徐春雯　龚光彩　王雅迪　Peter+V.+Nielsen　刘荔

摘要：空气稳定性概念来源于大气稳定性，在室内环境下反映室内空气的稳定程度.本文利用暖体假人实验，研究了室内空气稳定性对呼气扩散规律的作用.分别针对无通风、混合通风及置换通风3种方式，以及间歇与持续呼气两种形式，组合后形成7组对照实验.通过烟气实验及热球风速仪测量对呼气轨迹进行了可视化及速度测量.结果表明，稳定和中性两种室内空气状态下人体呼气的扩散规律不同.不论是持续射流还是间歇的呼气过程，空气稳定性对其扩散影响显著，影响其轨迹弯曲程度及速度衰减.同时，间歇呼气较持续射流湍流发展更充分，污染物与周围空气迅速掺混，且呼气气流更加平坦.此外，即使两种状态下的Ar与体表温度都接近，由于向上运动受到抑制，稳定的空气相对中性状态下呼出的气流更水平，而且由于气流与周围空气掺混能力减弱，速度衰减低于中性状态.

关键词：空气稳定性；呼气；污染物；可视化实验

中图分类号：TU834 文献标识码：A

Abstract：The concept of air stability is derived from atmospheric stability， which represents the extent of stability of room air. Experiments on thermal manikin were performed to investigate the effect of air stability on the dispersion of exhaled flow. Seven cases with the combination of three ventilation patterns （no ventilation， mixing ventilation and displacement ventilation） and two breathing modes （continuous and periodic） were applied. The trajectory of exhaled flow was visualized and measured by smoke visualization and velocity measurement， respectively. The results show that both the continuous and periodic exhalation are significantly affected by the air stability with respect to the trajectory and velocity decay. Meanwhile， the turbulence highly develops in the periodic flow， making the contaminant mix well with the ambient air and the flow flatter in comparison with continuous jet. As the stable condition restrains the upward movement of the flow， it becomes flatter under stable condition compared with neutral condition even though they have similar Ar and body plume. In addition， the velocity decay is smaller for stable condition because it entrains less ambient air.

Key words：air stability； exhalation； contaminant； visualization experiment

空气稳定性概念源于大气稳定性，对室内的污染物传播有一定的影响，尤其是稳定的空气可能造成污染物在一定的高度分层凝滞，不利于通风对其稀释排出.室内人体本身在呼吸过程中产生CO2，说话、咳嗽或者打喷嚏过程产生飞沫，可能携带通过空气传播病菌，成为室内空气的污染源.研究人体呼气扩散特点对于控制疾病传播、降低污染物的危害具有重要意义.

1空气稳定性与人体呼吸过程

1.1空气稳定性概念

空气稳定性原本是用于描述大气特性的一个重要参数.稳定的空气会阻碍气块竖直方向的运动，可能使污染物在地表附近堆积不易扩散而造成严重污染，如雾、霾的形成，而不稳定的空气会使竖直方向运动增强产生剧烈天气.随着研究发现，空气稳定性不仅仅存在于室外大气环境中，室内的空气也同样可以应用这一机理

判定空气稳定性分类的一个重要参数是温度绝热递减率，用λ=-dT/dy表示，其中T是温度（℃），y是竖直方向高度（m）.环境中的气块，可能是污染物，也可能是温热、潮湿的空气.假使气块初始温度与周围环境温度相同，当环境的温度竖直递减率比气块的竖直递减率低，说明气块的温度降低比周围环境空气温度降低快，气块温度更低密度更大，向上运动的趋势受到阻碍并有可能会返回到原来位置，这时的空气可以称为稳定的空气.与此相反，不稳定的空气是当周围空气竖直递减率比气块竖直递减率高时，气块一直保持相比周围环境较高的温度，因此一直受到向上的推动而持续运动.中性状态介于两者之间.随着置换通风方式作为舒适性通风在室内的广泛应用，其与传统的混合通风方式的差别越来越明显，尤其是置换通风带来的竖直方向随高度递增的温度梯度，与混合通风的房间内竖直方向几乎不存在温差明显不同.假设室内的较高温度的气体，例如人体呼气，人体表面热羽等，上升过程中由于不断引入周围冷空气温度逐渐降低至室温，而置换通风的温度递减率为负，此时室内空气为

稳定状态.而混合通风时环境竖直温度递减率几乎为零，热空气与冷空气充分掺混达到相同的温度，此时的室内空气可以认为是中性状态.

