大学硕士研究生答辩《大气颗粒物建筑室内外渗透沉降特性及污染控制研究》模板课件（终版）

大气颗粒物建筑室内外渗透沉降特性及污染控制研究硕士毕业论文答辩学院：能源与机械工程学院指导老师：XXX姓名：XXX学号：XXXXXXXXX专业：供热、供燃气、通风及空调工程绪论1主要内容结论及展望5实验测量方案及数据分析3室内外污染物浓度关系模型2室内污染物控制方式研究4第1章绪论1.1研究背景和意义

大气污染是加剧室内空气污染水平的重要因素。然而近半个世纪以来，全球范围内不少国家存在着室内空气质量问题。颗粒物可以成为各种细菌、病毒和真菌的主要载体，通过呼吸进入人体的上下呼吸道，甚至进入血液循环。颗粒物粒径越小表面积越大，能够进入机体更深处，携带更多的有毒有害物质，对人体健康更具有危害性。颗粒物在人体内的沉积分布，如图1.1所示。图1.1颗粒物在人体内的沉积1.1研究背景和意义

通过卫星对全球环境中PM2.5浓度进行估算，亚洲中部地区和东部地区分别有38%和50%的人口超过了世界卫生组织所提出年平均35μg/m3的标准，并得到2001~2006年全球PM2.5浓度分布图，如图1.2所示。图1.22001~2006年全球PM2.5浓度分布图1.2国外研究概况1981年，Dockery等在颗粒物质量守恒方程的基础上，对室内外PM3.5浓度数据的研究，得到的渗透系数Fins=0.70。1992年，Koutrakis等在假设换气次数a=0.36h-1的条件下，计算得到渗透系数Fins=0.49以及穿透系数P=0.84。1992年，Koutrakis等在假设换气次数a=0.36h-1的条件下，计算得到渗透系数Fins=0.49以及穿透系数P=0.84。1995年，LewisS等颗粒物通过长和高分别为40mm和0.1mm、压差为10Pa的裂缝时的穿透系数为0.97至0.29。1999年，Tung等从动态角度分析室内颗粒物浓度水平，通过连续监测某办公室，计算得到P=0.78和K=0.06h-1。2001年，Vette等0.1~2.5μm粒径范围内颗粒物沉积速率的波动范围为0.4~3.9h-1，穿透系数波动范围为0.4~0.9。2004年，Fromme等研究冬季较小的房间换气次数引起室内PM2.5和CO2污染水平显著提高，导致室内空气质量下降。2010年，Wichmann等对住宅、学校和幼儿园的PM2.5渗透系数推算，分别得到对应的渗透系数为0.65、0.45和0.64。1.3国内研究概况2003年，李玉国等建立了房间换气次数、室内浓度与颗粒物穿透系数之间关系，并定义室内外颗粒物浓度平衡点。2003年，刘阳生等发现室内PM10平均浓度均接近或超过150µg/m3，接近43%颗粒物粒径属于PM2.5的范畴。2005年，赵彬等利用模型模拟颗粒物在室内的运动及分布情况，得到室内颗粒物浓度与空调运行情况之间的关系。2009年，田利伟基于气溶胶力学理论得到预测室内大气悬浮颗粒物浓度的稳态模型和动态模型。2009年，韩月梅等对化学实验室和办公室室内的PM2.5浓度进行研究，结果表明超过质量标准的35μg/m3的限值2011年，陈淳研究结果表明Liu&Nazaroff模型更适用于工程实际，此模型对室外颗粒物进入室内的控制进一步研究。2015年，陈超等依据统计方法与变量控制法，提出PM2.5质量浓度实测数据的穿透系数、沉降速率的推算模型。1.4本文的研究内容及方法1）室内外PM2.5质量浓度及建筑渗透通风风量实测。根据室内外采样点的实时监测数据，分析室内外PM2.5质量浓度污染情况，并使用CO2作为示踪气体，通过示踪气体法测量教室渗透通风风量。2）建立室内PM2.5质量浓度预测模型。结合以上得到的室内外PM2.5质量浓度以及CO2体积浓度，利用颗粒物质量平衡方程及气体体积平衡方程，推算颗粒物的穿透系数及沉降速率。3）室内环境中的污染物控制方式对比分析。将PM2.5和CO2作为室内主要的污染物，依据变量控制法，阐述了自然通风、空气净化器、新风系统控制方式对上述污染物的控制情况。基于预测室内外PM2.5和CO2浓度关系分析各个控制方案，并对控制方式进行对比分析得到最佳的控制方式。第2章室内外污染物浓度

