CN106769796A - 一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置及其实验方法，属于大气颗粒物测试技术领域。该装置包含大小舱体、缝隙、发烟装置、气流混合系统、压差控制系统、颗粒物测试装置、温湿度控制器、过滤器。大小舱体分别用于模拟室内外环境，两者通过缝隙机构连接。发烟装置为气溶胶发生器，颗粒物采用ISO标准尘。压差控制器由真空泵、控制阀、微压计、流量计组成，可实现对缝隙两侧压差的精确控制。该装置可以实现在实验室环境中，模拟出多种条件（温湿度、压差、粒径、缝隙条件）下的颗粒物室内外穿透系数。在应用过程中，可根据具体要求对各种参数进行设定，得出相应条件下的穿透系数，具有简单易控制、多参数可变、节省人力物力等显著优点。

Description

一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置及其实验 方法

技术领域

本发明涉及一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置及其实验方法，属于大气颗粒物测试技术领域。

背景技术

近年来，我国大气颗粒物污染形势日趋严峻，颗粒物污染已为我国许多大中城市空气环境的首要污染物。现代社会中，人们大部分时间都在室内度过，室外颗粒物是室内颗粒物的一个重要来源，许多室外颗粒物污染源，如交通、工业和生活所产生的污染物，通过通风或围护结构的缝隙穿透进入到室内，导致室内环境污染，影响室内人员的健康。流行病学研究表明，无论是短期还是长期暴露于颗粒物中，均可能对人体多个系统造成不良影响。关于室内外污染物关系的研究表明，迁移进入室内环境的颗粒物质量浓度与室外大气悬浮颗粒物浓度处于同一数量级。因此可以认为，大气颗粒物是室内颗粒物的重要来源。所以研究大气颗粒物室内外穿透系数非常具有现实意义。

穿透系数表征颗粒物穿透建筑围护结构的能力，目前主要的研究方法有现场测试和实验舱测试。现场测试是以具体的建筑物或房间为对象，测试不具有普遍性，且受测试的环境参数影响很大，实验结果相差也很大，无法获知某些参数对穿透因子的影响。实验舱测试是在实验室条件下，对颗粒物室内外穿透系数进行测量。在测试过程中，涉及到的参数主要有缝隙两侧压差、缝隙尺寸、缝隙粗糙度、颗粒物粒径、温湿度等。实验开始之前，选择适当的缝隙尺寸及粗糙度，按照具体要求，对温湿度、缝隙两侧压差进行控制，待颗粒物释放完毕后进行结果测定。相较于现场测试，实验舱测定法的优点在于可在实验室中实现多种工况下的穿透系数测定，且各种条件可控、可根据实际要求组合变换，也可对某一具体参数对穿透系数的影响进行考察。目前国内已有研究者使用实验舱进行穿透系数的测定，但在实验过程中还存在以下不足：①颗粒物释放源的选择：部分实验者采用蚊香、香烟发射颗粒物，而蚊香、香烟释放的颗粒物中95%为超细颗粒物（d<100nm），1μm以上的颗粒物含量极少（<5%），与大气颗粒物粒径分布不符，故此类发射源不能准确的模拟大气颗粒物粒径分布。②缝隙两侧的压差只采用流量进行调节，不能实时的监测两侧的压差，故是否能达到预期的控制效果是未知的。③忽略温湿度对穿透系数的影响，不对温湿度条件进行控制。本实验装置针对上述问题进行设计及优化，能大大提高试验参数的可控性及准确性，弥补前人研究中的不足。

发明内容

为方便的在实验室中实现建筑物穿透系数的准确测量，本发明提供一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置及其实验方法，它耦合了影响穿透系数的所有参数（压差、缝隙条件、颗粒物粒径、温湿度等），在所有参数准确可控的基础上，实现各种工况下穿透系数的测定。

本发明采用的技术方案是：一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置，它包括大舱体、小舱体和缝隙机构，采用多个长螺钉把小舱体和缝隙机构固定在大舱体上，所述缝隙机构包含第一板（7a）、第二板和垫片，第一板和第二板粘连在小舱体上，与小舱体形成整体，缝隙位于第二板与垫片之间；所述大舱体顶端中央位置设有第一开口，第一开口通过软管与气溶胶发生器相连，在顶部中央位置悬挂颗粒物混合机构，在大舱体右侧面下方设有第二开口，第二开口通过软管与过滤器连接，在大舱体右侧面、缝隙机构高度处设有第三开口，软管的一端通过第三开口进入大舱体固定在缝隙前侧中央位置，另一端与第一颗粒物测试装置连接，大舱体正面设有与缝隙机构连接的长方形第四开口，颗粒物通过第四开口流入缝隙机构中的缝隙，温湿度控制器放置于大舱体底面中间位置；所述小舱体正面设有第五开口，第五开口通过软管与压差控制器连接， 所述压差控制器包含真空泵、流量计、控制阀和微压计，其中流量计、控制阀和真空泵依次通过软管连接，接头处用密封胶密封，小舱体侧面设有第六开口，软管的一端通过第六开口进入小舱体后固定在缝隙后侧中央位置，另一端与第二颗粒物测试装置连接，小舱体里侧设有与缝隙机构连接的长方形第七开口，微压计的两软管通过第八开口和第九开口分别固定在缝隙前、后侧中央位置。

