室内可吸入颗粒物对人体健康影响及数值模拟方法.doc

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1、精品论文室内可吸入颗粒物对人体健康影响及数值模拟方法李瑛，杜震宇 太原理工大学环境科学与工程学院，太原 (030024) E-mail: ayingliying摘要：室内污染物种类众多，颗粒物是其中最重要的污染物之一，尤其是可吸入颗粒物（空气动力学当量直径在 10m 以下）对人体健康影响最大。本文从颗粒物的粒径、表面积、化 学组分、浓度等方面分析了它对人体健康的影响，主要是对呼吸系统的影响。特别是 PM2. 5 能长期漂浮在空气中，对人体危害最大。并对目前国内外常用的研究颗粒物分布的数值模拟 方法进行了阐述，主要有欧拉法和拉格朗日法，比较了它们的优劣。最后提出了存在的一些 问题：滑移通量模型中

2、没有考虑热迁移和紊流对颗粒物的影响以及目前对地暖房间颗粒物的分布研究很少，希望能对室内颗粒物浓度研究提供方向。 关键词：可吸入颗粒物；人体健康；数值模拟 中图分类号：TU1. 引言近年来, 随着经济的发展、人们生活水平的提高,人们对建筑环境的要求也越来越高。人 们对人居环境的要求, 已经不仅仅局限于对传统的温度、速度、湿度的要求, 而且提升到对 与室内可挥发有机物、颗粒物质等密切相关的室内空气品质( IAQ, Indoor Air Quality) 的要 求上来1。当今，颗粒物污染已经成为室内主要的空气质量问题之一，室内的颗粒物不但会 对人体的健康造成极大的危害，而且也会损毁室内的各种电子设备

3、，存在很大的安全隐患。 目前已有越来越多的研究者开始关注室内颗粒物对IAQ 及对人体健康的影响，而且国内外 有好多学者为了能更好的认识这些问题，已经模拟了室内颗粒物的运动和分布。本文阐述了 室内颗粒物对人体健康的影响，并对模拟颗粒物的这些方法加以分析和比较，最后针对这些 方法提出了一些问题以及今后值得研究的几个方面。2. 可吸入颗粒物对人体健康的影响粒径大于10m的降尘颗粒物,由于重力作用不会长期悬浮在空中,对环境危害小,人在呼 吸时部分颗粒物也能被鼻腔和呼吸道黏液排除而不能进入肺部，因此对人体健康影响较大的 是可吸入颗粒物。2.1 可吸入颗粒物在空气中存在的各种微粒称为总悬浮物，是粒径小于1

4、00m的液体和固体颗粒物，主要 有粉尘、煤烟、烟雾等。依据重力作用的沉降特性，粒径大于10m在重力作用下沉降称为 降尘，粒径小于10m的颗粒物（PM10）分散在气流中时，可形成稳定的气溶胶，称为漂尘 2，由于它能在大气中长期飘浮，且易随呼吸进入人体，因此又称为可吸入颗粒物。1997年， 美国等许多国家进一步认定，粒径在2.5m以下的颗粒物（PM2. 5），能全部被人体吸入，危害极大，因此制定了更加严格的标准。现在国际上将可吸入性颗粒物分为三类, 一类为粗颗粒(coarse particulate) , 其动力学直径在2.510m, 一类为细颗粒物(fine particulate) 其动力 学

5、直径在0.12.5m, 最后一类为极细颗粒物(ultrafine particulate) ，其动力学直径小于0.1m3。- 4 -2.2 可吸入颗粒物对人体健康的危害空气中的颗粒物对人体健康的影响主要体现在对呼吸系统的影响上，而这些影响与颗粒 物的物理化学特征紧密相关, 它包括空气动力学直径、表面积、化学组分、浓度以及暴露时 间等。颗粒物的大小、形状和化学组分决定颗粒最终进入人体的部位和对人体的危害程度。 粒径不同，颗粒物进入人体的部位就不同，其对人体产生的危害也就不同。颗粒物的直径越 小，进入呼吸道的部位越深，10m直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，5m直径的可进入呼吸道的深部，而粒径小于2

6、.5m的颗粒物可以通过上下呼吸道和支气管, 到达肺部沉积,甚至通过肺泡, 进入人体血液1。可吸入颗粒物被人体吸入后，会累积在呼吸系统中，引发许多疾病。长期吸入粗颗粒物可侵害呼吸系统，诱发哮喘病；细颗粒物则可能引发心脏病、 肺病、呼吸道疾病，降低肺功能。颗粒物的化学组成对人体健康的影响也很大，决定了其是 否有害和人体可能出现何种不良反应。颗粒物浓度和暴露时间决定了吸入量, 浓度越高, 时 间越长,危害越大。颗粒物不仅本身含有多种有毒物质，具有潜在的致癌性, 对人体存在远期的危害，而且 具有较强的吸附能力，是多种污染物的“载体”和“催化剂”，有时能成为多种污染物的集合体，是导致各种疾病的罪魁祸首。