关系模型2.1室内污染物浓度影响的参数

室内颗粒物污染物来源主要有两方面，即室外进入和室内产生。室外环境中的颗粒物可通过自然通风、机械通风（无过滤）或通过建筑围护结构渗透进入；室内主要由烹饪、吸烟和打扫卫生等人为活动产生。研究室内颗粒物传输过程时通常会忽略气体凝结所产生的颗粒物和颗粒物碰撞汇集作用的影响，因此传输过程包括进入、排出、沉降作用、二次悬浮等，如图2.1室内颗粒物传输工程模型所示。图2.1室内颗粒物传输工程模型2.1室内污染物浓度影响的参数

建立关于室内外颗粒物质量浓度关系：（2.1）（2.2）（2.3）建立关于室内外二氧化碳浓度关系：（2.4）（2.5）（2.6）2.2室内外污染物浓度关系模型构建方式一：将室内外PM2.5质量浓度值直接代入到式（2.3）中，即将式（2.3）作为第一种处理方式。该方式可以直接拟合得到穿透因数P、沉降速率K以及房间换气次数a的数值大小结果；方式二：先将室内外CO2体积浓度值代入到公式（2.6）中，可拟合得到房间换气次数a的数值大小，再将a值与室内外颗粒物浓度值代入到公式（2.3）中拟合计算，可拟合得到穿透因数P和沉降速率K的数值大小结果；方式三：通过式（2.3）与式（2.6）联立建立式（2.7），并以该式作为第三种处理方式。将室内PM2.5质量浓度值和CO2体积浓度值代入到式（2.7）中，可拟合得到穿透因数P、沉降速率K以及房间换气次数a的数值大小结果。（2.7）第3章实验测量方法及数

据处理3.1测试环境概况

在近50年内，南京市春、夏、秋、冬四季节平均雾霾天气日数占全年雾霾天气日数的比例分别为25.8%、15.0%、23.5%、35.7%。依据国家环境监测总站提供的气象参数，对2016年和2017年南京市室外PM2.5污染情况及AQI指数进行了统计，如图3.1和图3.2所示。图3.12016年南京市PM2.5质量浓度及空气污染指数图3.22017年南京市PM2.5质量浓度及空气污染指数3.1测试环境概况

教学楼坐北朝南，地上6层地下1层（地下车库），其中1~5层主要是教室及部分办公室，6层为机房教室，建筑内部中央有天井。教学楼1、2层的建筑层高为4.5m，3~6层的建筑层高均为3.3m，总建筑面积为23300m2。表3.1教室情况汇总教室类型教室尺寸m面积m2门窗数量小型教室11.2×8.8×3.398.6门×2外窗×3廊窗×1中型教室12.8×8.8×3.3112.6门×2外窗×3廊窗×2大型教室14.7×8.8×3.3129.4门×2外窗×4廊窗×2结构尺寸m开启面积m2材料门2.1×1.12.31木质外窗2.3×2.30.75铝合金、玻璃廊窗2.2×0.70.49铝合金、玻璃图3.2门窗尺寸图3.3校区综合楼布局3.2测试项目与所用仪器图3.48532型气溶胶监测仪图3.57575型室内空气品质监测仪图3.6室内空气质量监测仪仪器名称测量对象测量范围分辨率测量精度TSI-8532型气溶胶监测仪PM1、PM2.5、PM4、PM10质量浓度0.001~150mg/m30.001mg/m3读数的±0.1%或±0.001mg/m3（两者中的较大值）TSI-7575型室内空气品质监测CO2体积浓度、温度、湿度CO2：0~5000ppm温度：-10℃~60℃湿度：5~95%RHCO2：1ppm温度：0.1℃湿度：0.1%RH读数的±3%或±50ppm（两者中的较大值）；±0.3℃；±3%RHEA-80型室内空气质量监测仪CO2体积浓度、温度、湿度CO2：0~6000ppm温度：-20℃~60℃湿度：10~95%RHCO2：1ppm温度：0.1℃湿度：0.1%RH读数的±3%或±50ppm（两者中的较大值）；±0.5℃；±3%RH表3.3测试仪器的相关参数3.3测试方法及程序条款规定A.2.1采样点的数量根据监测对象室内面积大小和现场情况而确定，以期待能正确反映室内空气污染物的水平，原则上小于50m2的房间应设1~3个点。A.2.2采样点应避开通风口，离墙壁距离应大于0.5m。A.2.3采样点的高度原则上与人的呼吸带高度相一致，相对高度0.5~1.5m之间。CO2体积浓度、温度、湿度表3.4测试仪器的相关参数图3.7室内测点布置位置图3.9室内测点一图3.10室内测点二图3.11室内测点三图3.8室外测点3.4数据记录及相关分析图3.1216年12月20日测量数据图3.1316年12月27日测量数据图3.1416年12月30日测量数据图3.1517年11月28日测量数据图3.1617年12月10日测量数据图3.1717年12月30日测量数据

