CN104677794A - 测量人体行走下室内地面pm10瞬态再悬浮率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置及方法，能够测量人体行走影响效应或非真实人体行走下的颗粒物再悬浮；测量结果为在人体行走扰动下地面沉降PM10颗粒物瞬态再悬浮率实测值；且测量结果为基于室内微元时间段和微元空间内的颗粒物质量守恒而得到的再悬浮率值；可以测量不同影响因素下的瞬态再悬浮率值，并找出室内人体行走扰动下PM10瞬态再悬浮率的显著性影响因素，从而为控制室内地面PM10再悬浮指明方向，为成功开发基于计算流体动力学技术的人体行走扰动下室内三维空间PM10再悬浮动态分布及人体颗粒物暴露风险评估数学模型垫定基础。

Description

测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置及方法

技术领域

本发明涉及室内地面颗粒物再悬浮率测量技术领域，特别涉及一种测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置及方法。

背景技术

气溶胶颗粒物会极大地恶化室内空气质量，近年来的相关研究表明气溶胶颗粒物的存在与许多健康问题(如心血管疾病、哮喘、心肺死亡、肺癌等)以及传染病的传播等都有密切关系；增加的颗粒物暴露会导致与呼吸系统及心血管相关的死亡率相应上升。美国环保局(EPA)定义“可吸入颗粒物(PM10)”为空气动力学直径小于10μm并能在呼吸系统内随处沉积的颗粒物；而“可入肺颗粒物(PM 2.5)”则是空气动力学直径小于2.5μm并能穿透至肺部的颗粒物。目前在室内气溶胶颗粒物动力学研究方面，通风、过滤、渗透、沉降及其综合效应对于室内颗粒物浓度水平及寿命影响的研究已有了相对较多的报道，而地面沉积颗粒物再悬浮效应却未曾得到足够细致的研究。相比起室内其它直接释放的颗粒物源，再悬浮已被识别出是室内气溶胶颗粒物的一个重要来源。“再悬浮”指的是颗粒物从其先前沉积的表面被引入空气中的过程。在美国环保局的PTEAM(Particle Total Exposure Assessment Methodology)研究中发现吸烟和烹饪是室内最大的颗粒物源，但另外还有14％的PM 2.5及26％的PM 10室内浓度来源却是未知的。Wallace认为这部分未知的室内颗粒物来源于室内人体活动再悬浮起的地面沉积颗粒物。美国克拉克森大学(Clarkson University)的Qian和耶鲁大学(Yale University)的Peccia等学者2014年2月发表于《Atmospheric Environment》的评论性文章更进一步识别出室内人体行走再悬浮起的颗粒物粒径主要位于PM10粒径区间，并认为行走引起的颗粒再悬浮是室内人体暴露于PM10颗粒物的最重要来源之一。通常的室内人体活动如行走等即可引起室内地面沉积颗粒物的再悬浮，由于室内环境中不断的人体活动扰动以及这些地面沉积颗粒物通常还携带有害物质(如多环芳烃、重金属、持久性有机化合物、细菌及真菌微生物、病毒及尘螨等)，长期暴露在人体活动再悬浮的气溶胶颗粒物下会导致相当多的人体健康问题，如传染病的传播、人体过敏、呼吸系统哮喘疾病以及肺癌等。在某些特殊情况下，甚至是很少量的再悬浮颗粒物(如炭疽孢子、放射性颗粒物、杀虫剂等)即可导致非常严重的健康问题。

虽然如此，纵观国内外研究现状，如何定量化地测量人体行走下室内地面沉积可吸入颗粒物PM10瞬态再悬浮率仍然具有很大的技术难度和挑战性，准确地获得人体行走下室内地面沉积PM10瞬态再悬浮率数据对于成功开发基于CFD(计算流体动力学)技术的人体行走扰动下室内三维空间PM10再悬浮动态分布及人体颗粒物暴露风险评估数学模型具有决定性作用，由于长期以来国内外尚缺乏准确测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置及方法，因此导致在PM10再悬浮后的颗粒物空间分布规律及人体暴露风险评估研究领域迟迟没有实质性重要进展，同时也相应限制了人们对PM10颗粒物在人体行走扰动下再悬浮规律的深刻认识和相应的有效防护技术及措施深入开发。

