颗粒物通过缝隙的渗透特性实验研究

李志永潘菂李志远张帆

1北方工业大学土木工程学院

2北京市建筑设计研究院有限公司

3湖南大学土木工程学院

1 问题的提出

室内空气可吸入颗粒物对人体健康有重要影响，而室内空气所受室外源细颗粒物的污染主要是通过门窗或墙缝等缝隙来渗透进入室内[1]。根据美国环境保护署的一项研究表明，室内大约有75%的PM2.5来自室外污染空气的影响[2]。因此，对细颗粒污染物通过缝隙扩散进入室内的规律进行研究具有重要的意义。

可吸入颗粒物通过围护结构缝隙的穿透特性主要受颗粒物直径，气流速度，缝隙的几何形状，尺寸（缝隙高度、缝隙宽度、气流经过长度）和数量的影响[3-4]。部分学者对其进行了研究。Thatcher等[5]通过实验表明，建筑围护结构对颗粒物的拦截作用可以忽略（穿透因子P近似为1）。当房间的换气次数较大时颗粒物在室内的沉积率也可以忽略不计。Lewis等[6]对不同粒径颗粒物做了基于环境舱的实验研究，发现不同粒径颗粒物的穿透因子有较大差异，其波动范围为0.29～0.97。Lee等[7]对颗粒物通过缝隙的渗透特性进行了实验研究。实验证实狭缝扩散主要发生在粒径大于0.1%μm的细颗粒物，而通过粗糙表面穿透的I/O值小于光滑表面的I/O值。

虽然以往的研究中已经有人采用多种材料来制造狭缝[4]，但还没有人通过对狭缝内侧壁面的粗糙度进行控制来开展相关研究。为了更深入的研究颗粒物通过缝隙进入室内的规律，本文利用不同粗糙度的砂纸模拟缝隙的粗糙度，并对渗透压差进行精密控制，研究了压差、缝隙高度、缝隙粗糙度对不同粒径颗粒物的影响规律。该研究可以为污染物渗透及控制的相关研究提供参考，并可以为提高室内空气品质提供设计依据。

2 实验台设置

2.1 试验台搭建

实验直接采用雾霾浓度较高的室外空气（雾霾浓度高于200 μg/m3）为实验的测试气体。本次实验分别采用LD-5C(B)型粉尘仪和CLJ-03A激光尘埃粒子计数器测量粒子浓度和质量浓度。

实验原理如图1所示，实验时气流由图中左侧入口段进入，经过整流段3整流使气流流速稳定，然后到达前采样段4。在压力的作用下，前采样段里的细颗粒物通过缝隙结构5中的缝隙渗透扩散进入后采样段6。最后，后采样段中的细颗粒物在风机排风的作用下，经过过渡段7被排出试验舱。本文实验设计用微压计来测量缝隙两侧压差，精度为0.5Pa。通过风机变频控制缝隙两侧压差。实验条件如表1所示。

图1 颗粒物缝隙渗透实验原理图

表1 实验条件列表

图2中间部分为缝隙结构，是由若干垂直叠放于试验舱内的玻璃板组成，玻璃板尺寸为0.20 m（W）×0.15 m（L）×0.004 m（H）。安装时，在上下两块玻璃板之间夹两根金属丝使两板间形成细缝（图2），这样前采样段与后采样段便由缝隙连通。随着金属丝直径的不同，缝隙高度也相应产生变化。实验装置中设计两条完全相同的缝隙来提高气流流动和风量的稳定性。为控制缝隙内表面的粗糙度，本实验采用不同粒度的砂纸贴附在玻璃板的内表面的方法来设置缝隙内壁面的粗糙度。

