清华硕士论文开题-室外可吸入颗粒物对室内环境的影响及其控制.ppt

,2010. 06. 04.,室外可吸入颗粒物对室内环境的影响及其控制,清华大学工学硕士研究生开题答辩,研究生： 陈 淳 导师： 赵 彬 副教授,主要内容,1、 研究背景 2、 文献综述&提出问题 3、 内容初探 4、 研究计划,室外颗粒对室内环境影响的重要性,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,美国环保署(EPA)：现代人85-90%的时间在室内度过。,哈佛大学公共卫生学院在the Lancet上发表的研究成果表明，按我国目前的大气可吸入颗粒污染计算，在2003-2033年间，我国将有6千5百万人死于慢性肺病，1千8百万人死于肺癌。,室外可吸入颗粒物对室内环境的影响极其重要！,1. 室外颗粒物对人员健康的影响,（综述文献数：24）,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,问题 1： 室外颗粒物对室内人员的健康影响？,当前流行病学研究的弊端： 只研究室外颗粒物浓度与死亡率的关系。 然而，人们大部分时间生活在室内； 并且，室内环境是可控的，是我们关注的重点； 因此，需要定量化描述人员暴露于从室外进入室内的颗粒物的健康效应！,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,2. 室内、外颗粒物浓度的关系,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,2. 室内、外颗粒物浓度的关系,评价指标1：室内外颗粒浓度比 （I/O ratio）,优点：直观易懂 缺点：无法摒除室内颗粒物源的影响,（综述文献数：63）,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,2. 室内、外颗粒物浓度的关系,评价指标2：渗透系数 （Infiltration factor）,（综述文献数：17）,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,表征：从室外进入室内并且悬浮在空中的颗粒物 特点：实际测量可以得到的重要参数,2. 室内、外颗粒物浓度的关系,评价指标3：穿透系数 （Penetration factor）,（综述文献数：9）,表征：从室外进入室内的颗粒物,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,穿透系数最能反应颗粒物穿过建筑物围护结构缝隙的过程和机理，可用于研究各种因素的影响，并且用于建立理论模型,2. 室内、外颗粒物浓度的关系,计算模型：穿透系数 （Penetration factor）,（综述文献数：12）,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,这些穿透系数计算模型都较为简单，可以用于实际工程的设计计算，但是它们都忽略了一些影响因素(沿程分布)，精度上尚不能保证,2. 室内、外颗粒物浓度的关系,小结 I/O比: 优点：直观易懂 缺点：无法摒除室内颗粒物源的影响 渗透系数: 表征：从室外进入室内并且悬浮在空中的颗粒物 特点：实际测量可以得到的重要参数 穿透系数： 穿透系数最能反应颗粒物穿过建筑物围护结构缝隙的过程和机理，可用于研究各种因素的影响，并且用于建立理论模型 穿透系数模型: 当前穿透系数计算模型都较为简单，可以用于实际工程的设计计算，但是它们都忽略了一些影响因素，精度上尚不能保证,（综述文献数：12）,Chen. C., Zhao. B*. Relationship between indoor and outdoor particles: a review. Submitted to Indoor Air.,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,问题 2： 如何确定室外颗粒物进入室内的量？（渗透）,关键参数：穿透系数！,哪种穿透系数计算模型既具有较高的精度又较为简单、适合于工程应用？ 这些穿透系数的计算模型如何应用于实际的设计（如净化器、过滤器选型）？,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,3. 室外颗粒物进入室内环境的控制方法,方法1：维持室内正压（正压控制法） ASHRAE Standard 62.1 建议建筑维持正压； CDC建议在医院保护性环境下使用维持正压的方法； Sapkota et al. (2005) 特别指出在收费站使用正压控制法可以有效减少室外颗粒进入； 在韩国，对于普通住宅强制要求安装机械通风系统以维持室内正压。 方法2：允许室外颗粒物进入室内，使用净化器或者带过滤的循环通风系统（过滤净化法）,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,问题 3： 当前的控制方法效果如何？效率如何？,效果： 正压控制方法在什么条件下能够有效防止室外颗粒物进入室内？ 效率： 正压控制和过滤净化，哪种控制方法的效率更高、更节能？,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,总体思路,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,1. 室外颗粒物对室内人员的健康影响,研究思路： 结合流行病学和建筑技术科学,Example：,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,1. 室外颗粒物对室内人员的健康影响,结论1.1： 室外PM10每上升10ug/m3会导致室内人员的死亡率上升0.25%至1.02%。室外PM2.5每上升10ug/m3会导致室内人员的死亡率上升0.35%至2.06%。,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,1. 室外颗粒物对室内人员的健康影响,结论1.2： 室外可吸入颗粒物对人员健康的影响主要发生在室内。,Chen. C., Zhao. B*., Yang. X.D., Baumgartner. J. Estimating the adverse health effects of indoor exposure to particles of outdoor origin. Submitted to the Lancet.,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,2. 