CN109991146B - 一种测量房间颗粒物渗透系数的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，包括：第一检测装置、第二检测装置以及与第一检测装置和第二检测装置相连接的处理器；第一检测装置放置于房间内；第二检测装置放置于房间内；处理器用于接受房间内颗粒物浓度数据Cin、房间外颗粒物浓度数据Cout以及房间的空气体积数据V，并根据房间内颗粒物浓度数据Cin、房间外颗粒物浓度数据Cout以及房间的空气体积数据V，通过公式进行计算处理得到颗粒物渗透系数p；该测量房间颗粒物渗透系数的系统，通过直接检测房间内外颗粒物浓度以及房间内CO2浓度，然后经过计算得到房间颗粒物渗透系数，简化检测方法，使得检测过程更加便利且检测结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及颗粒物室内外渗透系数检测的技术领域，具体涉及一种测量房间颗粒物渗透系数的系统。
背景技术
大量流行病学研究结果表明，颗粒物的暴露可导致人群呼吸系统和心血管系统疾病的发病率及死亡率显著升高。因此，有必要对室内外颗粒物浓度，尤其是PM2.5浓度关系进行定量研究，以提高流行病学研究中人群PM2.5暴露评估结果的准确性。
目前用来反映室内外颗粒物浓度关系的参数包括渗透系数，渗透系数指由室外进入室内并保持悬浮状态的颗粒物浓度与室外颗粒物浓度的比值。其中渗透系数不受室内污染源的影响，并且仅关注进入室内并保持悬浮状态的颗粒物，与健康关系最为密切，在流行病学研究中最具应用价值。
现有技术中，没有一种可以测量房间颗粒物渗透系数的系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
本发明提供一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，包括：
第一检测装置、第二检测装置以及与所述第一检测装置和所述第二检测装置相连接的处理器；
所述第一检测装置放置于所述房间内，用于检测并持续记录所述房间内颗粒物浓度数据Cin，并在记录时将所述房间内颗粒物浓度数据Cin发送至所述处理器；
所述第二检测装置放置于所述房间内，用于检测并持续记录所述房间外颗粒物浓度数据Cout，并在记录时将所述房间外颗粒物浓度数据Cout发送至所述处理器；
所述处理器用于接受所述房间内颗粒物浓度数据Cin、所述房间外颗粒物浓度数据Cout以及所述房间的空气体积数据V，并根据所述房间内颗粒物浓度数据Cin、所述房间外颗粒物浓度数据Cout以及所述房间的空气体积数据V，通过公式Ⅰ进行计算处理得到颗粒物渗透系数p；
其中，公式Ⅰ如下：
其中，所述系统还包括：空气净化器，用于在测量开始后以净化风量为Qc的速度净化所述房间内的颗粒物。
在一些实施方式中，系统还包括第一箱体、第一风机、第二箱体以及第二风机，所述第一箱体放置于所述房间内，所述第一箱体通过第一隔板分为第一上箱体和第一下箱体，所述第一上箱体顶部设有第一进风口和第一出风口，所述第一风机设于所述第一上箱体的上内壁，所述第一检测装置包括第一PM2.5传感器、第一数据采集模块以及第一无线传输模块，所述第一数据采集模块与所述第一PM2.5传感器通信连接，所述第一无线传输模块、所述第一数据采集模块均与所述处理器通信连接，所述第一PM2.5传感器设于所述第一隔板上，所述第一数据采集模块和第一无线传输模块设于所述第一下箱体的底部；
所以第二箱体放置于所述房间外，所述第二箱体通过第二隔板分为第二上箱体和第二下箱体，所述第二上箱体顶部设有第二进风口和第二出风口，所述第二风机设于所述第二上箱体的上内壁，所述第二检测装置包括第二PM2.5传感器、第二数据采集模块以及第二无线传输模块，所述第二数据采集模块与所述第二PM2.5传感器通信连接，所述第二无线传输模块与所述第二数据采集模块通信连接，所述第二PM2.5传感器和第二无线传输模块设于所述第二隔板上，所述第二数据采集模块设于所述第二下箱体的底部；
所述第二无线传输模块和所述第一无线传输模块通信连接。
其中，第一PM2.5传感器的型号为PMS7003，所述第二PM2.5传感器的型号为PMS7003。
在一些实施方式中，还包括第三检测装置，所述第三检测装置放置于所述房间内，用于检测并持续记录所述房间内CO2浓度数据，并在记录时将所述房间内CO2浓度数据发送至所述处理器；
