CN104941698B - 一种雾霾模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大气环境研究技术领域，尤其是涉及一种雾霾模拟装置。所述雾霾模拟装置包括：壳体；设置在壳体内的冷辐射装置；所述冷辐射装置与壳体间形成试验空间；与所述试验空间连通的气溶胶发生器；与所述试验空间连通的加湿器。本发明所述的雾霾模拟装置能够根据设定的条件，在不同的温度、湿度条件下，模拟不同粒径的凝结核形成雾霾的过程及雾霾演化的过程；采用冷辐射的方式对试验空间降温，能够真实的模拟自然界雾的形成过程，可用于雾霾的相关形成研究，以及雾霾对环境影响的研究。

Description

一种雾霾模拟装置

技术领域

本发明涉及大气环境研究技术领域，尤其是涉及一种雾霾模拟装置。

背景技术

雾霾常见于城市，中国不少地区将雾并入霾一起作为灾害性天气现象进行预警预报，统称为“雾霾天气”。

雾霾，是雾和霾的组合词。雾其实是一种无毒无害的自然现象，大气中悬浮的水汽凝结，能见度低于1000米时，气象学便称其为雾。当空气容纳的水汽达到最大限度时，就出现饱和。如果水汽多于饱和量，多余的就会凝结出来，与空气中微小的灰尘颗粒结合，形成小水滴或冰晶，悬浮在近地面的空气层里，成为雾。气温愈低，空气中所能容纳的水汽也愈少，越容易形成雾霾。雾霾常常相伴而生，雾霾同时出现，水汽、静风、逆温、凝结核等条件缺一不可。

雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。高密度人口的经济及社会活动必然会排放大量细颗粒物，一旦排放超过大气循环能力和承载度，细颗粒物浓度将持续积聚，此时如果受静稳天气等影响，极易出现大范围的雾霾。

在雾霾天气中，PM2.5是罪魁，主要来源有多个：一是汽车尾气，近年来，城市的汽车越来越多，排放的汽车尾气量也越来越多，对城市中PM2.5的“贡献”占到60％左右；二是道路扬尘和建筑施工扬尘，占PM2.5来源的20％左右；三是工厂制造出的二次污染；四是冬季取暖时燃烧煤炭低空排放的污染物；五是生物质的燃烧以及垃圾焚烧产生的烟尘。

雾霾中含有大量对人体有害的细颗粒、有毒物质，长期吸入会严重影响人体健康，具体表现为：

(1)影响呼吸系统健康：

霾的组成成分非常复杂,包括数百种大气化学颗粒物质。其中，有害健康的主要是直径小于10微米的气溶胶粒子，如矿物颗粒物、海盐、硫酸盐、硝酸盐、有机气溶胶粒子、燃料和汽车废气等，它能直接进入并粘附在人体呼吸道和肺泡中。尤其是亚微米粒子会分别沉积于上、下呼吸道和肺泡中，引起急性鼻炎和急性支气管炎等病症。对于支气管哮喘、慢性支气管炎、阻塞性肺气肿和慢性阻塞性肺疾病等慢性呼吸系统疾病患者，雾霾天气可使病情急性发作或急性加重。如果长期处于这种环境还会诱发肺癌。

(2)影响心血管系统健康：

雾霾天对人体心脑血管疾病的影响也很严重，会阻碍正常的血液循环，导致心血管病、高血压、冠心病、脑溢血，可能诱发心绞痛、心肌梗塞、心力衰竭等，使慢性支气管炎出现肺源性心脏病等。

另外，浓雾天气压比较低，人会产生一种烦躁的感觉，血压自然会有所增高。再一方面雾天往往气温较低，一些高血压、冠心病患者从温暖的室内突然走到寒冷的室外，血管热胀冷缩，也可使血压升高，导致中风、心肌梗死的发生。

(3)雾霾天气还可导致近地层紫外线的减弱，使空气中的传染性病菌的活性增强，传染病增多。

(4)不利于儿童成长：

由于雾天日照减少，儿童紫外线照射不足，体内维生素D生成不足，对钙的吸收大大减少，严重的会引起婴儿佝偻病、儿童生长减慢。

(5)影响心理健康：

专家指出，持续大雾天对人的心理和身体都有影响，从心理上说，大雾天会给人造成沉闷、压抑的感受，会刺激或者加剧心理抑郁的状态。此外，由于雾天光线较弱及导致的低气压，有些人在雾天会产生精神懒散、情绪低落的现象。

2013年11月5日，中国社会科学院、中国气象局联合发布的《气候变化绿皮书：应对气候变化报告(2013)》(以下简称“绿皮书”)指出，近50年来中国雾霾天气总体呈增加趋势。其中，雾日数呈明显减少，霾日数明显增加，且持续性霾过程增加显著。