所述的一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验方法采用下列步骤：

（a）打开颗粒物混合机构，加强大舱体内气流混合；

（b）对温湿度进行控制；打开温湿度控制器，设定实验温度值，当大舱体内空气温度小于设定值时，启动加热系统升温，反之启动降温系统降温；控制器的湿度调节区间为40-100%RH，梯度为5%RH，所以湿度设置范围为40-100%。当温湿度达到设定值，且温度波动值小于0.1℃，相对湿度波动值小于2%RH时，温湿度调节完成；

（c）缝隙两侧压差控制，压差控制是先通过流量调节，再通过微压计监测进行压差微调，直至达到设定值；缝隙两侧的压差区间为4-10Pa，选定压差后，真空泵工作，流量计测量抽取的气体流量，当流量大于设定流量时，关小控制阀开度，当流量小于设定流量时，调大控制阀开度，直至流量与设定值相同；微压计监测缝隙两侧压差，当缝隙两侧流量达到设定值，缝隙两侧压差便达到设定值，观察微压计读数，若压差为设定值，压差控制操作结束；

（d）温湿度、压差控制完成后，气溶胶发生器发射颗粒物，颗粒物在颗粒物混合机构作用下，迅速扩散，由于缝隙两侧压差的存在，颗粒物会通过缝隙由大舱体穿透进入小舱体；

（e）在颗粒物释放一段时间后，且在大舱体内混合均匀时，第一颗粒物测试装置、第二颗粒物测试装置同时打开测量缝隙两侧颗粒物浓度，每次采样时间至少1min，每次测量的结果取1min内颗粒物浓度的平均值。

本发明的有益效果是：

1、这种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置包含大小舱体、缝隙、发烟装置、气流混合系统、压差控制系统、颗粒物测试装置、温湿度控制器、过滤器，可以实现在实验室环境中，模拟出多种条件（温湿度、压差、粒径、缝隙条件）下的颗粒物室内外穿透系数。

2、大小舱体分别用于模拟室内外环境，两者通过缝隙机构连接，形象准确的模拟出颗粒物从室外环境中进入室内的穿透路径。

3、发烟装置为气溶胶发生器，颗粒物采用ISO标准尘，与大气可吸入颗粒物粒径吻合度较高。

4、压差控制器由真空泵、控制阀、微压计、流量计组成，可实现对缝隙两侧压差的精确控制。

5、在应用过程中，可根据具体要求对各种参数进行设定，得出相应条件下的穿透系数，具有简单易控制、多参数可变、节省人力物力等显著优点。

附图说明

图1是一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置的系统示意图。

图2是缝隙机构的结构图。

图中：1、大舱体，1a、第一开口，1b、第二开口，1c、第三开口，1d、第四开口，1e、第八开口，2、小舱体，2a、第五开口，2b、第六开口，2c、第七开口，2d、第九开口，3、气溶胶发生器，4、颗粒物混合机构，5、过滤器， 6、第一颗粒物测试装置，6a、第二颗粒物测试装置，7、缝隙机构，7a、第一板，7b、第二板，7c、垫片，7d、缝隙，8、温湿度控制器，9、真空泵，9a、流量计，9b、控制阀， 10、长螺钉，11、微压计。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的结构做进一步描述。

图1示出了一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置。图中,这种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置包括大舱体1、小舱体2和缝隙机构7，采用多个长螺钉10把小舱体2和缝隙机构7固定在大舱体1上。缝隙机构7包含第一板7a、第二板7b和垫片7c，第一板7a和第二板7b粘连在小舱体2上，与小舱体2形成整体，缝隙7d位于第二板7b与垫片7c之间。大舱体1顶端中央位置设有第一开口1a，第一开口1a通过软管与气溶胶发生器3相连，在顶部中央位置悬挂颗粒物混合机构4，在大舱体1右侧面下方设有第二开口1b，第二开口1b通过软管与过滤器5连接，在大舱体1右侧面、缝隙机构7高度处设有第三开口1c，软管的一端通过第三开口1c进入大舱体1固定在缝隙7d前侧中央位置，另一端与第一颗粒物测试装置6连接，大舱体1正面设有与缝隙机构7连接的长方形第四开口1d，颗粒物通过第四开口1d流入缝隙机构7中的缝隙7d，温湿度控制器8放置于大舱体1底面中间位置。小舱体2正面设有第五开口2a，第五开口2a通过软管与压差控制器连接。述压差控制器包含真空泵9、流量计9a、控制阀9b和微压计11，其中流量计9a、控制阀9b和真空泵9依次通过软管连接，接头处用密封胶密封，小舱体2侧面设有第六开口2b，软管的一端通过第六开口2b进入小舱体2后固定在缝隙7d后侧中央位置，另一端与第二颗粒物测试装置6a连接，小舱体2里侧设有与缝隙机构7连接的长方形第七开口2c，微压计11的两软管通过第八开口1e和第九开口2d分别固定在缝隙7d前、后侧中央位置。