存在递增的竖直温度梯度是置换通风方式的典型特征之一＼[3＼]，往往造成稳定的室内环境.其对室内热源产生的热羽、人体呼吸、散流器射流及污染物的传播的影响也逐渐引起人们的关注.Nielsen等人在对用于置换通风的散流器冷空气射流研究时发现，温度梯度越大，射流与地面的之间的厚度越小，射流边界越清晰，这是由于稳定的空气造成的射流分层＼[3＼].Liu等人在研究由于人体热源形成的热羽时发现，置换通风条件下的人体头顶热羽的速度要低于混合通风时，说明递增的温度梯度限制了热羽的发展＼[4＼].Kofoed与Nielsen实验发现圆柱形热源产生的热羽在置换通风时高度降低，并开始向水平扩散，即使很小的温度梯度就会改变热羽的分布＼[5＼].除此以外，稳定的空气影响人体呼气扩散.

1.2对人体呼吸的影响

置换通风条件下，呼吸区的温度梯度足够大时，从人体呼出的气体会在一定高度分层凝滞，而没有温度梯度时呼出的相对温度较高的空气会在浮力作用下上升并与周围空气充分混合＼[6＼].Olmedo等人对比了3种送风方式下的呼气轨迹，发现置换通风方式时呼气的中心线位置最低，向上弯曲的趋势受温度梯度的作用被减弱，而混合通风和下送风时射流向上弯曲较明显；对比不同通风方式的速度衰减后发现射流中心线的速度在置换通风时衰减最慢，说明稳定的空气使呼气不易向上扩散，但在水平方向射流速度更大＼[7＼]，这与模拟的结果一致＼[8＼].这种稳定状态造成的空气分层凝滞现象对于医院通风是非常不利的，可能造成病床之间受害者暴露于较高的污染物浓度水平下而传染疾病，因此可以形成稳定空气状态的通风方式不推荐用于医院病房＼[9＼].

本文重点研究持续呼气和正常人体间歇呼气时空气稳定性对呼气射流的影响并对比两种射流方式的差异，通过测量正常呼吸频率时人体呼气速度在稳定与中性条件下的衰减规律，研究人体呼气特点及受空气热环境的影响.

2实验研究

2.1通风系统及房间设置

测试房间的墙体均采用10 cm厚度的塑料泡沫板保温，房间尺寸为3 m×2.3 m×2.5 m，为了实现不同送风方式的转换与不同的空气稳定性条件，顶板和地板上都均匀布置直径为1 cm的孔口，如图1所示.房间两侧设有送风室与回风室，可以实现全顶板送风与全地板回风的混合通风方式或全地板送风与全顶板回风的置换通风方式.实验过程中采用供冷的方式，制冷机产生的冷冻水通过换热器使空气降温然后通过风机送入送风室内混合，再经过地板或顶板的开口进入房间内.这种均匀布置的小孔有利于气流分布均匀，降低了送风速度的影响.房间内的人体模型及竖直均匀布置有热电偶的立杆L1与L2，另外一根立杆L3置于假人正前方1.3 m处.

2.2人体模型发热及呼吸设置

人体模型是根据标准女性体型制造的，具体的尺寸和构造详见文献＼[6＼].模型身高1.7 m，嘴巴高度1.53 m，嘴巴面积为123 mm2，身体内均匀布置热线并由两个小风机转动将空腔内的空气混合实现体表温度均匀的分布，呼吸和体表发热均通过变压器和功率表进行控制，如图2所示.如果呼气管连接恒定风速的风机可以实现持续射流，图2中呼气和吸气管连接一个电机驱动的活塞装置，称为“人工肺”，可以使人体模型按照设定的呼吸频率和呼气量进行间歇呼吸，模拟真实人体的呼吸过程.实验过程中对两种呼气方式均进行了研究，并且为了研究室内空气稳定性的影响，共设置了表1中的7组对照实验，NV，MV与DV分别表示无通风、混合通风与置换通风3种方式，前两者经过测试发现产生的室内温度梯度几乎为零，可以认为是中性稳定的空气状态，而DV可以产生竖直方向上递增的温度梯度，认为是稳定的空气状态.