图2 缝隙结构正面图

2.2 实验过程

在实验前先对玻璃表面进行清洗。砂纸表面也要仔细吹灰除去附着的颗粒。在安装缝隙结构时，将两缝隙以外的所有其他缝隙（包括玻璃板与外壁的缝隙以及其他玻璃板和玻璃板间的接触缝隙）进行密封，以确保装置两侧的空气只能由狭缝通过。±0.5Pa实验装置安装好后，开启风机使缝隙两侧的实际压差与实验所需要的压差大小相近。开启实验仪器并旋转阀门V使前采样段与测试仪器连通。调整风机使缝隙两端压差稳定于实验所需要的压差。然后用粉尘仪（LD-5C(B)型）测量前采样段PM2.5浓度ρ1。旋转阀门V使后采样段与测试仪器连通，同时使前采样段与仪器断开。再次调整缝隙两端压差稳定于实验所需要的压差。压差稳定后用测试仪器测量出口段PM2.5浓度ρ2。记录ρ2以后，立即旋转阀门V再次测量前采样段浓度ρ3，然后根据所测量的结果计算穿透率P。同时用CLJ-03A激光尘埃粒子计数器对实验结果进行测量，实验步骤也与前者相同。

虽然实验已设置对其它缝隙作密封处理，但也会出现少量的气体泄漏。实验中假设将这部分极小的气体泄漏对穿透率的影响忽略不计。由于后采样段直接用风机排风，所以颗粒物于后采样段内的沉淀也忽略不计。

2.3 数据分析方法

实验中共涉及4个因素（压差，粒径，粗糙度和缝隙高度），其中压差因素中含有5个工况（2Pa、4Pa、6Pa、8Pa、10Pa）。粒径因素中含有 6 个工况（PM0.3、PM0.5、PM1、PM3、PM5、PM10）。粗糙度因素含有 3 个工况（0 μm、10.3 μm、20.5 μm）。缝隙高度含有 3个工况（0.3mm、0.5mm、1mm）。

由于本文实验采用间接法测量室外浓度值，进而计算求得颗粒物通过缝隙渗透后的穿透率，单个元素的穿透率可由下式进行计算：

为方便于说明实验结果，后文所提到的穿透率P，是指单元内所有元素的平均值。

本文中需计算实验结果的正负偏差，实验偏差是指个别测定值与平均值之间的差值。正负偏差值计算可表明实验元素在单元内的密集程度并可辅助分析实验数据的有效性。本文采用一元线性回归分析数据，并采用最小二乘法求出其方程。

3 实验结果分析

3.1 缝隙高度对穿透率的影响

图3为缝隙内表面粗糙度分别为0 μm，10.3 μm及20.5 μm时，在不同缝隙高度的条件下，细颗粒物通过缝隙的穿透率与压差变化的关系。图中数据由LD-5C(B)型粉尘仪采集记录，图中所示是PM2.5质量浓度的穿透比。由图可知，PM2.5通过不同缝隙的穿透率在0.85至1之间变化。除了粗糙度为20.5 μm的工况，其余工况穿透率随着压差的增大而增大，传统率与压差呈线性变化。在粗糙度为0 μm时，缝隙高度为1mm时的穿透率最大，缝隙高度为0.3mm时的穿透率次之，缝隙高度为0.5mm时的穿透率最小。在粗糙度为10.3 μm时，缝隙高度为0.5mm时的穿透率最大，缝隙高度为0.3mm时的穿透率次之，缝隙高度为1mm时的穿透率最小。在粗糙度为20.5 μm时，由于相关系数较小，没有明显的规律。

图3 不同缝高下穿透率与压差关系

3.2 粒径对穿透率的影响

图4为粗糙度为10.3 μm时，不同缝隙高度及不同压差下颗粒物穿透率与粒径的关系。其中穿透率是按着颗粒物数量计算得出的。由图可知，大部分情况下，随着颗粒物粒径的增大，穿透率减小。但各别工况出现了随着颗粒物粒径增大穿透率变化并不单调的情况，如缝高为1mm时压差为4Pa的工况。粒径在PM0.3至PM1之间时，穿透率P一般在0.9至1之间变化。粒径大于PM1，穿透率主要在0.75至0.9之间变化。在不同压差下，穿透率随粒径变化曲线的降低幅度也有不同。一般，当压差较小时穿透率的下降幅度较大，反之较小。但在粗糙度为10.3 μm，缝高为0.3mm时，10Pa压差的工况穿透率下降幅度最大。