一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验方法采用下列步骤：

（a）打开颗粒物混合机构4，加强大舱体1内气流混合；

（b）对温湿度进行控制；打开温湿度控制器8，当大舱体1内空气温度小于设定值时，启动加热系统升温，反之启动降温系统降温；湿度控制区间为40%-100%RH，梯度为5%RH的控制，当温湿度达到设定值，且温度波动值小于0.1℃，相对湿度设定值小于1%RH时，温湿度调节完成；

（c）缝隙两侧压差控制，压差控制是先通过流量调节，再通过微压计11监测进行压差微调，直至达到设定值；真空泵9工作，流量计9a测量抽取的气体流量，当流量大于设定流量时，关小控制阀9b开度，当流量小于设定流量时，调大控制阀9b开度，直至流量与设定值相同；微压计11监测缝隙两侧压差，当缝隙两侧流量达到设定值，缝隙两侧压差便达到设定值，观察微压计11读数，若压差为设定值，压差控制操作结束；

（d）温湿度、压差控制完成后，气溶胶发生器3发射颗粒物，颗粒物在颗粒物混合机构4作用下，迅速扩散，由于缝隙两侧压差的存在，颗粒物会通过缝隙7d由大舱体1穿透进入小舱体2；

（e）在颗粒物释放一段时间后，且在大舱体内混合均匀后，第一颗粒物测试装置6a、第二颗粒物测试装置6b同时打开，每次采样时间至少1min，每次测量的结果取1min内颗粒物浓度的平均值。

采用上述技术方案,大舱体连接发烟装置用于模拟室外大气环境，小舱体模拟室内环境，两者之间通过缝隙机构连接。气流混合装置安装在大舱体顶部中心位置，用于混合舱内颗粒物。压差控制器与小舱体一侧连接，开启后，通过抽气泵使两舱内气体流动。温湿度控制器位于大舱体中心位置。在一定的温湿度、缝隙条件下，发烟装置发射颗粒物，气流混合后，颗粒物测试装置开始检测缝隙两侧颗粒物质量浓度，进而得到穿透系数。

大舱体尺寸为长×宽×高=50cm×50cm×40cm，体积为0.1m3。该尺寸设计主要考虑两点因素：1、实验过程中，大舱体内的颗粒物需达到一定浓度才能进行实验，故相较于大空间，0.1m3大小的空间能使颗粒物快速达到规定浓度；2、在满足实验在该空间可操作的前提下，体积为0.1 m3能简化实验结果的计算。小舱体的尺寸为长×宽×高=25cm×4cm×10cm，体积为0.001m3，能满足便于计算及可操作性。舱体各面接缝处用专门的密封胶密封禁止漏气。

大舱体、小舱体通过缝隙机构连接，缝隙机构嵌入小舱体，与小舱体结合后通过长螺钉与大舱体连接，通过拆卸长螺钉实现缝隙的切换。缝隙可拆卸更换，实验可根据实际要求定制缝隙尺寸。缝隙材料采用铝合金、砖、混凝土、胶合板、红杉木、松木和刨花板等改变粗糙度。缝隙由上下两板及垫片组成，选定一定粗糙度的缝隙材料后，将长宽切割为规定尺寸后，塞入两板之间，缝隙高度通过改变垫片个数调节。垫片厚度分别为0.1mm，0.25mm，0.5mm，1mm等。

发烟装置采用气溶胶发生器及ISO标准尘（A1），该尘中PM10以下的颗粒物占97%以上，能极好的模拟大气中的可吸入颗粒物。大舱体顶部设有发烟口，与气溶胶发生器相连，标准尘通过气溶胶发生器均匀送入大舱体内。在颗粒物进入之前，打开位于大舱体顶部中央位置的气流混合装置，加速气流混合。