7组实验中Case 1～3用于对比较高的呼气温度与身体热羽对持续射流轨迹的影响.Case 3～5用于对比正常的呼气温度与身体发热时持续射流受空气稳定性作用，因此分别将人体模型置于3种送风方式下.Case 6，7的设置是为了观察空气稳定性对间歇射流的影响，同时与Case 4，5持续射流形成对比，观察间歇呼气与持续射流的差异.

2.3测量仪器及方法

本实验测量温度利用K型热电偶，热电偶通过等温标定设备和一个用于参考的精确的温度计进行标定.标定范围是10～35 ℃.考虑到探头、引线长度及数据采集设备的不确定性，实验精度为±0.5 ℃.标定过的热电偶与Fluke Helios Plus 2287A型Data logger相连接记录温度值.除室内3根立杆上（L1， L2及L3）的用于测量室内温度梯度及分布的热电偶外，人体模型嘴巴内、头部左侧20 cm处及身体不同高度上均布置有热电偶，分别用于测量呼气温度、周围空气温度（1.5 m高度）及体表温度.

采用的风速仪为Danstec 54N50型热球风速仪，测量范围0～5 m/s，测量精度为0.01 m/s，风速仪在标准风洞中进行了标定，数据采集及记录频率为10 Hz，可实现间隙呼气时脉动瞬时值的测量.呼气速度的测定是将风速仪置于距人体模型嘴巴开口前方1 cm处测量得到，持续射流平均速度为3.74 m/s，而间歇呼气时速度采用该处一定时间内的峰值速度的平均值，在呼气量为17.6 L/min，每分钟16次呼吸状态下，呼气速度测量值为4.5 m/s.

呼气中的烟气是由烟雾发生器加热发烟油产生，烟雾油滴粒径仅为约1 μm，烟气用来模拟人体通过呼吸产生的污染物.

3结果分析

3.1空气稳定性对持续射流的影响

非等温射流时阿基米德数Ar用来表示由于温差造成的浮力与受迫对流的相对作用，此处温差为呼气初始温度与周围空气温度差＼[7＼].

图4为3种通风形式下的射流轨迹及中心线位置.中心线位置由高至低依次为无通风时、混合通风时及置换通风时.结果与Olmedo等人＼[7＼]测量结果一致.如图4（c）所示，尽管Case 3的Ar比Case 4与Case 5的小，无通风作用，向上弯曲仍最明显.Case 5射流受稳定环境的影响与周围空气的掺混最弱，相比Case 4射流较窄，如图4（a）及（b）所示.

由此可见，影响射流轨迹的因素主要为：Ar，体表温度及通风方式.随Ar的增大呼气射流弯曲越明显，体表温度越高造成热羽越强，加剧了射流向上弯曲的程度，而温度梯度的存在会抑制热空气的向上弯曲.

因此，间歇的呼气过程与持续射流存在不同，呼气量达到正弦峰值后开始衰减，造成呼吸呈脉动状态，湍流发展更充分，污染物与周围空气掺混严重，呼气气流更加平坦.

3.3空气稳定性对间歇呼气的影响

空气稳定性对间歇呼气造成的影响是稳定状态下气流凝滞与分层，如图6所示，在人体头部上方区域（约1.7 m高度）存在污染物浓度较高的区域，原因是置换通风条件产生的竖直温度梯度抑制污染物初始向上运动的趋势，并且由于人体上部空间较高的温度导致污染物上升的浮力减小，因此形成了污染物的分层，如图7所示.