所述处理器用于接受所述房间内CO2浓度数据以及房间内CO2本底浓度CCO2，m，并根据所述房间内CO2浓度数据以及房间内CO2本底浓度CCO2，m，通过公式Ⅱ进行计算处理得到房间内新风量Q；
其中，公式Ⅱ如下：
其中，CCO2，0为房间内CO2初始测量浓度，CCO2，t为t时刻房间内CO2的测量浓度。其中，本底浓度CCO2，m为测量前房间内CO2的浓度。
在一些实施方式中，第三检测装置为CO2传感器，所述CO2传感器与所述第一数据采集模块通信连接，所述CO2传感器设于所述第一隔板上。
其中，CO2传感器的型号为CM1106。
在一些实施方式中，第一箱体外壁设有显示屏，所述显示屏与所述处理器通信连接。
在一些实施方式中，系统的测试周期为30-40分钟。使用CO2的浓度计算房间内的新风量的有效时间为30-40分钟。
有益效果：本发明实施例的一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，通过直接检测房间内外颗粒物浓度以及房间内CO2浓度，然后经过计算得到房间颗粒物渗透系数，简化检测方法，使得检测过程更加便利且检测结果更加准确。
附图说明
图1为本发明测量房间颗粒物渗透系数的方法一实施例的流程示意图；
图2为本发明测量房间颗粒物渗透系数的系统一实施例的结构示意图；
图3工况1下渗透系数计算结果；
图4工况2下渗透系数计算结果；
图5工况1下渗透系数计算结果误差线以及标准差；
图6工况2下渗透系数计算结果误差线以及标准差。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例只是用于更加清楚地说明本发明的性能，而不能仅局限于下面的实施例。
本发明实施例是在自然对流条件下，对房间颗粒物的渗透系数进行测量，其中自然对流是指指没有外界驱动力但流体依然存在运动的情况。
本发明实施例的颗粒物是指大气中的固体或液体颗粒状物质，当前已引起人们重视的颗粒物分为两类：PM2.5(细颗粒物)和PM10(可吸入颗粒物)，前者直径不超过2.5微米，是人类头发直径的1/60，后者则较粗大，本实施例及其他实施例中检测的颗粒物对象可以是PM2.5或PM10或其他颗粒物类型，在此不做过多限制。
参照图1，图1为本发明测量房间颗粒物渗透系数的方法一实施例的流程示意图，所述方法具体包括以下步骤：
S100获取所述房间的空气体积数据V，并测量房间内CO2本底浓度CCO2，m；
其中，房间的空气体积数据V为该房间的实际体积减去置于其中的物体(如设备、家具、座椅等)的体积数据；
S200检测并持续记录所述房间内的CO2的浓度；
S300根据所述体积数据V、房间内CO2本底浓度CCO2，m以及所述房间内的CO2的浓度，所述Q根据公式Ⅱ计算处理获得；
其中，公式Ⅱ如下：
其中，CCO2，0为房间内CO2初始测量浓度，CCO2，t为t时刻房间内CO2的测量浓度。其中，本底浓度CCO2，m为测量前房间内CO2的浓度。
其中，新风量是指从室外通过窗户门缝引入室内的新鲜空气，区别于室内回风，我国国家标准GB/T18883-2002规定，新风量不应小于30m3/h·人。而本实施例的室内新风量的求解，是通过CO2的衰减进行等效换算，具体方法如步骤S300。
S400检测并持续记录所述房间内的颗粒物的浓度Cin，检测并持续记录所述房间外的颗粒物浓度Cout；
S500根据所述体积数据V、所述房间内的颗粒物的浓度Cin以及房间外的颗粒物浓度Cout，根据公式Ⅰ进行计算处理得到颗粒物渗透系数p；
其中，公式Ⅰ如下：
其中，k为自然沉降系数，Q为房间内新风量，Qc为空气净化器的风量。
其中，V为空气体积(常数/m3)，C为室内颗粒污染物的浓度(mg/m3),t为测试时间(h)，p为颗粒物穿透系数(无量纲数)，Cout为室外颗粒污染物浓度(mg/m3)，Cin为室内颗粒污染物浓度(mg/m3)，Q为室内新风量(CAF,m3/h)，Qc为空气净化器的风量(m3/h)，k为房间的自然沉降率(无量纲数)。
其中，Qc为空气净化器的风量，即空气净化器用于在测量开始后以净化风量为Qc的速度净化所述房间内的颗粒物。
其中，文献相关的研究表明自然沉降率k主要受颗粒物自身、室内壁面以及室内环境风速等因素的影响。在自然对流下可近似认为室内风速很低，故而当建筑物的结构一定时,其所对应的沉降率k也应该是定值，一般民用建筑物的颗粒物自然沉降率k在0：0.5左右。
