078室内温度层结与室内空气稳定度对室内污染物输运特性的影响

室内温度层结与室内空气稳定度对室内污染物输运特性的影响1湖南大学2McGill大学龚光彩1韩冰1JamesA.Nicell2陈可1李孔青摘要：室内空气品质问题是一门比较新的交叉学科，因此目前，国内对室内空气品质评价方法尚未建立统一标准。本文试图运用一种新方法，即将室外大气稳定度的相关概念，如温度垂直递减率、大气稳定度等引入室内，建立起在室内的相关概念，并运用这种方法分析其对室内污染物扩散的相关问题。本文通过对四个例子的模拟分析，从另一角度分析室内污染物的分布及扩散趋势，试图为室内空气品质的进一步分析和对室内通风方法的预测、评价给予一种全新的理念。关键词：室内空气垂直递减率室内空气稳定度温度结层污染物传播特性1介绍当前，室内空气质量对人群健康的影响已成为全世界关注的问题。据统计，人的一生大约有70%～90%的时间是在室内度过的[1]，因此，室内空气质量的好坏将直接影响着人们的身体健康和生活、工作质量。然而，随着科学技术和现代化工业的迅猛发展，人们在享受现代化生活的舒适便利的同时，也越发感到室内空气质量的下降，甚至威胁到人体的健康。因此,开展室内空气质量分析和评价,了解室内环境质量状况，就有着极其重要的意义。室内空气品质问题是一门比较新的交叉学科，因此，目前，国内对室内空气品质评价方法尚未建立统一标准。国内外评价室内空气品质主要评价方法和评价指标有：主观评价与客观评价相结合的综合评价方法、IAQ等级的模糊综合评价、应用CFD技术对室内空气品质进行评估、通风效率和换气效率评价指标、空气耗氧量COD、Olf-decipol定量空气污染标准[7]、线性可视模糊拟比例尺[8]和用decibel概念评价室内空气质量[9]等。本文试图将室外大气稳定度的相关概念引入室内并分析室内污染物扩散的有关问题。2室内空气稳定度2.1大气稳定度（atmosphericstability）的相关概念[10]大气稳定度又称大气层界稳定度，是指气块受任意方向扰动后，返回或远离平衡位置的趋势和程度。它表示在大气层中的个别空气块是否安于原在的层次，是否易于发生垂直运动，即是否易于发生对流。大气是否稳定，通常用周围空气的温度直减率（γ）与上升空气块的干绝热直减率（dγ）或是绝热直减率（mγ）的对比来判断。用公式表示为：ZTgadΔ−=γγ式中为加速度，aZΔ为扰动位移，因此由公式可知：（1）当dγγ时，若ZΔ0，则0a，加速度与位移方向相反，层结是稳定的；-1-（2）当dγγ时,若ZΔ0，则，加速度与位移方向相同，层结是不稳定的；（3）当0adγγ=时，则，层结是中性的。0=a2.2基本公式推导及概念的引入2.2.1室内空气温度垂直递减率概念的引入2.2.1.1室内空气垂直递减率为了描述气温垂直分布的特点，引入室内空气垂直递减率这个概念。气温（T）随高度（z）的升高而降低的快慢用每上升单位高度（0.1m）的降低值，即气温垂直递减率zT∂∂−=γ表示。气温随高度的升高而降低时0γ；气温随高度的升高而增加时0γ，即逆温；气温随高度的升高不变时0=γ。[11]2.2.1.2干空气的绝热垂直递减率干空气和未饱和湿空气气块上升单位距离时温度降低值,称为干空气的绝热垂直递减率，简称干绝热直减率，用符号dγ表示。[11,12]由热力学第一定律和气体状态方程可得：PdPRTdTcdQP−=对于绝热过程0dQ=得0PdPTRdTcdp=−（1）Rd：干空气气体常数由干绝热直减率定义diddzdT⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=γdzdPPcTRdzdTipddid−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=γ（2）Ti：干空气团的温度对于所讨论的大多数气体能满足准静力条件，即气体的气压Pi时时都与四周大气的气压P处于平衡，即Pi=P对于室内小空间而言，P可近似取一常数，即在垂直方向上dP=0。