1 實(shí)驗(yàn)條件列表

圖2中間部分為縫隙結(jié)構(gòu)，是由若干垂直疊放于試驗(yàn)艙內(nèi)的玻璃板組成，玻璃板尺寸為0.20 m（W）×0.15 m（L）×0.004 m（H）。安裝時(shí)，在上下兩塊玻璃板之間夾兩根金屬絲使兩板間形成細(xì)縫（圖2），這樣前采樣段與后采樣段便由縫隙連通。隨著金屬絲直徑的不同，縫隙高度也相應(yīng)產(chǎn)生變化。實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)計(jì)兩條完全相同的縫隙來(lái)提高氣流流動(dòng)和風(fēng)量的穩(wěn)定性。為控制縫隙內(nèi)表面的粗糙度，本實(shí)驗(yàn)采用不同粒度的砂紙貼附在玻璃板的內(nèi)表面的方法來(lái)設(shè)置縫隙內(nèi)壁面的粗糙度。

圖2 縫隙結(jié)構(gòu)正面圖

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)前先對(duì)玻璃表面進(jìn)行清洗。砂紙表面也要仔細(xì)吹灰除去附著的顆粒。在安裝縫隙結(jié)構(gòu)時(shí)，將兩縫隙以外的所有其他縫隙（包括玻璃板與外壁的縫隙以及其他玻璃板和玻璃板間的接觸縫隙）進(jìn)行密封，以確保裝置兩側(cè)的空氣只能由狹縫通過(guò)?！?.5Pa實(shí)驗(yàn)裝置安裝好后，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)使縫隙兩側(cè)的實(shí)際壓差與實(shí)驗(yàn)所需要的壓差大小相近。開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)儀器并旋轉(zhuǎn)閥門(mén)V使前采樣段與測(cè)試儀器連通。調(diào)整風(fēng)機(jī)使縫隙兩端壓差穩(wěn)定于實(shí)驗(yàn)所需要的壓差。然后用粉塵儀（LD-5C(B)型）測(cè)量前采樣段PM2.5濃度ρ1。旋轉(zhuǎn)閥門(mén)V使后采樣段與測(cè)試儀器連通，同時(shí)使前采樣段與儀器斷開(kāi)。再次調(diào)整縫隙兩端壓差穩(wěn)定于實(shí)驗(yàn)所需要的壓差。壓差穩(wěn)定后用測(cè)試儀器測(cè)量出口段PM2.5濃度ρ2。記錄ρ2以后，立即旋轉(zhuǎn)閥門(mén)V再次測(cè)量前采樣段濃度ρ3，然后根據(jù)所測(cè)量的結(jié)果計(jì)算穿透率P。同時(shí)用CLJ-03A激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)步驟也與前者相同。

雖然實(shí)驗(yàn)已設(shè)置對(duì)其它縫隙作密封處理，但也會(huì)出現(xiàn)少量的氣體泄漏。實(shí)驗(yàn)中假設(shè)將這部分極小的氣體泄漏對(duì)穿透率的影響忽略不計(jì)。由于后采樣段直接用風(fēng)機(jī)排風(fēng)，所以顆粒物于后采樣段內(nèi)的沉淀也忽略不計(jì)。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

實(shí)驗(yàn)中共涉及4個(gè)因素（壓差，粒徑，粗糙度和縫隙高度），其中壓差因素中含有5個(gè)工況（2Pa、4Pa、6Pa、8Pa、10Pa）。粒徑因素中含有 6 個(gè)工況（PM0.3、PM0.5、PM1、PM3、PM5、PM10）。粗糙度因素含有 3 個(gè)工況（0 μm、10.3 μm、20.5 μm）?？p隙高度含有 3個(gè)工況（0.3mm、0.5mm、1mm）。

由于本文實(shí)驗(yàn)采用間接法測(cè)量室外濃度值，進(jìn)而計(jì)算求得顆粒物通過(guò)縫隙滲透后的穿透率，單個(gè)元素的穿透率可由下式進(jìn)行計(jì)算：