其中，系统的测试周期为30-40分钟。使用CO2的浓度计算房间内的新风量的有效时间为30-40分钟。
方法验证：
测量得到了房间本底浓度为600ppm，通过填充法我们设置房间初始测量浓度为1230ppm，每隔五分钟测量一次房间内二氧化碳的浓度，在30分钟后，我们测量得到房间的末了测量浓度为1180ppm。由此我们计算得知房间的换气率大致为0.167h-1，房间内的新风量大约为3.17m3。
在低工况(工况1)和高工况(工况2)下，进行计算，其中，低工况为空气净化器的风量(Qc＝106m3/h)，中档工况为空气净化器的风量(Qc＝158m3/h)。
根据公式(Ⅰ)，采用迭代和穷举的方法进行求解，由于颗粒物穿透系数是大于0的系数，为了合理研究的规律，我们剔除由于数据波动造成的计算结果中的数据，我们以的计算结果为例，最终的结果如图3与图4所示。
如图3、4所示，初始阶段由于自然沉降系数的取值不同，使得在渗透系数在初始计算阶段存在一定的波动，数据波动较大部分均为计算的过程量。实验趋于平衡后，可得到稳定的收敛量。由于房屋的结构已知，因而在固定工况下，房屋的颗粒物穿透系数应该是其固有属性，因此我们可以判断，收敛阶段计算得到的应该是有效的。
为了控制数据的随机误差，我们通过均值法处理收敛阶段的p，计算p的误差线以及标准差如图5与图6所示。
从图5与图6可知，在低工况下(Qc＝106m3/h)时，收敛阶段的颗粒物穿透系数的平均值为0.8084，标准差为0.0256，整体误差在0.05以内。在中档工况下(Qc＝158m3/h)时，收敛阶段的颗粒物穿透系数的平均值为0.9336，标准差为0.0112，整体误差在0.04以内。上述计算结果表明模型在收敛阶段整体波动以及计算偏差较小，结果较为稳定。
所查文献中给出了一般工程上对于颗粒污染物的计算经验公式：
上式中，Ci＝Cin(t＝0),Cf＝Cin(t＝∞)，a为换气次数。其中，换气次数a可通过式(Ⅱ)的变形求得，换气次数k可通过对式(Ⅲ)非线性回归求得。但对于式(Ⅳ)，本专利申请的实验是通过空气净化器对室内进行控制的，故而对于所测得的Cf，它将远小于理想自然对流情况下所测得的值。
在房屋结构以及大气环境相对固定的情况下，房间的换气率以及颗粒污染物的自然沉降率应该是常数，因此我们同样可以估计本专利申请实验的房屋在理想自然对流的情况下的颗粒物穿透系数。根据式(Ⅳ)，我们可计算得到在经验公式中两个实验工况下的颗粒污染物的穿透系数。将其结果与本方法建立模型的计算结果进行验证，相关的计算结果以及不确定度检验结果见表1。从表1可以看出，本方法所建模型计算出的结果与文献经验公式结果相差不大，在可接受范围内。
表1
但是，文献研究表明了，自然沉降系数k、易受室内风速、压差等因素的影响，这表明在非理想自然对流的工况下，自然沉降系数k具有很高的敏感性，表明了文献给出的一般经验公式在非常规工况下的计算鲁棒性较差，在本专利申请的实验工况中不适用。
因此在本专利申请建立的数学模型中，我们通过对系数k进行了约束，且随着室内颗粒污染物逐渐衰减至准静态平衡阶段，便有/>这意味着即使无法对k进行标定，但随着衰减曲线逐渐趋于平衡，颗粒污染物渗透系数的计算结果也将趋于收敛，自然沉降系数k的不稳定性无法对式(Ⅰ)的计算结果产生影响。
检验及计算结果如图5至图6所示。从图中可以看出本专利申请建立的方法的计算结果最后趋于收敛，且计算残差差别不大，可见，计算结果受自然沉降系数影响不大。
本专利申请基于室内颗粒污染物的衰减建立了颗粒物渗透系数的求解模型，通过计算，渗透系数在颗粒物衰减准静态平衡阶段会收敛至式(Ⅴ)：
式(Ⅴ)中新风量Q只与房间的换气系数有关，对一个确定的房间而言，在自然对流下换气次数是固定的常数，那么新风量Q也是固定的。对于方程(Ⅴ)而言，p只与Qc以及有关。这也意味着颗粒污染物的渗透系数p的测量结果与测量设备的工况以及大气环境有关，从另一个角度出发，本申请测量房间颗粒物渗透系数的方法可应用于一种测量颗粒物渗透系数的系统。
参照图2，图2为本发明测量房间颗粒物渗透系数的系统一实施例的流结构示意图。测量房间颗粒物渗透系数的系统放置于房间内，房间内外通过窗户缝隙300实现自然对流。
该系统包括：第一检测装置、第二检测装置以及与所述第一检测装置和所述第二检测装置相连接的处理器。