即dzdPPcTRdzdTipddid−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=γ=0-2-2.2.1.3湿绝热直减率：饱和湿空气绝热变化：饱和湿空气绝热上升时，不仅要膨胀降温，同时水汽即已饱和，它就要因冷却而发生凝结，释放凝结热潜热，加热气块。所以饱和湿空气绝热上升时因膨胀而引起的减温率衡比干绝热减温率小。[12,13]饱和湿空气绝热上升单位距离时的温度降低值，称为湿空气温度的绝热垂直递减率，简称湿绝热直减率，用mγ表示。[11]根据饱和湿空气的热力学第一定律和类似于干绝热直减率dγ的推导，可得dZdqCLTTCAgdZdTsPiPi−−=近似地：dZdqCLdZdqCLCAgdZdTsPdsPPi−−=−−=γ（3）于是，湿绝热直减率mγ的表达式为dZdqCLdZdTsPdmim+=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=γγ（4）当饱和式空气上升时，dZ0，dqs0，则0dZdqs；下降时，dZ0，dqs0，则0dZdqs，所以mγ总是小于dγ的。此外，由于dZdqs是气压和温度的函数，所以mγ不是常数，而是气压和温度的函数。mγ随温度升高和气压的减小而减小。2.2.2室内空气稳定度及其判定污染物在室内的扩散与室内空气稳定度有关，室内空气稳定度是指在垂直方向上室内空气的稳定程度，即室内气体是否易于发生对流。它与气温直减率γ和干绝热直减率dγ密切相关。类似于大气，室内气体也具有三种不同的状态：稳定平衡、不稳定平衡和中性平衡。取室内空气中某一高度上的一团空气，假如它受到了某种外力的作用，产生了向上或向下的运动，如果它移动后就逐渐减速，并有返回原来高度的趋势，这时的室内空气是稳定的；如果它一离开原位就加速地向前运动，这时的室内空气是不稳定的；如果将它推到某一高度以后，它既不加速也不减速，这时的室内空气是处于中性平衡状态的。[11]-3-2.2.2.1室内空气稳定度基本公式的推导当气块处于平衡位置时，具有与四周环境相同的气压温度和密度，即00PPi=，，00TTi=00ρρ=i当它受到扰动后，就按绝热过程上升ZΔ，其状态为Pi，Ti，iρ，而四周空气这时状态则为P，T，ρ。根据准静态静力条件有Pi=P而Ti，iρ一般不与T，ρ相等。单位体积气块受两个力作用：四周气体对它的浮力gρ，方向垂直向上，本身重力giρ，方向向下，两个力的合力用表示。fggfiρρ−=（5）iigmfaρρρ)(−==（6）又由状态方程RTP=ρ，iiiRTP=ρ及准静力条件PPi=代入，则gTTTai−=（7）（7）式就是判别稳定度的基本公式。当空气块温度比周围空气温度高，即，则它将受到一向上加速度而上升；反之，当，将受到向下的加速度；而TTiTTiTTi=，垂直运动将不会发展。2.2.2.2室内空气稳定度的判据考虑干绝热过程的情况：当干空气或未饱和的空气块上升ZΔ高度时，其温度为ZTTdi0iΔ−=γ；而周围的空气温度为ZTT0Δ−=γ。因为起始温度相等，即0i0TT=，以次代入（7）式，则得ZTgΔ−=daγγ（8）（dγγ−）的符号，决定了加速度a与扰动位移ZΔ的方向是否一致，以及决定了室内空气是否稳定。根据dγ的定义，。0ZΔ当dγγ时，则0，加速度与位移方向相反，室内空气是稳定的。a当dγγ时，则0，加速度与位移方向一致，室内空气是不稳定的。a-4-当dγγ=时，=0，室内空气是呈中性的。a饱和湿空气与干空气类似，根据mγ的定义，0ZΔ。当mγγ时，室内空气是稳定的；当mγγ时，室内空气是不稳定的；当mγγ=时，室内空气是呈中性的。[11,15]3烟羽流形状、室内空气污染状况与室内空气稳定度的关系室内污染状况与室内空气稳定度有密切关系。室内空气稳定度不同，污染源排放烟流的扩散形状和特点就不同，所造成的对室内的污染状况差别很大，因此所要采用的减少对室内污染的方法也就不同。笔者也力图根据室内烟气的扩散状况，将室内烟羽流进行分类，分为翻卷型、锥型、扇型、屋脊型和熏烟型[11,14]等。