室内PM2.5时空分布规律及监测数据修正方法研究

摘要

2013年，“雾霾”成为年度关键词，其主要成分为细颗粒物（PM2.5），即可以进入人体肺部的空气动力学直径小于2.5微米的颗粒物质。室内PM2.5质量浓度是影响室内空气质量(IAQ)的重要因素之一，如何正确监测室内PM2.5是一个亟待讨论和解决的问题。目前，一般采用抽样检测的方法来确定室内PM2.5浓度，相关标准要求室内PM2.5的采样时间至少为8小时，采样检测的方法需要花费较长时间，导致HVAC系统不能实时响应，因此实时监测是必然的选择。但是，目前对于监测点位置的选择还没有科学合理的统一规定。室内环境监测是一个长期的行为，与室内人员活动紧密结合在一起，不能像采样检测一样，在室内呼吸区高度均匀布置多个测点，而应在不影响人员活动的壁面、天花板等处布置少量测点。因此，非常有必要对室内PM2.5监测点位以及监测值进行优化。本文将针对建筑室内环境，结合实验研究和CFD数值模拟，通过分析室内PM2.5时空分布特征，找出壁面监测点处的监测数据与呼吸区浓度水平的关系。　　本文首先对国内外关于室内PM2.5浓度检测与监测的标准、规范进行了归纳，分析现有方法在实际应用中的问题和不足，同时针对室内PM2.5扩散和分布的相关研究进行了文献综述。　　其次，利用CFD数值模拟，结合正交试验设计方法，讨论了气流组织形式、房间长宽比、房间面积、污染源强度、污染源位置、换气次数这六种因素对室内PM2.5质量浓度分布均匀性的影响，研究发现气流组织形式是影响室内PM2.5分布的最关键因素，进而选择上送上回、上送下回、置换通风和地板送风四种气流组织模式作为首要因素进行实验分析。　　然后，本文基于通风房间PM2.5质量守恒方程，通过实验研究，求出实验环境下污染源中PM2.5散发速率和找到呼吸区PM2.5质量浓度均值与送风PM2.5浓度的关系（趋向于幂函数的关系），预测出上送上回、上送下回和地板送风工况下呼吸区PM2.5质量浓度C随时间t的扩散和衰减规律。扩散方程基本形式为C=t(αtβ+γt+δ)+ε，衰减方程基本形式为C=(a+e?b(ε+λt))1/b。　　最后，以实验室监测数据为主体并结合实际室内环境的监测情况，得到了侧墙12个监测点的修正方程以及修正系数的大小。其中，各气流组织下监测点PM2.5质量浓度C监测区与呼吸区C呼吸区均值均呈线性关系，修正方程为C呼吸区=β2C监测区+α2。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 颗粒物检测与监测标准

1.3 国内外研究现状

1.3.1 影响室内 PM2.5浓度分布的因素研究

1.3.2 关于室内 PM2.5CFD的模拟研究

1.3.3 室内 PM2.5 分布特性的研究

1.3.4 国内外空气质量监测点优化布置研究

1.4 技术路线

2 颗粒物扩散动力学理论

2.1.1 颗粒的运动方程

2.1.2 颗粒的湍流扩散

2.2.1 室内颗粒物模拟方法

2.2.2 连续相控制方程

2.2.3 颗粒物 CFD求解过程

2.3 本章小结

3 室内PM2.5 浓度分布影响因素模拟研究

3.1.1 物理模型及边界条件

3.1.2 网格划分及网格数量无关性检验

3.1.3 CFD数值模拟验证

3.2.1 影响室内 PM2.5分布的因素分析

3.2.2 正交试验设计

3.2.3 正交试验结果分析

3.3 本章小结

4 气流组织对PM2.5 时空分布影响的实验研究

4.1.1 实验对象

4.1.2 PM2.5传感器监测点的布置

4.2.1 实验工况安排

4.2.2 实验步骤

4.3.1 实验设备

4.3.2 PM2.5传感器误差分析

4.4 实验结果与分析

4.4.1 实验房间 PM2.5沉降系数与污染源散发速率的确定

4.4.2 不同气流组对室内 PM2.5去除效果分析

4.4.3 不同气流组织和污染源位置下室内 PM2.5 的时空分布特性

4.4.4 空调工况有源条件下呼吸区 PM2.5浓度变化规律分析

4.5 本章小结

5 室内PM2.5 监测数据修正方法研究

5.1 实验房间室内 PM2.5 监测点位优化

5.1.1 上送上回气流组织下修正方法

5.1.2 上送下回气流组织下修正方法

5.1.3 置换通风气流组织下修正方法

5.1.4 地板通风气流组织下修正方法

5.2 四种气流组织实验工况修正方程汇总

5.3 实际办公房间 PM2.5 监测点位优化方案

5.3.1 修正方法在风机盘管系统下的验证

5.3.2 室内 PM2.5 监测数据修正在实际办公房间不同工况的扩展

5.3.3 实际办公环境实验验证结论

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的主要项目

C. 作者在攻读硕士学位期间参与的专利

D. 学位论文数据集

致谢