其该系统还包括：空气净化器，用于在测量开始后以净化风量为Qc的速度净化所述房间内的颗粒物。
具体的，该系统包括第一箱体100、第一风机130、第二箱体200以及第二风机230，所述第一箱体100放置于所述房间内，所述第一箱体100通过第一隔板分为第一上箱体和第一下箱体，所述第一上箱体顶部设有第一进风口110和第一出风口120，所述第一风机130设于所述第一上箱体的上内壁，所述第一检测装置包括第一PM2.5传感器150、第一数据采集模块160以及第一无线传输模块170，所述第一数据采集模块160与所述第一PM2.5传感器150通信连接，所述第一无线传输模块170、所述第一数据采集模块160均与所述处理器通信连接，所述第一PM2.5传感器设于所述第一隔板上，所述第一数据采集模块160和第一无线传输模块170设于所述第一下箱体的底部；
所以第二箱体200放置于所述房间外，所述第二箱体200通过第二隔板分为第二上箱体和第二下箱体，所述第二上箱体顶部设有第二进风口210和第二出风口220，所述第二风机230设于所述第二上箱体的上内壁，所述第二检测装置包括第二PM2.5传感器240、第二数据采集模块260以及第二无线传输模块250，所述第二数据采集模块260与所述第二PM2.5传感器240通信连接，所述第二无线传输模块250与所述第二数据采集模块260通信连接，所述第二PM2.5传感器240和第二无线传输模块250设于所述第二隔板上，所述第二数据采集模块260设于所述第二下箱体的底部；
所述第二无线传输模块250和所述第一无线传输模块170通信连接。
其中，第一PM2.5传感器的型号为PMS7003，所述第二PM2.5传感器的型号为PMS7003。
为测量新风量Q，还包括第三检测装置，所述第三检测装置为CO2传感器140，所述CO2传感器140与所述第一数据采集模块160通信连接，所述CO2传感器140设于所述第一隔板上。其中，CO2传感器的型号为CM1106。
为了更直观的显示结果，第一箱体100外壁设有显示屏180，所述显示屏180与所述处理器通信连接。
具体工作过程如下：
室外采集装置部分由第二PM2.5传感器240、第二无线传输模块250及基于STM32的第二数据采集模块260组成。控制第二风机230将室外空气经由第二进风口210进入采集装置，再从第二出风口220出来，第二PM2.5传感器240在此期间得到原始数据，第二数据采集模块260获取第二PM2.5传感器240的数据后进行相关处理得到室外PM2.5的含量，并通过第二无线传输模块250发送给室内的处理器。
室内采集装置由CO2传感器140、第一PM2.5传感器150、第一无线传输模块170、显示屏180、第一数据采集模块160及处理器组成。控制第一风机130将室内空气经由第一进风口110进入采集装置，再从第一出风口120出来，CO2传感器140、第一PM2.5传感器150在此期间得到原始数据，第一数据采集模块160获取上述传感器的数据后进行相关处理，得到室内的CO2及PM2.5的含量。第一数据采集模块160通过第一无线模块接收室内测量装置的数据，在液晶屏中实时显示采集的数据。
处理器得到室内室外相关参数后进行计算处理，得到颗粒物的渗透系数。
本发明实施例的一种测量房间颗粒物渗透系数的方法和系统，通过直接检测房间内外颗粒物浓度以及房间内CO2浓度，然后经过计算得到房间颗粒物渗透系数，简化检测方法，使得检测过程更加便利且检测结果更加准确。
以上表述仅为本发明的优选方式，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，其特征在于，包括：
第一检测装置、第二检测装置以及与所述第一检测装置和所述第二检测装置相连接的处理器；
所述第一检测装置放置于所述房间内，用于检测并持续记录所述房间内颗粒物浓度数据Cin，并在记录时将所述房间内颗粒物浓度数据Cin发送至所述处理器；
所述第二检测装置放置于所述房间内，用于检测并持续记录所述房间外颗粒物浓度数据Cout，并在记录时将所述房间外颗粒物浓度数据Cout发送至所述处理器；
所述处理器用于接受所述房间内颗粒物浓度数据Cin、所述房间外颗粒物浓度数据Cout以及所述房间的空气体积数据V，并根据所述房间内颗粒物浓度数据Cin、所述房间外颗粒物浓度数据Cout以及所述房间的空气体积数据V，通过公式Ⅰ进行计算处理得到颗粒物渗透系数p；