雾霾天气现象会给气候、环境、健康、经济等方面造成显著的负面影响，例如引起城市大气酸雨、光化学烟雾现象，导致大气能见度下降，阻碍空中、水面和陆面交通；提高死亡率、使慢性病加剧、使呼吸系统及心脏系统疾病恶化，改变肺功能及结构、影响生殖能力、改变人体的免疫结构等。

2013年，“雾霾”成为年度关键词。这一年的1月，4次雾霾过程笼罩30个省(区、市)，在北京，仅有5天不是雾霾天。有报告显示，中国最大的500个城市中，只有不到1％的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。

2014年，国家减灾办、民政部首次将危害健康的雾霾天气纳入2013年自然灾情进行通报。

目前的技术，仅了解到雾霾的形成原理，但对雾霾的形成过程、雾霾形成的具体条件、雾霾随天气条件的变化趋势等了解甚少，很多研究工作难以展开。

现有的雾模拟装置大多是使用加湿器或其他雾化装置，直接向试验空间内输送水蒸气颗粒，与自然界的雾形成条件相去甚远，难以用于对雾霾的形成及演化研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雾霾模拟装置，能够根据设定的条件，在不同的温度、湿度条件下，模拟不同粒径的凝结核形成雾霾的过程及雾霾演化的过程。

本发明提供的雾霾模拟装置，包括：

壳体；

设置在壳体内的冷辐射装置；所述冷辐射装置与壳体间形成试验空间；

与所述试验空间连通的气溶胶发生器；

与所述试验空间连通的加湿器。

进一步的，所述雾霾模拟装置还包括：设置在所述壳体侧壁上的多个喷雾头；所述喷雾头分别与所述气溶胶发生器的输出端、所述加湿器的输出端连接。

采用喷雾头结构，可以将气溶胶颗粒和水蒸气颗粒快速大范围的喷出，使其尽快的覆盖到整个试验空间。

进一步的，所述雾霾模拟装置还包括：设置在所述试验空间内的湿度计、温度计。

进一步的，所述雾霾模拟装置还包括：与所述湿度计、温度计、冷辐射装置、气溶胶发生器及加湿器连接的控制器。

通过控制器可以随时查看试验空间的湿度和温度，然后根据需要调节冷辐射装置的温度、气溶胶发生器产生的气溶胶粒径、气溶胶发生器的输出量以及加湿器的输出量。

进一步的，所述冷辐射装置包括冷辐射板及在所述冷辐射板内表面流动的冷媒。

采用冷辐射板的制冷形式，而不是直接吹入冷空气或让制冷元件直接与空气接触，避免了试验空间内温度不均匀的问题，更准确的模拟了自然界的雾形成条件。

进一步的，所述冷媒为由制冷设备提供的冷空气。

进一步的，所述雾霾模拟装置还包括：密集布置在冷辐射板内表面的制冷管，所述制冷管与制冷设备连接，冷媒为液态或气态，在制冷管及制冷设备之间循环流动。

进一步的，所述冷辐射装置设置于壳体的底部或顶部，或同时设置于壳体的底部和顶部，可以从更多角度模拟雾的形成过程，为试验提供方便。

进一步的，所述气溶胶发生器为震动孔单分散气溶胶发生器。

震动孔单分散气溶胶发生器是一种高精度的单分布气溶胶发生器，能在1～200μm范围内产生具有一模一样(尺寸、外形、密度和表面特征)的固体或液体气溶胶。震动孔单分散气溶胶发生器的典型应用包括：产生已知粒径的微米级粒子，原材料可以是任何能够与挥发性溶剂形成溶液的物质；与气溶胶研究和健康效应研究相关的气溶胶的传输、沉降、收集、荷电和扩散研究；光学粒子计数器、粒子筛分、分级碰撞器、旋风除尘器和碰撞器的校核；箱式过滤器、旋风除尘器、湿式除尘器和静电除尘设备的开发和测试等。

进一步的，所述壳体采用透明材料制备，如玻璃、玻璃钢、硬质塑料凳，方便试验观察和记录。

本发明的有益效果为：

所述雾霾模拟装置可以更真实的模拟自然界雾的形成过程，并在可控条件下模拟各种雾霾现象，可用于雾霾的相关形成研究，以及雾霾对环境影响的研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的雾霾模拟装置的结构示意图；

图2为冷辐射板及制冷管的结构示意图。

附图标记：

1-壳体； 2-冷辐射板； 3-制冷管；

4-制冷器； 5-气溶胶发生器； 6-加湿器；

7-喷雾头； 8-湿度计； 9-温度计；

10-控制器； 11-气溶胶输送管道；

12-制冷介质循环管道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的雾霾模拟装置的结构示意图；如图1所示，本发明提供的雾霾模拟装置，包括：壳体1、冷辐射板2、制冷管3、制冷器4、气溶胶发生器5、加湿器6、喷雾头7、湿度计8、温度计9、控制器10、气溶胶输送管道11及制冷介质循环管道12。