目前，国内外文献中有关于室内地面沉积颗粒物再悬浮率的实验测量研究主要存在如下三大不足之处：(一)没有考虑人体行走影响效应或非真实人体行走下的颗粒物再悬浮；(二)测量结果为在一段较长测试时间段内的平均悬浮率；(三)测量结果为基于室内气流充分混合假设下的两区(即地面和空气中)颗粒物质量守恒而得到的再悬浮率值。此处仅列举一些有代表性的前期实验研究。Mukai等学者应用风洞实验测量了在五种气流速度及三种湍流强度影响下沉积在不同地面材料(油地毡、地毯及镀锌薄钢板)上的1-20μm颗粒物再悬浮规律(Mukai C,Siegel JA,Novoselac A.Impact of airflow characteristics on particleresuspension from indoor surfaces,Aerosol Science and Technology 43,pp.161-173,2009.)，但其研究并未涉及室内人体行走下的颗粒物再悬浮。Nicholson基于风洞实验测量了四种粒径颗粒物分别从混凝土和草坪表面再悬浮规律(NicholsonKW.Wind tunnel experiments on the resuspension of particulate material,Atmospheric Environment,27A(2),pp.181-188,1993.)；Lengweiler也基于风洞实验测量了颗粒物的再悬浮率，并获得了与湍动能相关的再悬浮率经验关联式(Lengweiler P.Modelling deposition and resuspension of particles on and fromsurfaces,Ph.D.Dissertation,Eidgenossische Technische Hochschule Zürich,Roggwil(TG),Switzerland,2000.)，但这些学者的研究中均未曾涉及人体行走扰动因素。清华大学Wang Shuo和赵彬教授等学者实验研究了粒子尺寸、气流速度及时间因素对于直风管内沉积的微米级和亚微米级颗粒物瞬态再悬浮影响规律，但其实验的风速都远远超出常规室内气流速度范围，另外其实验研究还未曾涉及到室内人体行走扰动(Wang S,Zhao B,Zhou B,Tan ZC.An experimental study onshort-time particle resuspension from inner surfaces of straight ventilation ducts,Building and Environment,53,pp.119-127,2012.)。Ferro等学者基于质量守恒推导的数学模型实验测量了在各种规定人体活动下一幢独户住宅室内沉积颗粒物再悬浮的强度(Ferro AR,Kopperud RJ,Hildemann LM.Source strengths for indoorhuman activities that resuspend particulate matter,Environmental Science andTechnology,38,pp.1759-1764,2004.)，但其计算再悬浮强度的数学模型本身就是基于颗粒物充分混合假设得到的，且再悬浮强度还是一段时间内的平均值。Qian和Ferro实验研究了在三种地面材料类型和两种通风模式下全尺度环境舱内一系列规定的人体活动下颗粒物再悬浮规律，但其计算再悬浮率的数学模型却是基于室内气流充分混合假设.Gomes等学者在一小型特制环境舱中通过实验营造人体行走下的机械和空气动力学扰动，测量了在不同地面材料及地面扰动下不同过敏原颗粒物的再悬浮率值(Gomes C,Freihaut J,Bahnfleth W.Resuspensionof allergen-containing particles under mechanical and aerodynamic disturbances fromhuman walking,Atmospheric Environment,41,pp.5257-5270,2007.)，但其所测得的再悬浮率值为一段时间内的平均值且是在非真实人体扰动情况下所得。近来Eisner等学者基于模仿人体行走的机械脚系统和PIV(激光粒子图像测速仪)技术可视化研究了行走足部运动对足下动态气流及地面样本上沉积颗粒物再悬浮的影响规律(Eisner AD,Rosati J,Wiener R.Experimental and theoreticalinvestigation of particle-laden airflow under a prosthetic mechanical foot in motion,Building and Environment,45,pp.878-886,2010.)，但是该研究并未涉及颗粒物瞬态再悬浮率定量测量装置及方法。

综上所述，目前国内外还未曾有系统完整的人体行走下室内地面沉积可吸入颗粒物瞬态再悬浮率的测量装置及方法，本发明创新性地设计了一套人体行走影响下室内地面沉积颗粒物瞬态再悬浮率定量测试装置，并基于该装置推导了一套便于实际测量操作的瞬态再悬浮率数学计算公式以及相应的实验方法，本发明将为人体行走下室内PM10颗粒物再悬浮暴露风险定量化研究提供新的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服目前国内外还未曾有系统完整的人体行走下室内地面沉积可吸入颗粒物PM10瞬态再悬浮率的测量装置及方法的不足，本发明提供一种测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置，包括空气处理机和实验舱，