每5min记录一次测量数据，将每20min中测量数据取对数平均值作为一个采样点。每次实验条件情况，如表3.5所示。室外环境中CO2浓度视为定值500ppm。3.4数据记录及相关分析

将每20min中测量数据取对数平均值作为一个采样点，代入到各个处理方式中进行拟合计算。使用Origin9.1对上述实验所得到的采样点进行非线性拟合计算时，为了可以得到更加精准的拟合结果，在拟合时可对未知变量进行范围设置。根据相关研究结果表明，穿透因数变化范围通常为0.8~1.0；沉降速率变化范围大约为0~0.4h-1；房间换气次数的变化范围设为0~1.0h-1。日期处理方式穿透系数沉降速率换气次数渗透系数16年12月20日方式一0.9980.130h-10.394h-10.750方式二0.9980.147h-10.179h-10.548方式三0.9980.147h-10.187h-10.55916年12月27日方式一0.8940.130h-10.125h-10.438方式二0.9990.122h-10.134h-10.523方式三0.9980.163h-10.137h-10.456表3.5拟合结果3.4数据记录及相关分析日期处理方式穿透系数沉降速率换气次数渗透系数16年12月30日方式一0.9220.156h-10.121h-10.403方式二0.8540.121h-10.091h-10.367方式三0.9240.128h-10.094h-10.39117年11月28日方式一0.8630.140h-10.258h-10.559方式二0.9830.171h-10.226h-10.559方式三0.9790.163h-10.225h-10.56817年12月10日方式一0.9000.123h-10.178h-10.532方式二0.9470.131h-10.169h-10.533方式三0.9500.132h-10.169h-10.53317年12月30日方式一0.9000.123h-10.178h-10.532方式二0.9470.131h-10.169h-10.533方式三0.9500.132h-10.169h-10.533续表3.5

3.4数据记录及相关分析图3.1816年12月20日PM2.5测量值与拟合值图3.1916年12月27日PM2.5测量值与拟合值图3.2016年12月30日PM2.5测量值与拟合值图3.2317年12月30日PM2.5测量值与拟合值图3.2217年12月10日PM2.5测量值与拟合值图3.2117年11月28日PM2.5测量值与拟合值3.4数据记录及相关分析图3.2416年12月20日CO2测量值与拟合值图3.2516年12月27日CO2测量值与拟合值图3.2616年12月30日CO2测量值与拟合值图3.2917年12月30日CO2测量值与拟合值图3.2817年12月10日CO2测量值与拟合值图3.2717年11月28日CO2测量值与拟合值3.4数据记录及相关分析日期处理方式PM2.5(RMSE)CO2(RMSE)日期处理方式PM2.5(RMSE)CO2(RMSE)16年12月20日方式一4.191425.21617年11月28日方式一0.961127.038方式二4.14521.780方式二0.92872.881方式三3.31522.951方式三0.64872.58016年12月27日方式一11.65847.14517年12月10日方式一3.739131.579方式二14.75136.407方式二2.806124.282方式三7.92337.213方式三2.240124.80716年12月30日方式一1.524114.49917年12月30日方式一2.374137.083方式二1.08545.781方式二1.69482.183方式三0.90244.986方式三1.39689.762表3.6均方根误差汇总第4章室内污染物控制方