图5中性稳定条件下，气流在呼出过程中就不断向上扩散，吸气时气流很快被通风稀释，在人体头部以上区域未观察到浓度分层.但是由于置换通风

带来的温度梯度，污染物向上运动受到抑制，并且与周围空气掺混也减弱，而且由于上部空间温度较高，污染物停滞在一定的高度，造成了室内分为下部洁净、上部污染两个区域.根据Bjorn与Nielsen＼[6＼]的研究，温度梯度越大，分层的高度将越低，污染物更难向上扩散.这一现象与大气逆温造成的污染现象类似，地面污染物由于在稳定的大气中难以向上运动而覆盖在地面以上造成严重污染.由此可见，源于大气的空气稳定性概念应用于室内环境时同样适用，并能合理解释室内污染物的凝滞现象.

通过对不同竖直断面的呼气速度进行测量，得到各个测点位置的峰值平均速度并绘成速度剖面图，如图8（a）与（b）所示.可以发现，稳定状态下（Case 7）向上弯曲的程度比无温度梯度时要小.将各断面的最大速度连线可以得到射流的速度中心线位置，见图8（c），同样验证了稳定状态下射流中心线位置低的结论，与持续射流现象类似.此外，同样的出口速度，稳定状态下的气流速度衰减较慢，如图8（a）与（b）所示，原因是稳定状态限制了人体热羽的发展及呼气与周围空气的掺混能力，呼出的气流较狭窄在发展过程中由于卷入了较少的空气量而保持了较高的速度.4结论

通过烟气可视化实验及温度、速度测量发现，置换通风带来的稳定状态和混合或无通风时的中性稳定状态下，人体呼出气体的扩散规律是不同的，不论是持续射流还是间歇的呼气过程，空气稳定性对呼气扩散的影响显著，表现在影响其轨迹弯曲程度及速度衰减.同时，间歇的呼气过程与持续射流存在差异，在间歇过程中湍流充分发展污染物与周围空气迅速掺混，且呼气气流更加平坦.呼出的气体受到身体热羽流和较高的呼气温度的影响有向上弯曲的趋势，稳定的空气使持续或间歇射流更水平，而速度衰减低于中性稳定状态.并且，空气稳定性概念应用于室内环境，可以合理解释与大气现象类似的空气凝滞分层现象.结果为控制污染物的传播提供依据.

参考文献

[1]韩冰.室内空气稳定性理论基础研究＼[D＼].长沙：湖南大学土木工程学院，2007：9-24.

HAN Bing. Basic research of indoor air stability theory＼[D＼]. Changsha： College of Civil Engineering， Hunan University， 2007：9-24.（In Chinese）

[2]GONG G， HAN B， LUO H， et al. Research on the air stability of limited space ＼[J＼]. International Journal of Green Energy， 2010， 7（1）：43-64.

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[5]KOFOED P， NIELSEN P V. Thermal plumes in ventilated rooms： measurements in stratified surroundings and analysis by use of an extrapolation method ＼[C＼]//Roomvent '90 International Conference on Engineering Aeroand Thermodynamics of Ventilated Rooms. Oslo， 1990.

[6]BJORN E， NIELSEN P V. Dispersal of exhaled air and personal exposure in displacement ventilated rooms ＼[J＼]. Indoor Air， 2002， 12（3）：147-164.

[7]OLMEDO I， NIELSEN P V， RUIZ de ADANA M， et al. Distribution of exhaled contaminants and personal exposure in a room using different air distribution strategies ＼[J＼]. Indoor Air， 2012， 22（1）：64-76.

[8]VILLAFRUELA J M， OLMEDO I， RUIZ de ADANA M， et al. CFD analysis of the human exhalation flow using different boundary conditions and ventilation strategies ＼[J＼]. Building and Environment， 2013，62（4）：191-200.

[9]QIAN H，LI Y， NIELSEN P V， et al. Dispersion of exhaled droplet nuclei in a twobed hospital ward with three different ventilation systems ＼[J＼]. Indoor Air，2010，20（1）：111-128.