这项工作需要大量的计算、模拟和实验，且分类的标准与类型也可能与室外不同，但这项工作对我们了解污染物扩散传播的特性仍有很大的帮助。4温度层结与污染物输运特性例1例2例3例4图1-5-在这里以四个例子来进一步分析，模型见图1。模型的各项参数为：房间尺寸（m）：3.0×3.0×3.5送风口（m）：3.0×0.5出风口（m）：0.6×0.6障碍物尺寸（m）：0.6×0.6×0.5；温度50℃送风口出口速度：0.03m/s热气流出口速度：0.86m/s温度39℃；颗粒浓度（无量纲）1.0墙壁温度：25℃体积颗粒源尺寸（m）：0.6×0.6×0.2（置于障碍物上），强度（无量纲）1.0图2、图3为例一到例四的流场分布、温度场分布和污染物浓度分布。例1例2例1例2-6-例1例2图2例3例4-7-例3例4例3例4图3为了分析方便，我们设室内温度递减率为zttfctΔ−−=/)(γ，设污染物在室内垂直浓度递减率为cγ，表达式为zccfccΔ−=/)(γ。其中表示房间顶部的温度与浓度，表示房间底部的温度与浓度。ccct,ffct,分析：例1中:5.0=x5.2=xdmCt°−=195.0γ408.0mpcc=γ0.1=x0.2=xdmCt°−=202.0γ4097.0mpcc=γ2.1=x8.1=xdmCt°=086.0γ4071.0mpcc−=γ例2:5.0=xdmCt°−=175.0γ4085.0mpcc=γ0.1=xdmCt°−=197.0γ4091.0mpcc=γ2.1=xdmCt°=113.0γ408.0mpcc−=γ8.1=xdmCt°=141.0γ4079.0mpcc−=γ0.2=xdmCt°−=142.0γ4097.0mpcc=γ5.2=xdmCt°−119.0γ4085.0mpcc=γ例一中处，房间下部3.1=x0γ，上部基本上0=γ。整个温度分布以为中轴，左右对5.1=x-8-称。根据我们前面所提出的定义与分析，不难得出在5.0=x和5.2=x处，因dγγγ,0，这时处于稳定状态，污染物的扩散在垂直方向受到抑制，垂直方向扩散较小，主要是在水平方向上扩散。而在处和处，因3.1=x7.1=xdγγγ,0，处于不稳定状态，温度随高度的增加而降低，烟羽流在上下左右方向上摆动很大，扩散速度较快，呈波浪状。由于扩散速度快，且呈剧烈翻卷。一般对于小空间，整个室内都要受到污染。根据图3中对浓度分布的模拟可知，在5.0=x和5.2=x处，污染物浓度的分布主要以水平分布为主，且竖直方向颗粒物浓度的变化较小。而在3.1=x处和7.1=x处，竖直方向浓度变化很大，说明其扩散速度很快。这些就进一步验证了我们的推测和分析。对于例2：处0.1=x.181.0dmC°−≈γ处0.2=x.141.0dmC°−≈γ根据Zeldovich转换和广义Reynolds比拟[16]和实例可知，温度与浓度有相似性。对于例3和例4，增设了一矩形障碍物，在0.1=x处和0.2=x处，其γ都要比例1和例2中相同位置的γ要小。并且在处和处，例3与例4的污染物颗粒浓度大小与变化都要比例1和例2小。这说明，当某种情况的0.1=x0.2=x1γ小于另一种情况的2γ时（当1γ、2γ都小于dγ时），第一种情况要比第二种情况更加的稳定。反之亦然。6问题与讨论本文借鉴了大气稳定度的一些相关概念，并将其引入到对室内污染状况的评价中来。从另一角度分析室内污染物的分布及扩散趋势，试图为室内空气品质的进一步分析和对室内通风方法的评价给予一种全新的理念。但是，我们也应看到这种分析室内污染物的分布及扩散趋势的方法只是从影响室内空气品质的一个方面来考虑，并且本文也只是对室内温度结层，室内温度递减率等概念及对室内污染物的分布及扩散趋势分析方法的初步提出与讨论，很多深层次的问题还需要我们进一步的研究。参考文献：[1]朱天乐.室内空气污染控制.北京：化学工业出版社，2002[2]沈晋明.室内空气品质的评价.暖通空调，1997,27(4):22-25[3]周中平.室内污染检测与控制.北京：化学工业出版社，2002[4]OLESENBW.Internationaldevelopmentofstandardsforventilationof