室內(nèi)空氣穩(wěn)定性對人體呼吸微環(huán)境的影響.pdf

1、越來越多的研究開始關(guān)注人的呼吸活動以及人體周圍微環(huán)境，因為這個靠近身體的吸氣及呼氣區(qū)域直接關(guān)系到人體健康和疾病的傳播。但是，人的呼吸活動非常復(fù)雜，受到很多因素的影響，例如，人體代謝水平及活動狀態(tài)、通風(fēng)策略、室內(nèi)空氣穩(wěn)定性、人體周圍空氣溫度、濕度及速度等。本文主要針對室內(nèi)空氣穩(wěn)定性與人體呼吸微環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的研究。
　　一些研究指出當(dāng)室內(nèi)采用置換通風(fēng)方式時，由于溫度分層的存在，可能造成呼氣中的污染物如CO2、飛沫等在一定的高度分

2、層凝滯，因而對室內(nèi)其他人員造成潛在的疾病傳播風(fēng)險。本文利用室內(nèi)空氣穩(wěn)定性的概念對這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋。室內(nèi)空氣穩(wěn)定性指室內(nèi)空氣抵抗豎直方向運動的能力，可以通過室內(nèi)溫度梯度的方向進(jìn)行判定。通過利用假人實驗、真人實驗以及仿真人體模型計算三種手段，針對混合通風(fēng)形成的中性狀態(tài)以及置換通風(fēng)形成的穩(wěn)定狀態(tài)對人體呼吸周圍微環(huán)境的影響進(jìn)行研究。
　　三種方法相互驗證。按可靠性高低排序，依次為真人實驗、假人實驗以及CFD模擬，但操作難度及實驗成本的依次

3、降低。本文的真人實驗研究填補了目前關(guān)于室內(nèi)人體呼吸測試的空白，也為其他兩種方法提供了可靠的實驗驗證。假人模型及計算機(jī)人體模型在一定程度上能夠模擬人體的呼吸特點，但是，由于模型的簡化可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際人體呼吸之間的偏差，更準(zhǔn)確可靠的模型及模擬方法需要進(jìn)一步的研究。
　　本文的另一條主線是圍繞室內(nèi)空氣穩(wěn)定對人體呼吸微環(huán)境的作用展開。利用上述三種方法對人體呼氣氣流擴(kuò)散規(guī)律以及身體周圍熱羽流發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的研究，主要得到如下幾個結(jié)論：

4、
　?。?）通過煙氣可視化實驗，發(fā)現(xiàn)通過假人嘴巴的間歇呼氣與持續(xù)射流有很多相似之處，比如卷吸作用、射流形狀等。利用峰值速度描述脈動的呼氣氣流速度剖面時，發(fā)現(xiàn)了與自由射流類似的速度分布特點。據(jù)此，呼氣速度、濃度與溫度衰減規(guī)律利用與自由射流相似的表達(dá)式進(jìn)行描述。無論是持續(xù)呼氣還是間歇呼氣，氣流軌跡及彎曲程度都會受到呼氣初始角度、阿基米德數(shù)（Ar）、室內(nèi)空氣穩(wěn)定性以及身體散熱量的影響?？梢杂^察到，穩(wěn)定狀態(tài)的空氣會抑制呼氣氣流向上彎曲的程

5、度，并會削弱呼氣氣流發(fā)展過程中的卷吸作用，降低了呼氣與周圍空氣的摻混的能力。
　?。?）不同的氣流組織形式及不同的身體代謝水平導(dǎo)致人體周圍氣流分布特點不同，并且造成呼氣氣流穿透距離以及速度與濃度衰減率不同。穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)致呼出的污染物濃度分層，而中性狀態(tài)下污染物可以迅速地被通風(fēng)稀釋。隨著溫度梯度的增大，污染物在室內(nèi)分層的高度會下降。室內(nèi)空氣穩(wěn)定性影響呼氣的速度及濃度在水平方向的衰減速率。置換通風(fēng)由于帶來穩(wěn)定的室內(nèi)溫度層結(jié)，在一定程度上

6、會抑制污染物在豎直方向的擴(kuò)散，因此不適合如病房、診所等有污染源的場合。
　?。?）通過對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人體模型的尺寸對于身體周圍氣流分布影響明顯，利用與人體尺寸接近的數(shù)值模型對于研究人體微環(huán)境問題更具有優(yōu)勢。而且，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究此類問題時選擇適當(dāng)?shù)暮粑Ｊ揭卜浅Ｖ匾?。?shù)值模擬方法一方面彌補了實驗方法的不足，提供了更詳盡的人體呼吸微環(huán)境的信息，另一方面數(shù)值模擬的可靠性需要通過實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。模擬結(jié)果顯示，室內(nèi)空氣穩(wěn)定性作用隨

7、著溫度梯度的增大而增強(qiáng)，進(jìn)而對身體熱羽流的抑制作用以及對呼氣彎曲趨勢的抑制作用增強(qiáng)。穩(wěn)定的空氣除了抑制氣流豎直方向運動以外，還可能造成水平方向的呼氣氣流擴(kuò)散作用增強(qiáng)。
　　室內(nèi)空氣穩(wěn)定性對呼吸的作用主要體現(xiàn)在影響呼氣氣流的擴(kuò)散、抑制身體周圍熱羽流的發(fā)展以及改變?nèi)梭w周圍污染物分布等方面。不同的通風(fēng)策略可能形成不同的穩(wěn)定性條件，進(jìn)而影響呼氣中污染物在室內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，為了降低疾病傳播風(fēng)險，充分考慮特定氣流組織形式下的室內(nèi)空氣穩(wěn)定性特點是