＼[10＼]GUPTA J K， LIN C， CHEN Q. Characterizing exhaled airflow from breathing and talking ＼[J＼]. Indoor Air， 2010，20（1）：31-39.

图4为3种通风形式下的射流轨迹及中心线位置.中心线位置由高至低依次为无通风时、混合通风时及置换通风时.结果与Olmedo等人＼[7＼]测量结果一致.如图4（c）所示，尽管Case 3的Ar比Case 4与Case 5的小，无通风作用，向上弯曲仍最明显.Case 5射流受稳定环境的影响与周围空气的掺混最弱，相比Case 4射流较窄，如图4（a）及（b）所示.

由此可见，影响射流轨迹的因素主要为：Ar，体表温度及通风方式.随Ar的增大呼气射流弯曲越明显，体表温度越高造成热羽越强，加剧了射流向上弯曲的程度，而温度梯度的存在会抑制热空气的向上弯曲.

因此，间歇的呼气过程与持续射流存在不同，呼气量达到正弦峰值后开始衰减，造成呼吸呈脉动状态，湍流发展更充分，污染物与周围空气掺混严重，呼气气流更加平坦.

3.3空气稳定性对间歇呼气的影响

空气稳定性对间歇呼气造成的影响是稳定状态下气流凝滞与分层，如图6所示，在人体头部上方区域（约1.7 m高度）存在污染物浓度较高的区域，原因是置换通风条件产生的竖直温度梯度抑制污染物初始向上运动的趋势，并且由于人体上部空间较高的温度导致污染物上升的浮力减小，因此形成了污染物的分层，如图7所示.

图5中性稳定条件下，气流在呼出过程中就不断向上扩散，吸气时气流很快被通风稀释，在人体头部以上区域未观察到浓度分层.但是由于置换通风

带来的温度梯度，污染物向上运动受到抑制，并且与周围空气掺混也减弱，而且由于上部空间温度较高，污染物停滞在一定的高度，造成了室内分为下部洁净、上部污染两个区域.根据Bjorn与Nielsen＼[6＼]的研究，温度梯度越大，分层的高度将越低，污染物更难向上扩散.这一现象与大气逆温造成的污染现象类似，地面污染物由于在稳定的大气中难以向上运动而覆盖在地面以上造成严重污染.由此可见，源于大气的空气稳定性概念应用于室内环境时同样适用，并能合理解释室内污染物的凝滞现象.

通过对不同竖直断面的呼气速度进行测量，得到各个测点位置的峰值平均速度并绘成速度剖面图，如图8（a）与（b）所示.可以发现，稳定状态下（Case 7）向上弯曲的程度比无温度梯度时要小.将各断面的最大速度连线可以得到射流的速度中心线位置，见图8（c），同样验证了稳定状态下射流中心线位置低的结论，与持续射流现象类似.此外，同样的出口速度，稳定状态下的气流速度衰减较慢，如图8（a）与（b）所示，原因是稳定状态限制了人体热羽的发展及呼气与周围空气的掺混能力，呼出的气流较狭窄在发展过程中由于卷入了较少的空气量而保持了较高的速度.4结论

通过烟气可视化实验及温度、速度测量发现，置换通风带来的稳定状态和混合或无通风时的中性稳定状态下，人体呼出气体的扩散规律是不同的，不论是持续射流还是间歇的呼气过程，空气稳定性对呼气扩散的影响显著，表现在影响其轨迹弯曲程度及速度衰减.同时，间歇的呼气过程与持续射流存在差异，在间歇过程中湍流充分发展污染物与周围空气迅速掺混，且呼气气流更加平坦.呼出的气体受到身体热羽流和较高的呼气温度的影响有向上弯曲的趋势，稳定的空气使持续或间歇射流更水平，而速度衰减低于中性稳定状态.并且，空气稳定性概念应用于室内环境，可以合理解释与大气现象类似的空气凝滞分层现象.结果为控制污染物的传播提供依据.

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[8]VILLAFRUELA J M， OLMEDO I， RUIZ de ADANA M， et al. CFD analysis of the human exhalation flow using different boundary conditions and ventilation strategies ＼[J＼]. Building and Environment， 2013，62（4）：191-200.