為方便于說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果，后文所提到的穿透率P，是指單元內(nèi)所有元素的平均值。

本文中需計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正負(fù)偏差，實(shí)驗(yàn)偏差是指?jìng)€(gè)別測(cè)定值與平均值之間的差值。正負(fù)偏差值計(jì)算可表明實(shí)驗(yàn)元素在單元內(nèi)的密集程度并可輔助分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。本文采用一元線性回歸分析數(shù)據(jù)，并采用最小二乘法求出其方程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 縫隙高度對(duì)穿透率的影響

圖3為縫隙內(nèi)表面粗糙度分別為0 μm，10.3 μm及20.5 μm時(shí)，在不同縫隙高度的條件下，細(xì)顆粒物通過(guò)縫隙的穿透率與壓差變化的關(guān)系。圖中數(shù)據(jù)由LD-5C(B)型粉塵儀采集記錄，圖中所示是PM2.5質(zhì)量濃度的穿透比。由圖可知，PM2.5通過(guò)不同縫隙的穿透率在0.85至1之間變化。除了粗糙度為20.5 μm的工況，其余工況穿透率隨著壓差的增大而增大，傳統(tǒng)率與壓差呈線性變化。在粗糙度為0 μm時(shí)，縫隙高度為1mm時(shí)的穿透率最大，縫隙高度為0.3mm時(shí)的穿透率次之，縫隙高度為0.5mm時(shí)的穿透率最小。在粗糙度為10.3 μm時(shí)，縫隙高度為0.5mm時(shí)的穿透率最大，縫隙高度為0.3mm時(shí)的穿透率次之，縫隙高度為1mm時(shí)的穿透率最小。在粗糙度為20.5 μm時(shí)，由于相關(guān)系數(shù)較小，沒(méi)有明顯的規(guī)律。

圖3 不同縫高下穿透率與壓差關(guān)系

3.2 粒徑對(duì)穿透率的影響

圖4為粗糙度為10.3 μm時(shí)，不同縫隙高度及不同壓差下顆粒物穿透率與粒徑的關(guān)系。其中穿透率是按著顆粒物數(shù)量計(jì)算得出的。由圖可知，大部分情況下，隨著顆粒物粒徑的增大，穿透率減小。但各別工況出現(xiàn)了隨著顆粒物粒徑增大穿透率變化并不單調(diào)的情況，如縫高為1mm時(shí)壓差為4Pa的工況。粒徑在PM0.3至PM1之間時(shí)，穿透率P一般在0.9至1之間變化。粒徑大于PM1，穿透率主要在0.75至0.9之間變化。在不同壓差下，穿透率隨粒徑變化曲線的降低幅度也有不同。一般，當(dāng)壓差較小時(shí)穿透率的下降幅度較大，反之較小。但在粗糙度為10.3 μm，縫高為0.3mm時(shí)，10Pa壓差的工況穿透率下降幅度最大。

圖4 不同壓差下穿透率與粒徑的關(guān)系

3.3 粗糙度對(duì)穿透率的影響

本小結(jié)的穿透率是按著顆粒物數(shù)量計(jì)算得出的。在圖中，數(shù)據(jù)點(diǎn)的上下兩側(cè)配以偏差線來(lái)直觀地反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況。為較好地體現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，圖中只展示PM0.3和PM10的正負(fù)偏差線其中PM0.3的偏差線范圍一般較小，比較難以辨認(rèn)。PM10的偏差線范圍卻一般較大。如圖5所示為顆粒物在縫隙高度為0.3mm時(shí)，不同壓差下顆粒物穿透率與隨粗糙度的關(guān)系。

圖5 不同顆粒穿透率與粗糙度的關(guān)系

由圖可知，在不同壓力工況下，穿透率隨著粗糙度變化并不一樣。壓力為2Pa時(shí)，穿透率隨著粗糙度增加而減小。壓力為6Pa時(shí)，穿透率隨著粗糙度變化不大。壓力為10Pa時(shí)，穿透率隨著粗糙度先變大后變小。另外，在大部分工況下，小粒徑顆粒物的穿透率大于大粒徑顆粒物的穿透率。粗糙度越大，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越大。粗糙度越小，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越小。壓差越大（10Pa工況），不同粒徑顆粒物的穿透率相差越小。壓差越小，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越大。