所述空气处理机具有处理机送风口和处理机回风口，所述空气处理机的最末工作段安装有高效粒子空气过滤器，所述实验舱包括狭长型的舱体，所述舱体包括由前向后依次设置的湍流气流整流段、颗粒物再悬浮率测试实验段和实验行走人员等候区段。空气处理机的送风经过高效粒子空气过滤器过滤后由处理机送风口送风。

所述舱体的前部设有舱体送风口，所述处理机送风口通过渐扩型曲面过渡送风管与舱体送风口密封连接，所述实验行走人员等候区段后部设有舱体回风口，所述舱体回风口通过渐缩型曲面过渡回风管与处理机回风口密封连接。

所述湍流气流整流段和实验行走人员等候区段的地面铺设粘尘垫，所述颗粒物再悬浮率测试实验段的地面铺设实验用地面材料。所述的实验用地面材料可以是地毯、木质地板、聚乙烯或聚氯乙烯地板、亚麻地板、瓷砖或石英砖地板、石材地板、地板漆等，从而开展不同地面板材影响因素下的沉积PM10瞬态再悬浮率测定。

所述舱体主体的形状为狭长型的长方体；所述舱体主体的长宽高尺寸为6.8m×0.6m×1.9m；所述湍流气流整流段的长度为4.5m；所述颗粒物再悬浮率测试实验段的长宽高尺寸为1.5m×0.6m×1.9m；所述实验行走人员等候区段的长度为0.8m。

所述舱体主体前部整面墙面均为送风口，所述送风口由湍流整流网格格栅构成，所述实验行走人员等候区段后部的整面墙面均为回风口；

所述渐扩型曲面过渡送风管和渐缩型曲面过渡回风管均分别通过软管与空气处理机的送风管和回风管连接。

所述舱体主体采用防静电接地，且舱体主体采用抗静电材料；所述舱体主体与外部密封，且舱内为微正压环境；所述舱体主体与外部绝热保温；在所述颗粒物再悬浮率测试实验段地面对应的舱体主体顶部和左右墙面上均装有若干观察孔。

一种采用所述的测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置的测量方法，根据舱体主体在长度x、高度z方向大大于宽度y方向的尺寸特征以及沿舱体主体长度x方向为主流气流流向，气溶胶颗粒物浓度只在长度x方向有显著变化，在dτ微元时间段内，在微元长度dx所在微元长方体型空间内，根据气溶胶颗粒物质量守恒，对于某一粒径的颗粒物有：

$\frac{C(x,\mathrm{\τ})}{\mathrm{d\τ}}=-\stackrel{\·}{V}\·\mathrm{dC}(x,\mathrm{\τ})+R(x,\mathrm{\τ})L_o\mathrm{Ydx}-{\stackrel{\‾}{v}}_{d}C(x,\mathrm{\τ})(2Y+2Z)\mathrm{dx}---\left(I\right)$

对长度x积分，可得到随时间τ变化的瞬态再悬浮率公式如下：

$\stackrel{\‾}{R}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{L_o\mathrm{XY}}\·\{\frac{[{\stackrel{\‾}{C}}_X\left(\mathrm{\τ}\right)-{\stackrel{\‾}{C}}_X(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ\τ})]\·\mathrm{XYZ}}{\mathrm{\Δ\τ}}+\stackrel{\·}{V}\·[C(x,\mathrm{\τ})-C(0,\mathrm{\τ})]+{\stackrel{\‾}{v}}_d\·(2Y+2Z)X\·{\stackrel{\‾}{C}}_X\left(\mathrm{\τ}\right)\}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中， ${\stackrel{\‾}{C}}_X\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{{\∫}_0^{X}C(x,\mathrm{\τ})\mathrm{dx}}{X}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}C(x_i,\mathrm{\τ})}{N\·\mathrm{\Δx}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}C(x_i,\mathrm{\τ})}{N},$ N为实验舱的颗粒物再悬浮率测试实验段2长度x方向气溶胶颗粒物浓度采样总分段数，C(x_i,τ)为第i测试段高度z方向平均浓度； ${\stackrel{\‾}{v}}_d=\frac{v_{d\_f}\·\mathrm{XY}+v_{d\_w}\·\left(2\mathrm{XZ}\right)+v_{d\_c}\·\mathrm{XY}}{(2Y+2Z)\·X}$ 为某一粒径颗粒物平均沉降速度，其中地面沉降速度v_{d_f}、壁面沉降速度v_{d_w}以及顶面沉降速度v_{d_c}为与颗粒物粒径和密度相关的已知量；为实验舱内气流的体积流量；C(X,τ)和C(0,τ)分别为颗粒物再悬浮率测试实验段地面末端x＝X及始端x＝0处横断面平均颗粒物浓度；L_o为颗粒物再悬浮率测试实验段地面某一粒径颗粒物初始表面浓度；Δτ为颗粒物浓度采样时间间隔；X、Y和Z分别为颗粒物再悬浮率测试实验段的长度、宽度和高度；公式(I)中R(x,τ)为在τ时刻位置x处的颗粒物瞬态再悬浮率，公式(II)中为在颗粒物再悬浮率测试实验段内随时间τ变化的瞬态再悬浮率值；瞬态再悬浮率公式(II)中气溶胶颗粒物浓度C(X,τ)、C(0,τ)和颗粒物初始表面浓度L_o都是指粒子数量浓度；