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＼[10＼]GUPTA J K， LIN C， CHEN Q. Characterizing exhaled airflow from breathing and talking ＼[J＼]. Indoor Air， 2010，20（1）：31-39.

图4为3种通风形式下的射流轨迹及中心线位置.中心线位置由高至低依次为无通风时、混合通风时及置换通风时.结果与Olmedo等人＼[7＼]测量结果一致.如图4（c）所示，尽管Case 3的Ar比Case 4与Case 5的小，无通风作用，向上弯曲仍最明显.Case 5射流受稳定环境的影响与周围空气的掺混最弱，相比Case 4射流较窄，如图4（a）及（b）所示.

由此可见，影响射流轨迹的因素主要为：Ar，体表温度及通风方式.随Ar的增大呼气射流弯曲越明显，体表温度越高造成热羽越强，加剧了射流向上弯曲的程度，而温度梯度的存在会抑制热空气的向上弯曲.

因此，间歇的呼气过程与持续射流存在不同，呼气量达到正弦峰值后开始衰减，造成呼吸呈脉动状态，湍流发展更充分，污染物与周围空气掺混严重，呼气气流更加平坦.

3.3空气稳定性对间歇呼气的影响

空气稳定性对间歇呼气造成的影响是稳定状态下气流凝滞与分层，如图6所示，在人体头部上方区域（约1.7 m高度）存在污染物浓度较高的区域，原因是置换通风条件产生的竖直温度梯度抑制污染物初始向上运动的趋势，并且由于人体上部空间较高的温度导致污染物上升的浮力减小，因此形成了污染物的分层，如图7所示.

图5中性稳定条件下，气流在呼出过程中就不断向上扩散，吸气时气流很快被通风稀释，在人体头部以上区域未观察到浓度分层.但是由于置换通风

带来的温度梯度，污染物向上运动受到抑制，并且与周围空气掺混也减弱，而且由于上部空间温度较高，污染物停滞在一定的高度，造成了室内分为下部洁净、上部污染两个区域.根据Bjorn与Nielsen＼[6＼]的研究，温度梯度越大，分层的高度将越低，污染物更难向上扩散.这一现象与大气逆温造成的污染现象类似，地面污染物由于在稳定的大气中难以向上运动而覆盖在地面以上造成严重污染.由此可见，源于大气的空气稳定性概念应用于室内环境时同样适用，并能合理解释室内污染物的凝滞现象.

通过对不同竖直断面的呼气速度进行测量，得到各个测点位置的峰值平均速度并绘成速度剖面图，如图8（a）与（b）所示.可以发现，稳定状态下（Case 7）向上弯曲的程度比无温度梯度时要小.将各断面的最大速度连线可以得到射流的速度中心线位置，见图8（c），同样验证了稳定状态下射流中心线位置低的结论，与持续射流现象类似.此外，同样的出口速度，稳定状态下的气流速度衰减较慢，如图8（a）与（b）所示，原因是稳定状态限制了人体热羽的发展及呼气与周围空气的掺混能力，呼出的气流较狭窄在发展过程中由于卷入了较少的空气量而保持了较高的速度.4结论

通过烟气可视化实验及温度、速度测量发现，置换通风带来的稳定状态和混合或无通风时的中性稳定状态下，人体呼出气体的扩散规律是不同的，不论是持续射流还是间歇的呼气过程，空气稳定性对呼气扩散的影响显著，表现在影响其轨迹弯曲程度及速度衰减.同时，间歇的呼气过程与持续射流存在差异，在间歇过程中湍流充分发展污染物与周围空气迅速掺混，且呼气气流更加平坦.呼出的气体受到身体热羽流和较高的呼气温度的影响有向上弯曲的趋势，稳定的空气使持续或间歇射流更水平，而速度衰减低于中性稳定状态.并且，空气稳定性概念应用于室内环境，可以合理解释与大气现象类似的空气凝滞分层现象.结果为控制污染物的传播提供依据.

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