3.4 縫隙高度對(duì)穿透率的影響

本小結(jié)的穿透率是按照顆粒物粒子數(shù)量計(jì)算得出的。在圖中，數(shù)據(jù)點(diǎn)的上下兩側(cè)配以偏差線來(lái)直觀地反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況。為較好地體現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，圖中只展示PM0.3和PM10的正負(fù)偏差線。如圖6所示為縫隙內(nèi)表面粗糙度為0%μm時(shí)，不同壓差時(shí)穿透率與縫隙高度的關(guān)系。

圖6 穿透率與縫隙高度的關(guān)系

由圖可知，在不同壓力工況下，穿透率隨著縫隙高度變化規(guī)律并不一樣。壓差為2Pa時(shí)，穿透率隨著縫隙高度增加而減小，基本呈線性變化。壓力為6Pa時(shí)，穿透率隨著縫隙高度緩慢增加，增加值變化不大。壓力為10Pa時(shí)，穿透率隨著縫隙高度增加大顆粒物（PM5與PM10）先減小后增大，小粒徑顆粒物（PM0.3、PM0.5、PM1、PM3）先增大后減小。另外，在大部分工況下，小粒徑顆粒物的穿透率大于大粒徑顆粒物的穿透率?？p隙高度越大，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越大。縫隙高度越小，不同粒徑顆粒物的穿透率相差越小。壓差為10Pa時(shí)，顆粒物穿透率差別最大。

4 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試了細(xì)顆粒物通過(guò)縫隙進(jìn)入室內(nèi)的滲透規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究中考慮了縫隙兩側(cè)壓差，縫隙高度，縫隙內(nèi)表面粗糙度以及顆粒物粒徑四個(gè)因素。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用兩平板間夾金屬絲的辦法來(lái)構(gòu)造縫隙，縫隙高度即為金屬絲直徑，其數(shù)值分別為0.3mm，0.5mm和1mm?？p隙內(nèi)表面粗糙度的數(shù)值分別為0 μm，10.3 μm 和 20.5 μm。實(shí)驗(yàn)分別在 2Pa、6Pa、10Pa 等五種壓差下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)研究表明。

1）顆粒物通過(guò)縫隙的穿透率主要受縫隙兩側(cè)壓差和顆粒物自身粒徑的影響，縫隙高度與縫隙粗糙度對(duì)穿透率的影響相對(duì)較小。

2）壓差與穿透率線性相關(guān)度較高，判定系數(shù)R2一般大于0.7。大部分情況下，隨著顆粒物粒徑的增大，穿透率減小。但個(gè)別工況出現(xiàn)了隨著顆粒物粒徑增大穿透率增大的情況。

3）粗糙度增加時(shí)，穿透率隨著粗糙度變化并不一樣，具體變化規(guī)律與壓差大小有關(guān)。另外，在大部分工況下，小粒徑顆粒物的穿透率大于大粒徑顆粒物的穿透率。粗糙度越大，不同粒徑顆粒物的穿透率則相差越大。

4）在不同壓力工況下，穿透率隨著縫隙高度變化規(guī)律并不一樣。在有的壓差下，穿透率隨著縫隙高度增加而降低，在有的壓差下，穿透率隨著縫隙高度增加而升高。部分壓差下穿透率隨著縫隙高度增加呈現(xiàn)波動(dòng)性。

本文通過(guò)改變縫隙內(nèi)表面粗糙度等方法研究了縫隙兩側(cè)壓差，縫隙高度，縫隙內(nèi)表面粗糙度以及顆粒物粒徑對(duì)滲透率的影響，相關(guān)研究可為污染物滲透及控制的相關(guān)研究提供參考，并可以為提高室內(nèi)空氣品質(zhì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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