穿透系数理论模型研究,关键点：穿透系数模型的确定 研究思路：提出细化模型，通过对比分析确定既准确又简单的计算模型,提出三种细化模型：,1、半解析模型,2、欧拉模型,3、拉格朗日模型,4、Liu & Nazaroff模型,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,除了拉格朗日模型以外，其他各个模型都能较好的符合实验数据。,拉格朗日法： 布朗扩散力模型缺陷？ 模型本身的缺陷？,2. 穿透系数理论模型研究,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,结论2： 拉格朗日法不适用于小颗粒的计算，Liu & Nazaroff的计算方法既有较高的精度又最为简单，适合工程应用。,并非布朗扩散力模型的缺陷，而是拉格朗日模型本身的缺陷。,Zhao. B*., Chen. C., Yang, X.Y.; Lai, A.C.K. Comparison of three approaches to model particle penetration coefficient through a single straight crack in a building envelope. Aerosol Science and Technology. 2010, 44, 405-416.,2. 穿透系数理论模型研究,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,设计计算方法： 实际工程中已知参数：室外风向、风速；建筑物布局；室内外温度；门窗大小及类型；室外颗粒物粒径分布及浓度。,关键点：实际工程如何应用,3. 确定室外颗粒物进入室内的量（渗透）,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,确定室外颗粒物进入室内的量（渗透）,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,关键点1：正压控制法在什么条件下适用？,实验研究：根据传统观点，室内空气只能从门流出，因此室内为正压环境。,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,实验现象：当门开度较大时，“正压”系统无法抵御室外颗粒物的入侵。,10Hz,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,实验现象：烟气从室外释放，但仍然可以在“室内正压”条件下进入室内，在门处存在着双向流动。,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,可能原因：温差引起的热压作用导致双向流动？,4. 控制方法研究,各组实验中，室内外都存在温差,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,理论模型： 耦合双向流动的多区网络模型,模型验证：,对于完全开启的门(大开口)，阻力系数为0.78 (Weber and Kearney, 1980),实验与计算之间的相对误差为： 9.97.3%.,由于温差引起双向流动的猜想得以验证。,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,绝对正压温差阈值： 开启90度: 0.1 for 205m3/h, 0.5 for 419m3/h, 1.7 for 788m3/h, 3.0 for 1055m3/h. 开启30度: 0.1 for 205m3/h, 0.7 for 419m3/h, 2.2 for 788m3/h, 4.0 for 1055m3/h.,结论4.1 若开口面积较大时，由于热压作用的影响，正压控制系统难以抵御室外颗粒物的入侵。,Chen. C., Zhao. B*., Yang, X.D. Can mechanical ventilation maintain positive pressure indoors for preventing the entry of outdoor airborne particles? Part I: Experimental study and model validation. Submitted to Environmental Science and Technology.,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,进一步验证：若开口面积较大，由于热压作用的存在，正压控制系统难以抵御室外颗粒的入侵。,案例分析：香港8A病房SARS传播,为何SARS病毒仍然可以进入“正压”房间？,Based on the results of CFD simulation, Li et al. (2005) claimed that “Although the air temperature was rather uniformly distributed in the ward, the distribution of the bio-aerosols was not”.,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,结论4.2 8A病房SARS传播的案例再一次验证了：若开口面积较大，由于热压作用的存在，正压控制系统难以抵御室外颗粒的入侵。,Chen. C., Zhao. B*., Yang. X.D., Li. Y.G. Role of two-way air flow due to temperature difference in SARS transmission Revisiting the largest nosocomial SARS outbreak case in Hong Kong. To be submitted to Indoor Air.,传统多区模型,耦合双向流动的多区模型,CFD模型,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,模拟研究：根据实验研究发现，门窗打开时正压难以维持，因此模拟研究假设门窗紧闭。,关键点1：正压控制法在什么条件下适用？,风压系数：0.603,风压系数： -0.364,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,关键参数：室内外温差、室外风速、门窗阻力特性、窗地面积比。,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,窗地比=15%.,4. 