其中，公式Ⅰ如下：
其中，所述系统还包括：空气净化器，用于在测量开始后以净化风量为Qc的速度净化所述房间内的颗粒物；k为自然沉降系数，C为室内颗粒污染物的浓度，t为测试时间，Q为房间内新风量；
第二箱体（200）放置于所述房间外；室外采集装置部分由第二 PM2.5传感器（240）、第二无线传输模块（250）及基于STM32的第二数据采集模块（260）组成；控制第二风机（230）将室外空气经由第二进风口（210）进入采集装置，再从第二出风口（220）出来，第二PM2.5传感器（240）在此期间得到原始数据，第二数据采集模块（260）获取第二PM2.5 传感器（240）的数据后进行相关处理得到室外PM2.5的含量，并通过第二无线传输模块（250）发送给室内的处理器。
2.根据权利要求1所述的一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，其特征在于，所述系统还包括第一箱体、第一风机、第二箱体以及第二风机，所述第一箱体放置于所述房间内，所述第一箱体通过第一隔板分为第一上箱体和第一下箱体，所述第一上箱体顶部设有第一进风口和第一出风口，所述第一风机设于所述第一上箱体的上内壁，所述第一检测装置包括第一PM2.5传感器、第一数据采集模块以及第一无线传输模块，所述第一数据采集模块与所述第一PM2.5传感器通信连接，所述第一无线传输模块、所述第一数据采集模块均与所述处理器通信连接，所述第一PM2.5传感器设于所述第一隔板上，所述第一数据采集模块和第一无线传输模块设于所述第一下箱体的底部；
所以第二箱体放置于所述房间外，所述第二箱体通过第二隔板分为第二上箱体和第二下箱体，所述第二上箱体顶部设有第二进风口和第二出风口，所述第二风机设于所述第二上箱体的上内壁，所述第二检测装置包括第二PM2.5传感器、第二数据采集模块以及第二无线传输模块，所述第二数据采集模块与所述第二PM2.5传感器通信连接，所述第二无线传输模块与所述第二数据采集模块通信连接，所述第二PM2.5传感器和第二无线传输模块设于所述第二隔板上，所述第二数据采集模块设于所述第二下箱体的底部；
所述第二无线传输模块和所述第一无线传输模块通信连接。
3.根据权利要求2所述的一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，其特征在于，所述第一PM2.5传感器的型号为PMS7003，所述第二PM2.5传感器的型号为PMS7003。
4.根据权利要求2所述的一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，其特征在于，还包括第三检测装置，所述第三检测装置放置于所述房间内，用于检测并持续记录所述房间内CO2浓度数据，并在记录时将所述房间内CO2浓度数据发送至所述处理器；
所述处理器用于接受所述房间内CO2浓度数据以及房间内CO2本底浓度CCO2，m，并根据所述房间内CO2浓度数据以及房间内CO2本底浓度CCO2，m，通过公式Ⅱ进行计算处理得到房间内新风量Q；
其中，公式Ⅱ如下：
其中，CCO2，0为房间内CO2初始测量浓度， CCO2，t为t时刻房间内CO2的测量浓度，为房间内的本底浓度。
5.根据权利要求4所述的一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，其特征在于，所述第三检测装置为CO2传感器，所述CO2传感器与所述第一数据采集模块通信连接，所述CO2传感器设于所述第一隔板上。
6.根据权利要求5所述的一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，其特征在于，所述CO2传感器的型号为CM1106。
7.根据权利要求5所述的一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，其特征在于，所述第一箱体外壁设有显示屏，所述显示屏与所述处理器通信连接。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的一种测量房间颗粒物渗透系数的系统，其特征在于，所述系统的测试周期为30-40分钟。
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