李联友，李 昕，李栎冬,刘 涛,王一诺,赵海旺

(1.河北建筑工程学院 能源工程系，河北 张家口 075000;2.天津职业技术师范大学 自动化与电气工程学院，天津 300000;3.贵州大学 土木工程学院2020级，贵州 贵阳 550025)

国外对颗粒渗透现象进行了很多研究，取得了一些成果。但是，离完全揭示这一现象的规律还有一段距离，新的研究不断地提出新的方法与模型，得出一些新的结论，其中有些否定了以往的模型与结论，有些是对以前得出结果的补充。由此可见，这方面的研究还有很多工作要做。

1 研究方法

1.1 理论与模型

1.1.1 质量平衡方程

在没有室内颗粒发生源且门窗紧闭、无机械通风的情况下，忽略颗粒相变、分散、凝聚和化学反应给颗粒浓度和大小带来的影响，不考虑颗粒的二次悬浮，假设室内空气混合均匀，则对空气中指定粒径的颗粒有如下质量平衡方程[1]：

(1)

N0(t)、Ni(t)分别是t时刻室外和室内空气中上述指定粒径颗粒的计数浓度，p是颗粒透过围护结构缝隙的穿透系数，λ是渗透通风条件下的换气次数，kd是室内颗粒的沉降率[2]。

于是pλN0(t)-λNi(t)是单位时间室内外空气交换导致的室内空气颗粒浓度变化；-kdNi(t)是单位时间室内空气中颗粒沉降带来的颗粒浓度增量。

在通常情况下，室内外颗粒浓度没有急剧的变化，可以近似地把质量平衡方程写为

(2)

p与缝隙特性、颗粒性质、内外环境等因素有关，是研究颗粒穿透现象需要确定的重要参数。kd主要由颗粒的大小等性质、室内表面积与体积之比、室内表面性能和气流扰动情况决定[3]。

1.1.2 换气次数

定义单位时间单位室内空气同室外空气的换气体积为换气次数，计为λ。对于室内空气中某种混合均匀的气体，由质量守恒，可以列出如下微分方程：

[Cin(t)+dCin(t)]V=Cin(t)(V-λVdt)+CoutλVdt

(3)

其中V是室内空气体积，Cin(t)是时刻t该种气体在室内的浓度，Cout是该种气体在室外的平均浓度，视为常量。

(4)

(5)

在围护结构和室内设置相同、门窗紧闭且无机械通风的情况下，λ主要取决于缝隙内外的压差，而压差主要由室外的风速决定[4]。一般认为，这一压差不超过10 Pa。

1.1.3 渗透系数(infiltration factor)

在1.1.1得到的质量平衡方程中，当室内颗粒浓度达到稳态时，左边的室内颗粒浓度变化率项为零，因此可以得到

(6)

从渗透系数的表达式中可以看出，渗透系数由穿透系数(空气穿过缝隙时能进入到室内的粒子的比例)、换气次数和颗粒沉降率决定。

在以下3个假设的前提下，能够用I/Oratio来计算渗透系数：

a)室内空气充分混合，各处颗粒浓度相等；

b)进行测量的4 h的时间足够使室内颗粒浓度达到稳定；

c)取室外浓度在一段时间内的平均值进行计算，认为室外浓度的波动比起这一平均值来可以不予考虑。

实验的指导思想就是使实验条件尽量接近这3个假设，在此基础上，用I/Oratio来计算渗透系数。

1.2 实验过程

1.2.1 实验对象的选取

1.2.2 换气次数的测量

测量换气次数的步骤如下：

a)先测量室外CO2浓度；

b)关好窗户，连接CO2浓度测试装置(由一个测量CO2浓度的仪器接上一个能读取仪器数据的万用表组成，万用表放在室外用来读数，CO2浓度仪放在室内采样)；

c)在室内喷洒较高浓度的CO2气体(用二氧化碳灭火器)，并尽量使之分布均匀(往不同方向喷洒)，喷洒完毕走出房间，关闭房门，在室外通过万用表记录数据。

1.2.3 颗粒浓度的测量

a)测量方案

用2台颗粒计数器同步测量室内外颗粒浓度，室内的计数器采用自计的方法，测量室外浓度的时候出于安全考虑，采用人工控制测量。每2次取样的时间间隔为5 min，总的测量时间为4 h。

综上所述，总之柴油机滤清器的保养，必须坚决地按使用说明书的规定时间和操作进行保养，如果作业环境出现恶劣，保养周期必须提前。拆装、检查和保养要严格按照规程操作，切不可认为各种滤清器作用不大，可有可无，否则柴油机无法保持技术状态完好，功能不能正常发挥，甚至还会大大地减少柴油机的工作寿命。

b)Fluke 983 颗粒计数器的使用

Fluke 983是美国Fluke公司生产的空气颗粒计数器，它能对0.2～0.5 μm、>0.5～1.0 μm、>1.0～2.0 μm、>2.0～5.0 μm、>5.0～10.0 μm以及>10.0 μm的6个粒径范围内的颗粒浓度进行测量，并且能调节采样气体体积、采样的时间间隔，还可直接用计算机读取数据。最多能获得5 000组样本数据。

2 实验结果

2.1 换气次数

(7)

考虑到室内外压差变化不会太大，把t0作为定值，取t0=0，则(7)式变为

(8)

左边称为CO2的相对浓度，通过对得到的CO2相对浓度和相应时间进行线性拟合即得到λ的值。

表1是CO2的相对浓度与时间的对应值。

表1 CO2的相对浓度与时间的关系

线性拟合的结果如图1所示。

图1 CO2的相对浓度与时间的拟合结果

纵坐标是二氧化碳的相对浓度，可以看出与时间有相当好的线性关系。

由此得出换气次数λ=0.371 h-1。

2.2 室内外颗粒浓度

表2是选取的部分颗粒浓度测量结果。

表2 不同粒径范围内的粒子室内外浓度不同时间的对应值 个/L

不同粒径范围内的粒子室内外浓度在不同时间的对应值如下面6个坐标图所示(图2～7)。

图2 0.3～0.5μm粒子浓度不同时间的关系 图3 >0.5～1μm粒子浓度不同时间的关系

图4 >1～2μm粒子浓度不同时间的关系 图5 >2～5μm粒子浓度不同时间的关系

图6 >5～10μm粒子浓度不同时间的关系 图7 >10μm粒子浓度不同时间的关系

由此计算出不同粒径的渗透系数，表示为如下的直方图(图8)。

图8 不同粒径的渗透系数直方

3 结 论

通过以上实验数据可以看出，渗透系数一般由穿透系数、换气次数和颗粒沉降率来决定，因此随着颗粒粒径的增加，颗粒的沉降率提高，渗透系数整体呈下降趋势(图9)。具体结论如下：

图9 颗粒粒径与渗透率关系

1)对于空气动力学直径大于0.3μm的粒子，随着粒径的增大，穿透系数减小，沉降率增大，故渗透系数降低。

2)对于目前空气中的PM2.5的粒子，渗透系数随着该粒子的浓度的增加而增大。

总之，本研究的意义在于通过实验数据分析出不同粒径特别是PM2.5以上的粒子是随着其浓度的增加其渗透率是增加的结论，因此实践中适当降低其浓度是非常必要的；由于实验范围因素的影响，本研究存在着难以实时监控室内外颗粒浓度变化规律的不足，这些将会在以后的实验中进行补充。