在某一设定的实验舱气流体积流量下和某一既定的实验段地面颗粒物初始表面浓度L_o下，当颗粒物浓度采样时间间隔Δτ取得足够短，实验段长度x方向气溶胶颗粒物浓度采样总分段数N取得足够多时，测量各个时刻C(x_i,τ)、C(X,τ)、C(0,τ)浓度值后，按公式(II)计算出相应于各时刻的瞬态再悬浮率值，即在人体行走扰动下地面沉降PM10颗粒物瞬态再悬浮率实测值。

颗粒物再悬浮率测试实验段长度x方向气溶胶颗粒物浓度采样总分段数N取5，颗粒物浓度采样时间间隔为1秒，C(x_i,τ)为各采样测试段中心点所在横断面上z＝0.15m、z＝0.95m和z＝1.75m三处相同时刻颗粒物浓度的平均值，C(X,τ)为在颗粒物再悬浮率测试实验段地面末端x＝X处横断面垂直中线上z＝0.15m、z＝0.95m和z＝1.75m三处相同时刻颗粒物浓度的平均值，C(0,τ)为在颗粒物再悬浮率测试实验段地面始端x＝0处横断面垂直中线上z＝0.15m、z＝0.95m和z＝1.75m三处相同时刻颗粒物浓度的平均值。

实验正式测定开始前实验行走人员穿着防静电洁净无尘服，先进入风淋室进行充分洁净风淋，而后在风淋室内换上事先已充分洁净的实验用鞋，再次充分风淋后进入与风淋室紧邻的再悬浮实验舱，在铺有粘尘垫的实验行走人员等候区段内等候实验行走开始指令。

在实验行走人员正式走动前，颗粒物再悬浮率测试实验段地面均匀散布已知质量的多扩散的PM10颗粒物；颗粒物再悬浮率测试实验段地面散布的PM10颗粒物为粒径范围在1～10μm的实验用标准微球颗粒，如选用二氧化硅标准微球颗粒或聚苯乙烯标准微球颗粒分别代表无机或有机材质类型的PM10颗粒；颗粒物再悬浮率测试实验段地面上所散布颗粒物的初始总质量用精密微量天平测定，相应的粒径分布由激光粒度分析仪测定；颗粒物再悬浮率测试实验段地表面材料的粗糙高度分布特征由原子力显微镜测定；实验舱内气溶胶颗粒物浓度用激光粒子计数器测定。

本发明的有益效果是，本发明的测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置及方法，能够测量人体行走影响效应或非真实人体行走下的颗粒物再悬浮；测量结果为在人体行走扰动下地面沉降PM10颗粒物瞬态再悬浮率实测值；且测量结果为基于室内微元时间段和微元空间内的颗粒物质量守恒而得到的再悬浮率值；可以测量不同影响因素下(如地面上颗粒物初始表面浓度、PM10颗粒物类型及粒径分布、地面材料类型、地表面粗糙程度、室内气流的相对湿度、室内空气温度、人体行走速度、人体体重、鞋表面类型及底部沟槽特性等)的瞬态再悬浮率值，并找出室内人体行走扰动下PM10瞬态再悬浮率的显著性影响因素，从而为控制室内地面PM10再悬浮指明方向，为成功开发基于CFD(计算流体动力学)技术的人体行走扰动下室内三维空间PM10再悬浮动态分布及人体颗粒物暴露风险评估数学模型垫定基础。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置中实验舱的结构示意图。

图中1、湍流气流整流段，2、颗粒物再悬浮率测试实验段，3、实验行走人员等候区段，4、湍流整流网格格栅，5、渐扩型曲面过渡送风管，6、渐缩型曲面过渡回风管，7、舱门。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的一种测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置，包括空气处理机和实验舱，所述空气处理机具有处理机送风口和处理机回风口，所述空气处理机的最末工作段安装有高效粒子空气过滤器，空气处理机的送风经过高效粒子空气过滤器过滤后由处理机送风口送风。所述实验舱包括狭长型的舱体主体，如图1所示，所述舱体主体包括由前向后依次设置的湍流气流整流段1、颗粒物再悬浮率测试实验段2和实验行走人员等候区段3；该舱体主体长宽高总体尺寸为6.8m(x)×0.6m(y)×1.9m(z)。