颗粒物混合机构位于大舱体顶部中央位置，作用主要是以下两点：1、在颗粒物进入之前打开，加速气流混合；2、颗粒物发射进入之后，使其快速、均匀的分布在大舱体内。

压差控制器由真空泵、控制阀、微压计、流量计组成。根据ASHER标准，室内外压差范围为4-10pa，故将缝隙两侧的压差控制在4-10pa。真空泵通过管道与小舱体连接，通过抽气使气体在舱内流动，流量计可显示流过缝隙两侧流量值。微压计可测量缝隙两侧的压差，当压差偏离设定值时，通过调节控制阀，改变真空泵流量，使压差达到设定值。

颗粒物测试装置采二台TSI颗粒物计数器，分别用于测试缝隙两侧的颗粒物浓度。温湿度控制器用于控制实验过程中的温湿度，将舱内温湿度控制在设定值后，方可进行试验。一组实验做完后，改变温湿度，稳定后方可进行下一组测试。

过滤器用于过滤大舱体进气口进入的空气内的可吸入颗粒物，保证气溶胶发生器为唯一的颗粒物发生源。

Claims (2)

1.一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验装置，它包括大舱体（1）、小舱体（2）和缝隙机构（7），采用多个长螺钉（10）把小舱体（2）和缝隙机构（7）固定在大舱体（1）上，其特征在于：所述缝隙机构（7）包含第一板（7a）、第二板（7b）和垫片（7c），第一板（7a）和第二板（7b）粘连在小舱体（2）上，与小舱体（2）形成整体，缝隙（7d）位于第二板（7b）与垫片（7c）之间；所述大舱体（1）顶端中央位置设有第一开口（1a），第一开口（1a）通过软管与气溶胶发生器（3）相连，在顶部中央位置悬挂颗粒物混合机构（4），在大舱体（1）右侧面下方设有第二开口（1b），第二开口（1b）通过软管与过滤器（5）连接，在大舱体（1）右侧面、缝隙机构（7）高度处设有第三开口（1c），软管的一端通过第三开口（1c）进入大舱体（1）固定在缝隙（7d）前侧中央位置，另一端与第一颗粒物测试装置（6）连接，大舱体（1）正面设有与缝隙机构（7）连接的长方形第四开口（1d），颗粒物通过第四开口（1d）流入缝隙机构（7）中的缝隙（7d），温湿度控制器（8）放置于大舱体（1）底面中间位置；所述小舱体（2）正面设有第五开口（2a），第五开口（2a）通过软管与压差控制器连接， 所述压差控制器包含真空泵（9）、流量计（9a）、控制阀（9b）和微压计（11），其中流量计（9a）、控制阀（9b）和真空泵（9）依次通过软管连接，接头处用密封胶密封，小舱体（2）侧面设有第六开口（2b），软管的一端通过第六开口（2b）进入小舱体（2）后固定在缝隙（7d）后侧中央位置，另一端与第二颗粒物测试装置（6a）连接，小舱体（2）里侧设有与缝隙机构（7）连接的长方形第七开口（2c），微压计（11）的两软管通过第八开口（1e）和第九开口（2d）分别固定在缝隙（7d）前、后侧中央位置。

2.根据权利要求1所述的一种测量大气颗粒物室内外穿透系数的实验方法，其特征是：采用下列步骤：

（a）打开颗粒物混合机构（4），加强大舱体（1）内气流混合；

（b）对温湿度进行控制；打开温湿度控制器（8），设定实验温度值，当大舱体（1）内空气温度小于设定值时，启动加热系统升温，反之启动降温系统降温；控制器的湿度调节区间为40-100%RH，梯度为5%RH，所以湿度设置范围为40-100%，当温湿度达到设定值，且温度波动值小于0.1℃，相对湿度波动值小于2%RH时，温湿度调节完成；

（c）缝隙两侧压差控制，压差控制是先通过流量调节，再通过微压计（11）监测进行压差微调，直至达到设定值；缝隙两侧的压差区间为4-10Pa，选定压差后，真空泵（9）工作，流量计（9a）测量抽取的气体流量，当流量大于设定流量时，关小控制阀（9b）开度，当流量小于设定流量时，调大控制阀（9b）开度，直至流量与设定值相同；微压计（11）监测缝隙两侧压差，当缝隙两侧流量达到设定值，缝隙两侧压差便达到设定值，观察微压计（11）读数，若压差为设定值，压差控制操作结束；

（d）温湿度、压差控制完成后，气溶胶发生器（3）发射颗粒物，颗粒物在颗粒物混合机构（3）作用下，迅速扩散，由于缝隙两侧压差的存在，颗粒物会通过缝隙（7d）由大舱体（1）穿透进入小舱体（2）；

（e）在颗粒物释放一段时间后，且在大舱体（1）内混合均匀时，第一颗粒物测试装置（6a）、第二颗粒物测试装置（6b）同时打开，测量缝隙（7d）两侧颗粒物浓度，每次采样时间至少1min，每次测量的结果取1min内颗粒物浓度的平均值。