图4 不同压差下穿透率与粒径的关系

3.3 粗糙度对穿透率的影响

本小结的穿透率是按着颗粒物数量计算得出的。在图中，数据点的上下两侧配以偏差线来直观地反应实验数据的波动情况。为较好地体现数据波动情况，图中只展示PM0.3和PM10的正负偏差线其中PM0.3的偏差线范围一般较小，比较难以辨认。PM10的偏差线范围却一般较大。如图5所示为颗粒物在缝隙高度为0.3mm时，不同压差下颗粒物穿透率与随粗糙度的关系。

图5 不同颗粒穿透率与粗糙度的关系

由图可知，在不同压力工况下，穿透率随着粗糙度变化并不一样。压力为2Pa时，穿透率随着粗糙度增加而减小。压力为6Pa时，穿透率随着粗糙度变化不大。压力为10Pa时，穿透率随着粗糙度先变大后变小。另外，在大部分工况下，小粒径颗粒物的穿透率大于大粒径颗粒物的穿透率。粗糙度越大，不同粒径颗粒物的穿透率相差越大。粗糙度越小，不同粒径颗粒物的穿透率相差越小。压差越大（10Pa工况），不同粒径颗粒物的穿透率相差越小。压差越小，不同粒径颗粒物的穿透率相差越大。

3.4 缝隙高度对穿透率的影响

本小结的穿透率是按照颗粒物粒子数量计算得出的。在图中，数据点的上下两侧配以偏差线来直观地反应实验数据的波动情况。为较好地体现数据波动情况，图中只展示PM0.3和PM10的正负偏差线。如图6所示为缝隙内表面粗糙度为0%μm时，不同压差时穿透率与缝隙高度的关系。

图6 穿透率与缝隙高度的关系

由图可知，在不同压力工况下，穿透率随着缝隙高度变化规律并不一样。压差为2Pa时，穿透率随着缝隙高度增加而减小，基本呈线性变化。压力为6Pa时，穿透率随着缝隙高度缓慢增加，增加值变化不大。压力为10Pa时，穿透率随着缝隙高度增加大颗粒物（PM5与PM10）先减小后增大，小粒径颗粒物（PM0.3、PM0.5、PM1、PM3）先增大后减小。另外，在大部分工况下，小粒径颗粒物的穿透率大于大粒径颗粒物的穿透率。缝隙高度越大，不同粒径颗粒物的穿透率相差越大。缝隙高度越小，不同粒径颗粒物的穿透率相差越小。压差为10Pa时，颗粒物穿透率差别最大。

4 结论

本文实验测试了细颗粒物通过缝隙进入室内的渗透规律。实验研究中考虑了缝隙两侧压差，缝隙高度，缝隙内表面粗糙度以及颗粒物粒径四个因素。实验时采用两平板间夹金属丝的办法来构造缝隙，缝隙高度即为金属丝直径，其数值分别为0.3mm，0.5mm和1mm。缝隙内表面粗糙度的数值分别为0 μm，10.3 μm 和 20.5 μm。实验分别在 2Pa、6Pa、10Pa 等五种压差下进行。实验研究表明。

1）颗粒物通过缝隙的穿透率主要受缝隙两侧压差和颗粒物自身粒径的影响，缝隙高度与缝隙粗糙度对穿透率的影响相对较小。

2）压差与穿透率线性相关度较高，判定系数R2一般大于0.7。大部分情况下，随着颗粒物粒径的增大，穿透率减小。但个别工况出现了随着颗粒物粒径增大穿透率增大的情况。

3）粗糙度增加时，穿透率随着粗糙度变化并不一样，具体变化规律与压差大小有关。另外，在大部分工况下，小粒径颗粒物的穿透率大于大粒径颗粒物的穿透率。粗糙度越大，不同粒径颗粒物的穿透率则相差越大。

4）在不同压力工况下，穿透率随着缝隙高度变化规律并不一样。在有的压差下，穿透率随着缝隙高度增加而降低，在有的压差下，穿透率随着缝隙高度增加而升高。部分压差下穿透率随着缝隙高度增加呈现波动性。

本文通过改变缝隙内表面粗糙度等方法研究了缝隙两侧压差，缝隙高度，缝隙内表面粗糙度以及颗粒物粒径对渗透率的影响，相关研究可为污染物渗透及控制的相关研究提供参考，并可以为提高室内空气品质提供设计依据。

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