最前端的湍流气流整流段1长度为4.5m，且该地面铺满粘尘垫；颗粒物再悬浮率测试实验段2尺寸为1.5m(x)×0.6m(y)×1.9m(z)，长度为1.5m，该地面将铺设实验用地面材料，实验用地面材料可以是地毯、木质地板、聚乙烯或聚氯乙烯地板、亚麻地板、瓷砖或石英砖地板、石材地板、地板漆等，从而开展不同地面板材影响因素下的沉积PM10瞬态再悬浮率测定；最后部的实验行走人员等候区段3长度为0.8m，且该地面铺满粘尘垫。

所述舱体主体的前部设有舱体送风口，送风口布置于舱体主体前部整面墙面上，送风口由湍流整流网格格栅4构成，送风口通过渐扩型曲面过渡送风管5经软管与空气处理机的送风管连接；所述实验行走人员等候区段3后部设有舱体回风口，所述实验行走人员等候区段3后部的整面墙面均为回风口，所述舱体回风口通过渐缩型曲面过渡回风管6与处理机回风口密封连接。

来自空气处理机且经高效粒子空气过滤器过滤后的洁净送风通过渐扩型曲面过渡送风管5减速，然后经湍流整流网格格栅4送入该实验舱，从而保证舱体主体内气流速度能够较好的控制在一般舒适性空调室内气流速度范围内，即不超过0.2～0.3m/s；舱内送风经位于实验行走人员等候区段3后部的整体墙面回风口排出，并最后通过渐缩型曲面过渡回风管6送回到处理机回风口。

为减少由于空气处理机工作振动而引起的测试实验舱地面振动，并进而对实验段2地面沉积PM10颗粒物再悬浮量的测量产生影响，所述渐扩型曲面过渡送风管5和渐缩型曲面过渡回风管6均分别通过软管与空气处理机的处理机送风管和处理机回风管连接。

为了减少实验舱体主体内静电电荷对颗粒物浓度测量的影响，整个舱体主体都做到良好的防静电接地处理，同时舱体主体墙面等材料也都选用抗静电性能良好的材料。

为了防止舱外气溶胶颗粒物通过舱体主体连接部位缝隙渗入而干扰舱内颗粒物浓度测量，整个舱体主体都做到了很好的密封处理及舱内微正压环境。

所述舱体主体与外部绝热保温。

为了方便实验行走人员舱内行走，在颗粒物再悬浮率测试实验段2地面对应的舱体主体顶部和左右墙面上均装有若干观察孔。

由于真实人体在行走时也会散发颗粒物如脱落的皮肤碎屑等，为了防止这部分人体自身散发的颗粒物对于地面再悬浮气溶胶颗粒物浓度测量的影响，实验正式测定开始前实验行走人员穿着防静电四连体洁净无尘服(含一体化的帽子、上衣、裤子及鞋连体，外加无尘手套和佩戴N95口罩)先进入风淋室(风淋室为标准产品，可单独购买)，经充分洁净风淋后除掉无尘服上可能附着的颗粒物，而后在风淋室内换上事先已充分洁净的实验用鞋，再次充分风淋后进入与风淋室紧邻的再悬浮实验舱，在铺有粘尘垫的实验人员等候区段内等候实验行走开始指令(可通过在某一观察孔外部固定的小型红色激光灯开启来提醒行走实验开始)，那么，这样一套严格的洁净程序能够确保实验行走人员在进入舱内时不会带入外部PM10颗粒物，从而确保在正式实验中人员行走下舱内空气中气溶胶颗粒物都来自实验段2地面预先沉积的PM10颗粒物再悬浮。

在实验行走人员正式走动前，颗粒物再悬浮率测试实验段2地面均匀散布已知质量的多扩散的PM10颗粒物；颗粒物再悬浮率测试实验段2地面散布的PM10颗粒物为粒径范围在1～10μm的实验用标准微球颗粒(如选用二氧化硅标准微球颗粒或聚苯乙烯标准微球颗粒分别代表无机或有机材质类型的PM10颗粒)；颗粒物再悬浮率测试实验段2地面上所散布颗粒物的初始总质量用精密微量天平(精度为0.01mg)测定，相应的粒径分布由激光粒度分析仪测定；颗粒物再悬浮率测试实验段2地表面材料的粗糙高度分布特征由原子力显微镜测定；实验舱内气溶胶颗粒物浓度用激光粒子计数器(如TSI 3330型)测定。