控制方法研究,模拟能够维持绝对正压所需要由机械通风系统提供的换气次数,窗地比=10%.,窗地比=20%.,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,模拟能够维持绝对正压所需要由机械通风系统提供的换气次数,通过完全二次多项式拟合，得到计算能够维持绝对正压所需要的换气次数的经验公式，可于实际工程应用。,Rmse=0.318,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,关键点2：正压控制和过滤净化，哪种控制方法更高效、更节能？,重要：正压控制需要新风，因此仍然会引入室外颗粒物，同样需要过滤器。 对比前提：相同的工况、相同的控制效果（相同的I/O比）、相同的过滤器效率。 对比目标：两种控制方法所需要的风量。,过滤器： ASHRAE 40%Filter ASHRAE 80%Filter,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,计算过滤净化所需换气次数与正压控制所需换气次数的比。,5m/s,10m/s,过滤器效率极大地决定了控制方法的选择。,I/O比（表征效果）,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,4. 控制方法研究,过滤净化所需换气次数与正压控制所需换气次数的比 与 过滤效率 的关系,0.1m,结论4.3 对于普通住宅，若室内洁净度要求不高，使用普通过滤器，那么过滤净化法比正压控制法更经济。,Chen. C., Zhao. B*., Yang, X.D. Can mechanical ventilation maintain positive pressure indoors for preventing the entry of outdoor airborne particles? Part II: Modeling study and cost analysis. Submitted to Environmental Science and Technology.,若室内洁净度要求较高，选用效率较高的过滤器，那么正压控制更合理。,若室内洁净度要求不高，选用普通效率的过滤器，那么过滤净化更合理。,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,5. 已有工作主要结论,问题 1： 室外颗粒物对室内人员的健康影响？ 结论1： 室外PM10每上升10ug/m3会导致室内人员的死亡率上升0.25%至1.02%；PM2.5每上升10ug/m3会导致室内人员的死亡率上升0.35%至2.06%。并且室外可吸入颗粒物对人员健康的影响主要发生在室内。 问题2：哪一种穿透系数计算模型既满足精度要求又较为简单？ 结论2： 拉格朗日法不适用于小颗粒的计算，Liu & Nazaroff的计算方法既有较高的精度又最为简单，适合工程应用。 问题3：正压控制法在什么条件下适用？ 结论3： 当开口较大时，由于热压作用的影响，正压控制系统难以抵御室外颗粒物的入侵。 问题4： 正压控制与过滤净化，哪种控制方法更高效、更节能？ 结论4： 对于普通住宅，若室内洁净度要求不高，使用普通过滤器，那么过滤净化法比正压控制法更经济。,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,下一步研究计划,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,确定室外颗粒物进入室内的量（渗透）,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,进行实际房间的颗粒物渗透量测试实验，对设计计算方法进行验证,实际应用,针对某一实际建筑：,研究背景 文献综述&提出问题 内容初探 研究计划,下一步计划,2011,2010,1月,6月,6月,9月,研究总结、撰写论文、硕士答辩,综合健康效应、设计计算、控制策略进行实际应用案例分析,完成“设计计算”部分的实验验证,谢谢大家！欢迎批评指导！,室外可吸入颗粒物对室内环境的影响及其控制,研究成果列表,Chen. C., Zhao. B*., Yang. X.D., Li. Y.G. Role of two-way air flow due to temperature difference in SARS transmission Revisiting the largest nosocomial SARS outbreak case in Hong Kong. To be submitted to Indoor Air.,To be submitted:,Submitted:,Chen. C., Zhao. B*., Yang. X.D., Baumgartner. J. Estimating the adverse health effects of indoor exposure to particles of outdoor origin. Submitted to the Lancet. Chen. C., Zhao. B*. Relationship between indoor and outdoor particles: a review. Submitted to Indoor Air. Chen. C., Zhao. B*., Yang, X.D. Can mechanical ventilation maintain positive pressure indoors for preventing the entry of outdoor airborne particles? Part I: Experimental study and model validation. Submitted to Environmental Science and Technology. Chen. C., Zhao. B*., Yang, X.D. Can mechanical ventilation maintain positive pressure indoors for preventing the entry of outdoor airborne particles? Part II: Modeling study and cost analysis. Submitted to Environmental Science and Technology.,Published:,Chen, C.; Zhao, B.*; Cui, W.; Dong, L.; An, N.; Ouyang, X. The effectiveness of an air cleaner in controll