壳体1的底部和顶部分别布置一个冷辐射板2，两块冷辐射板2之间的壳体空间构成试验空间；在冷辐射板2背向试验空间的一侧表面，设置盘绕成多U形管道的制冷管3。所述制冷管3通过制冷介质循环管道12与制冷器4连接，构成循环系统。

在试验空间的侧壁上设置多个喷雾头7，各喷雾头7分别与气溶胶发生器5、加湿器6连接。

气溶胶发生器5的喷雾头7与加湿器6的喷雾头7可以位于试验空间的同侧壁面上，可以较快的使二者结合；也可以分开设置与相对的壁面上，使气溶胶与水蒸气在试验空间的中部结合，方便观察雾霾的形成过程。

气溶胶发生器5选用震动孔单分散气溶胶发生器，能在1～200μm范围内产生具有一模一样(尺寸、外形、密度和表面特征)的固体或液体气溶胶。其原材料可以是任何能够与挥发性溶剂形成溶液的物质，如油性物质或能溶于水或酒精的固体，粒子种类多样，能够满足模拟自然界雾霾的需要。

在所述试验空间内设置湿度计8、温度计9，并设置与所述湿度计8、温度计9、制冷器4、气溶胶发生器5及加湿器6连接的控制器10。通过控制器10可以随时查看试验空间的湿度和温度，然后根据需要调节试验空间的温度、气溶胶发生器5产生的气溶胶粒径、气溶胶发生器5的输出量以及加湿器6的输出量。

壳体1采用透明材料制备，如玻璃、玻璃钢、硬质塑料凳，方便试验观察和记录。

使用本发明所述的雾霾模拟装置进行模拟试验的过程如下:

(1)开启并调节加湿器6，保证密封的试验空间内的湿度达到较高湿度(一般80％以上)，以造成成雾的基本调节；开启并调节气溶胶发生器5，产生成雾的凝结核；

(2)开启制冷器4，利用冷辐射板2，降低空气的温度，随着温度的降低，空气的相对湿度增大，至凝结成雾。整个过程模拟了自然界形成辐射雾的条件，产生辐射雾，形成的雾霾与自然情况一致性高。

(3)通过控制器10检测试验空间内的湿度、温度等情况，并适时调节温度、湿度、气溶胶粒度等参数，观察并记录各种情况下的雾霾形成情况。

在本发明的其他实施案例中，可以根据需要设置冷辐射板的位置，如仅设置在试验空间的底部或顶部，或者将冷辐射板设置在试验空间的侧壁位置，使其尽可能的符合实际的自然条件。

除了采用制冷管进行制冷外，也可以向冷辐射板的背面空间内吹入冷气，达到冷辐射的效果。

除了本发明给出的震动孔单分散气溶胶发生器外，也可以根据模拟需求，选用其他种类或型号的气溶胶发生装置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种雾霾模拟装置，其特征在于，包括：

壳体；

设置在壳体内的冷辐射装置；所述冷辐射装置与壳体间形成试验空间；所述冷辐射装置包括冷辐射板及在所述冷辐射板内表面流动的冷媒；

与所述试验空间连通的气溶胶发生器；

与所述试验空间连通的加湿器。

2.根据权利要求1所述的雾霾模拟装置，其特征在于，还包括：设置在所述壳体侧壁上的多个喷雾头；所述喷雾头分别与所述气溶胶发生器的输出端、所述加湿器的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的雾霾模拟装置，其特征在于，还包括：设置在所述试验空间内的湿度计、温度计。

4.根据权利要求3所述的雾霾模拟装置，其特征在于，还包括：与所述湿度计、温度计、冷辐射装置、气溶胶发生器及加湿器连接的控制器。

5.根据权利要求1所述的雾霾模拟装置，其特征在于，所述冷媒为由制冷设备提供的冷空气。

6.根据权利要求1所述的雾霾模拟装置，其特征在于，还包括：密集布置在冷辐射板内表面的制冷管，所述制冷管与制冷设备连接，冷媒为液态或气态，在制冷管及制冷设备之间循环流动。

7.根据权利要求1-6任一所述的雾霾模拟装置，其特征在于，所述冷辐射装置设置于壳体的底部或顶部，或同时设置于壳体的底部和顶部。

8.根据权利要求1所述的雾霾模拟装置，其特征在于，所述气溶胶发生器为震动孔单分散气溶胶发生器。

9.根据权利要求1所述的雾霾模拟装置，其特征在于，所述壳体采用透明材料制备。