基于以上瞬态再悬浮率定量化实验方案的说明，同时利用如图1的实验舱装置实验下的瞬态再悬浮率实验计算方法说明如下：

对于图1所示的研究人体行走下PM10再悬浮实验舱，根据舱体主体在长度x、高度z方向大大于宽度y方向的尺寸特征以及沿舱体主体的长度x方向为主流气流流向，气溶胶颗粒物浓度只在长度x方向有显著变化，在dτ微元时间段内，在微元长度dx所在微元长方体型空间内，根据气溶胶颗粒物质量守恒，对于某一粒径的颗粒物有：

$\frac{C(x,\mathrm{\τ})}{\mathrm{d\τ}}=-\stackrel{\·}{V}\·\mathrm{dC}(x,\mathrm{\τ})+R(x,\mathrm{\τ})L_o\mathrm{Ydx}-{\stackrel{\‾}{v}}_{d}C(x,\mathrm{\τ})(2Y+2Z)\mathrm{dx}---\left(I\right)$

对长度x积分，可得到随时间τ变化的瞬态再悬浮率公式如下：

$\stackrel{\‾}{R}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{L_o\mathrm{XY}}\·\{\frac{[{\stackrel{\‾}{C}}_X\left(\mathrm{\τ}\right)-{\stackrel{\‾}{C}}_X(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ\τ})]\·\mathrm{XYZ}}{\mathrm{\Δ\τ}}+\stackrel{\·}{V}\·[C(x,\mathrm{\τ})-C(0,\mathrm{\τ})]+{\stackrel{\‾}{v}}_d\·(2Y+2Z)X\·{\stackrel{\‾}{C}}_X\left(\mathrm{\τ}\right)\}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中， ${\stackrel{\‾}{C}}_X\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{{\∫}_0^{X}C(x,\mathrm{\τ})\mathrm{dx}}{X}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}C(x_i,\mathrm{\τ})}{N\·\mathrm{\Δx}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}C(x_i,\mathrm{\τ})}{N},$ N为实验舱实验段2长度x方向气溶胶颗粒物浓度采样总分段数，C(x_i,τ)为第i测试段高度方向平均浓度； ${\stackrel{\‾}{v}}_d=\frac{v_{d\_f}\·\mathrm{XY}+v_{d\_w}\·\left(2\mathrm{XZ}\right)+v_{d\_c}\·\mathrm{XY}}{(2Y+2Z)\·X}$ 为某一粒径颗粒物平均沉降速度，其中地面沉降速度v_{d_f}、壁面沉降速度v_{d_w}以及顶面沉降速度v_{d_c}为与颗粒物粒径和密度相关的已知量，其值可由前期相关文献数据获得(如Lai ACK,NazaroffWW.Modeling indoor particle deposition from turbulent flow onto smooth surfaces,Journal of Aerosol Science 31(4),pp.463-476,2000.)；为测试舱内气流体积流量；C(X,τ)和C(0,τ)分别为实验段2地面末端x＝X及始端x＝0处横断面平均颗粒物浓度；L_o为实验段2地面某一粒径颗粒物初始表面浓度；Δτ为激光粒子计数器浓度采样时间间隔；X、Y和Z分别为舱体主体的实验段2长度1.5m、宽度0.6m以及高度1.9m；另外，公式(I)中R(x,τ)为在τ时刻位置x处的颗粒物瞬态再悬浮率，公式(II)中为在颗粒物再悬浮率测试实验段(2)内随时间τ变化的瞬态再悬浮率值；瞬态再悬浮率公式(II)中气溶胶颗粒物浓度C(X,τ)、C(0,τ)都是指粒子数量浓度且其单位为“个/m³”，颗粒物初始表面浓度L_o也是指粒子数量浓度且其单位为“个/m²”，其它各量单位均按国际单位选用。