式研究4.1室内主要污染源

依据文献中所采用的人体发尘量的计算方式，可以计算得出室内环境中人体PM2.5发尘量，如式（4.1）所示。（4.1）式中，G为总发尘量，μg/(m3•h)；Gp为人员发尘量，μg/(人•h)；β为室内面积与人员密度的折合系数；ρ为人员密度，人/m2。对于式（4.1）中V、A和β分别对应取71m3、23m2和40。可以计算得到人员PM2.5发尘量为1.406×103μg/(人•h)。由齐美薇等人等人通过多组实验数据的研究结果，得到了适合中国人释放CO2的速率的计算方式，如式（4.2）所示。（4.2）式中，m人为人体CO2的释放速率，mL/s；AD为人体表面积，m2；RQ为呼吸商，一般情况下可以取值为0.83；M为单位人体表面积新陈代谢率，W/m2。男性CO2的释放速率为13363mL/h；女性的释放速率为10234mL/h。4.2控制方式结果对比分析图4.2不同控制方式下室内CO2变化曲线图4.1不同控制方式下室内PM2.5变化曲线4.2控制方式结果对比分析控制方式优点缺点自然通风1.零成本，易操作；2.可同时控制室内PM2.5及CO2浓度。1.受室外条件因素制约，控制效果完全依赖于室外条件；2.冬季室外气温低，自然通风难以长时间保持。空气净化器1.低成本，结构简单，易操作；2.受室外因素影响小，且可主动调节过滤风量。1.无法控制室内CO2浓度；2.正常运行时产生的噪音，影响正常的教学活动。新风系统1.可同时控制室内PM2.5及CO2浓度；2.风量大，噪音小；3.受室外因素影响小，且可主动调节新风风量。1.成本高，结构相对复杂；2.安装新风系统，需要对既有建筑进行改造。表4.1新风系统对教室内污染物的控制情况4.2控制方式结果对比分析

根据上述三种控制方式效果的计算及分析，可以分别得出相应控制方式所对应的较为合理的参数值，即自然通风风量为1600m3/h、空气净化器过滤风量为800m3/h、新风系统新风风量为1200m3/h，分别如表4.2和表4.3所示。表4.2三种控制方式在不同时间段内对室内PM2.5浓度值的影响4.2控制方式结果对比分析

课间通风可以令室内污染物的浓度下降，除室外PM2.5浓度在115μg/m3时采用新风系统控制室内PM2.5的情况。由此可见，课间时间段内鼓励开启门窗对调节教室室内空气品质的积极影响。其次，当室外PM2.5浓度较低，三种控制方式对于室内PM2.5浓度的控制效果相近且变化趋势相同。当室外PM2.5浓度较高，三种控制方式的控制效果存在明显的差别，采用空气净化器与新风系统的控制方式明显优于自然通风的控制效果。表4.3三种控制方式在不同时间段内对室内CO2浓度值的影响第5章结论及展望5.1主要结论1）基于本文对实验数据的计算及计算结果的分析可知，在对于穿透系数P、沉降速率K和房间换气次数a进行拟合计算时，三种处理方式中方式二和方式三拟合程度较好。通过均方根误差比较分析，从综合角度而言方式三优于方式二。2）根据理想的处理方式，基于教室内外环境中PM2.5和CO2浓度的测量数据进行拟合计算，即得出穿透系数的取值为P=0.967；沉降速率的取值为K=0.152h-1；房间换气次数的取值为a=0.158h-1；渗透系数的取值为Fins=0.493。3）本文以教室作为典型建筑，分别采用自然通风、空气净化器、新风系统控制方式以实现控制教室内环境中PM2.5和CO2浓度的目的。通过计算分析得出三种不同的控制方式可以分别得出相应控制方式所对应的较为合理的参数值，即自然通风风量为1600m3/h、空气净化器过滤风量为800m3/h、新风系统新风风量为1200m3/h。5.2展望

由于时间、实验条件以及作者水平有限，对于室内颗粒物浓度变化分析还需要进行大量的实验和理论研究，在现有的研究基础上可以对以下几个方面的内容进一步深入研究：

1）本文以PM2.5和CO2作为污染物对象展开研究，经过分析得到预测室内颗粒物浓度的数学模型。在未来的研究中，可以依据该数学模型，针对不同粒径的颗粒物及不同的建筑结构开展更多的研究。

2）本文研究中人体PM2.5和CO2