至此，可以由瞬态再悬浮率公式(II)发现，在某一设定的实验舱气流体积流量V下和某一既定的实验段2地面颗粒物初始表面浓度L_o下，当粒子计数器浓度采样时间间隔取得足够短，实验段2长度x方向气溶胶颗粒物浓度采样总分段数N取得足够多时，只须测量各个时刻C(x_i,τ)、C(X,τ)、C(0,τ)浓度值后，即可按公式(II)计算出相应于各时刻的足够准确的瞬态再悬浮率值。考虑到实验实际情况，一般实验中实验段2长度x方向气溶胶颗粒物浓度采样总分段数N取为5段即可，激光粒子计数器浓度采样时间间隔设定到1秒，C(x_i,τ)为各采样测试段(图1中实验段2位于两相邻的虚线面所夹的长方体)中心点所在横断面上z＝0.15m、z＝0.95m和z＝1.75m处相同时刻所测颗粒物浓度的平均值，同样的，在实验段2地面末端x＝X及始端x＝0处横断面垂直中线上z＝0.15m、z＝0.95m和z＝1.75m处相同时刻所测颗粒物浓度的平均值分别取为C(X,τ)和C(0,τ)。

最后，按照以上人体行走下室内地面沉降PM10颗粒物再悬浮实验舱装置、相应所推导的瞬态再悬浮率公式(II)以及对应的实验手段和方法，最终可获得在人体行走扰动下室内地面沉降PM10颗粒物瞬态再悬浮率实测值。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置，其特征在于：包括空气处理机和实验舱，

所述空气处理机具有处理机送风口和处理机回风口，所述空气处理机的最末工作段安装有高效粒子空气过滤器，所述实验舱包括狭长型的舱体，所述舱体包括由前向后依次设置的湍流气流整流段(1)、颗粒物再悬浮率测试实验段(2)和实验行走人员等候区段(3)；

所述舱体的前部设有舱体送风口，所述处理机送风口通过渐扩型曲面过渡送风管(5)与舱体送风口密封连接，所述实验行走人员等候区段(3)后部设有舱体回风口，所述舱体回风口通过渐缩型曲面过渡回风管(6)与处理机回风口密封连接；

所述湍流气流整流段(1)和实验行走人员等候区段(3)的地面铺设粘尘垫，所述颗粒物再悬浮率测试实验段(2)的地面铺设实验用地面材料。

2.如权利要求1所述的测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置，其特征在于：所述舱体主体的形状为狭长型的长方体。

3.如权利要求2所述的测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置，其特征在于：所述舱体主体的长宽高尺寸为6.8m×0.6m×1.9m；所述湍流气流整流段(1)的长度为4.5m；所述颗粒物再悬浮率测试实验段(2)的长宽高尺寸为1.5m×0.6m×1.9m；所述实验行走人员等候区段(3)的长度为0.8m。

4.如权利要求1所述的测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置，其特征在于：所述舱体主体前部整面墙面均为送风口，所述送风口由湍流整流网格格栅(4)构成，所述实验行走人员等候区段(3)后部的整面墙面均为回风口。

5.如权利要求1所述的测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置，其特征在于：所述渐扩型曲面过渡送风管(5)和渐缩型曲面过渡回风管(6)均分别通过软管与空气处理机的送风管和回风管连接。

6.如权利要求1所述的测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置，其特征在于：所述舱体主体采用防静电接地，且舱体主体采用抗静电材料；所述舱体主体与外部密封，且舱内为微正压环境；所述舱体主体与外部绝热保温；在所述颗粒物再悬浮率测试实验段(2)地面对应的舱体主体顶部和左右墙面上均装有若干观察孔。

7.一种采用如权利要求1-6中任一项所述的测量人体行走下室内地面PM10瞬态再悬浮率的装置的测量方法，其特征在于：

沿舱体主体长度x方向为主流气流流向，气溶胶颗粒物浓度只在长度x方向有显著变化，在dτ微元时间段内，在微元长度dx所在微元长方体型空间内，根据气溶胶颗粒物质量守恒，对于某一粒径的颗粒物有：

$\frac{C(x,\mathrm{\τ})\·\mathrm{YZdx}}{\mathrm{d\τ}}=-\stackrel{\·}{V}\·\mathrm{dC}(x,\mathrm{\τ})+R(x,\mathrm{\τ})L_o\mathrm{Ydx}-{\stackrel{\‾}{v}}_{d}C(x,\mathrm{\τ})(2Y+2Z)\mathrm{dx}---\left(I\right)$

对长度x积分，可得到随时间τ变化的瞬态再悬浮率公式如下：

$\stackrel{\‾}{R}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{L_o\mathrm{XY}}\·\{\frac{[{\stackrel{\‾}{C}}_X\left(\mathrm{\τ}\right)-{\stackrel{\‾}{C}}_X(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ\τ})]\·\mathrm{XYZ}}{\mathrm{\Δ\τ}}+\stackrel{\·}{V}\·[C(X,\mathrm{\τ})-C(0,\mathrm{\τ})]+{\stackrel{\‾}{v}}_d\·(2Y+2Z)X\·{\stackrel{\‾}{C}}_X\left(\mathrm{\τ}\right)\}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中， ${\stackrel{\‾}{C}}_X\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{{\∫}_0^{X}C(x,\mathrm{\τ})\mathrm{dx}}{X}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}C(x_i,\mathrm{\τ})\·\mathrm{\Δx}}{N\·\mathrm{\Δx}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}C(x_i,\mathrm{\τ})}{N},$ N为实验舱的颗粒物再悬浮率测试实验段(2)长度x方向气溶胶颗粒物浓度采样总分段数，C(x_i,τ)为第i测试段高度z方向平均浓度； ${\stackrel{\‾}{v}}_d=\frac{v_{d\_f}\·\mathrm{XY}+v_{d\_w}\·\left(2\mathrm{XZ}\right)+v_{d\_c}\·\mathrm{XY}}{(2Y+2Z)\·X}$ 为某一粒径颗粒物平均沉降速度，其中地面沉降速度v_{d_f}、壁面沉降速度v_{d_w}以及顶面沉降速度v_{d_c}为与颗粒物粒径和密度相关的已知量；为实验舱内气流的体积流量；C(X,τ)和C(0,τ)分别为颗粒物再悬浮率测试实验段(2)地面末端x＝X及始端x＝0处横断面平均颗粒物浓度；L_o为颗粒物再悬浮率测试实验段(2)地面某一粒径颗粒物初始表面浓度；Δτ为颗粒物浓度采样时间间隔；X、Y和Z分别为颗粒物再悬浮率测试实验段(2)的长度、宽度和高度；

公式(I)中R(x,τ)为在τ时刻位置x处的颗粒物瞬态再悬浮率，公式(II)中为在颗粒物再悬浮率测试实验段(2)内随时间τ变化的瞬态再悬浮率值；瞬态再悬浮率公式(II)中气溶胶颗粒物浓度C(X,τ)、C(0,τ)和颗粒物初始表面浓度L_o都是指粒子数量浓度；

在某一设定的实验舱气流体积流量下和某一既定的实验段(2)地面颗粒物初始表面浓度L_o下，当颗粒物浓度采样时间间隔Δτ取得足够短，实验段(2)长度x方向气溶胶颗粒物浓度采样总分段数N取得足够多时，测量各个时刻C(x_i,τ)、C(X,τ)、C(0,τ)浓度值后，按公式(II)计算出相应于各时刻的瞬态再悬浮率值，即在人体行走扰动下地面沉降PM10颗粒物瞬态再悬浮率实测值。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于：颗粒物再悬浮率测试实验段(2)长度x方向气溶胶颗粒物浓度采样总分段数N取5，颗粒物浓度采样时间间隔为1秒，C(x_i,τ)为各采样测试段中心点所在横断面上z＝0.15m、z＝0.95m和z＝1.75m三处相同时刻颗粒物浓度的平均值，C(X,τ)为在颗粒物再悬浮率测试实验段(2)地面末端x＝X处横断面垂直中线上z＝0.15m、z＝0.95m和z＝1.75m三处相同时刻颗粒物浓度的平均值，C(0,τ)为在颗粒物再悬浮率测试实验段(2)地面始端x＝0处横断面垂直中线上z＝0.15m、z＝0.95m和z＝1.75m三处相同时刻颗粒物浓度的平均值。

9.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于：实验正式测定开始前实验行走人员穿着防静电洁净无尘服，先进入风淋室进行充分洁净风淋，而后在风淋室内换上事先已充分洁净的实验用鞋，再次充分风淋后进入与风淋室紧邻的再悬浮率测试实验舱，在铺有粘尘垫的实验行走人员等候区段(3)内等候实验行走开始指令。

10.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于：在实验行走人员正式走动前，颗粒物再悬浮率测试实验段(2)地面均匀散布已知质量的多扩散的PM10颗粒物；颗粒物再悬浮率测试实验段(2)地面散布的PM10颗粒物为粒径范围在1～10μm的实验用标准微球颗粒；颗粒物再悬浮率测试实验段(2)地面上所散布颗粒物的初始总质量用精密微量天平测定，相应的粒径分布由激光粒度分析仪测定；颗粒物再悬浮率测试实验段(2)地表面材料的粗糙高度分布特征由原子力显微镜测定；实验舱内气溶胶颗粒物浓度用激光粒子计数器测定。