7、原福胜等通过对不同粒径颗粒物与人双核淋巴细胞微核的关系的研究发现, 颗粒物粒径越小, 表面积越大，吸附的重金属和PAH及其致突变能力越强3。 而且由粗细颗粒物的成分分析可以看出，毒性较大的元素成分在细颗粒上分布较多4，并且 细颗粒物还是细菌、病毒和真菌的主要载体。国内外大量的流行病学和毒理学研究已经证实 PM10和PM2. 5对人体健康的危害。特别是PM2. 5由于其重力作用小,能长期漂浮在空气中，有 的可在空气中停留长达几十天, 它们对人体危害更为深远。3. 可吸入颗粒物分布和沉积的模拟方法统计数据表明, 绝大多数人70%90%的时间是在室内度过的5, 而一些老弱病残人在 室内停留时间则会更

8、长，因此室内成为人类颗粒物暴露的最主要场所。鉴于颗粒物质对人体 健康可能造成不利影响, 室内颗粒分布作为影响IAQ 的一个重要因素, 正日益受到人们的 关注，因此研究室内颗粒分布问题对于我国的建筑环境具有重要意义。目前模拟室内颗粒物 的运动有很多方法，本文侧重分析了计算流体力学模型并比较了各种方法的优缺点。3.1 欧拉法计算流体力学( CFD: computational fluid dynamics)模型通过计算室内颗粒的分布情况或 者其运动轨迹,从而了解颗粒的分布规律或在室内的运动情况1。用该模型研究室内可吸入颗 粒物的运动主要有两种方法：欧拉法与拉格朗日法。欧拉法是一种基于欧拉坐标求解颗

9、粒物 浓度分布的方法，它是将颗粒相视为连续相来求解颗粒的守恒方程。目前有两种普遍采用的 欧拉法：多流体模型和滑移通量模型。多流体模型的基本观点是认为颗粒相是与真实流体相 互渗透的拟流体，这种模型能充分考虑颗粒的质量、动量及能量的湍流扩散，而且可以分别 考虑大滑移和颗粒扩散,但需要花费很长时间和占用很大的计算机内存，需要很高的计算技 巧，有时还很难收敛，无法获得准确的结果6。故目前更为广泛采用的还是滑移通量模型， 赵彬等人用它对室内颗粒的沉积进行过研究，它是一种只考虑颗粒重力沉降的简化的欧拉模 型。它的基本思想是在空气输运标量方程中, 增加由于颗粒重力沉降速度(流体拽力和重力 平衡的结果)导致的

10、与空气相的“滑移通量”1, 其模拟颗粒扩散的控制方程表达如下7:CC + (U + V )C = (D + T p)C + S其中C是颗粒的质量浓度kg/m3; U是空气速度m/s; V是颗粒的沉降速度m/s; D是布朗扩散系数； p 为颗粒的湍流扩散率，通常取1.0；Sc是室内颗粒的发生源强度。 滑移通量模型是对传统污染物浓度输运模型的改进，它加入了滑移项 （VC）,这是考虑到了由于颗粒收到空气对它的曳力和自身重力作用引起的相对空气相的滑移。颗粒粒径越大，惯性越大，滑移项作用越明显。3.2 拉格朗日法拉格朗日法也称作颗粒跟踪法，是基于拉格朗日坐标求解颗粒运动轨迹的方法，它是将 空气相看作连续

11、相来求解时均N-S方程，而将颗粒相看成离散相，通过求解颗粒的动量方程 得到单个颗粒的运动轨道8。该法是对大量颗粒在流场中的运动进行跟踪，可以很方便的对 不同粒径大小的颗粒进行跟踪，使之可以模拟出颗粒与墙壁的弹性碰撞，对复杂的几何流场 适应性特别强9。由于该方法需要逐一计算单个颗粒的运动轨迹, 有时为获得准确的结果通 常需要计算几千条、几万条甚至更多轨道，计算量很大，因此比较适用于颗粒相稀疏的稀疏 气固两相体系, 尤其是室内气溶胶颗粒的运动1。在用拉格朗日法模拟颗粒物分布时，还 需要将得到的颗粒轨道进行统计转换成颗粒浓度，计算时间很长,不易满足工程的实际需求。4. 存在问题及建议目前普遍采用的滑

12、移通量模型，也只考虑了重力沉降对颗粒物的影响，而实际上热迁移 和紊流也能引起颗粒的滑移，在以后的研究中应注意考虑这方面的因素。现在国内外对颗粒物的模拟多是在通风房间进行的，而对地暖房间颗粒物的分布研究很 少，随着地暖的应用越来越广泛，应该加强这方面的研究。参考文献1 赵彬. 室内颗粒运动和分布的模拟方法. 建筑热能通风空调, 2006, 25（5）：51-58 2 廖正元. 可吸入颗粒物及其危害. 化学教育, 2004（4）：3 罗红. 细颗粒物对呼吸系统疾病作用的研究进展. 湖北预防医学, 2003，14（3）：17-19 4 赵毓梅. 大气粗细颗粒物的成分分析及其肺毒性研究. 卫生研究,

13、1996，25（2）：89-915 Wang JN, Cao SR, Li z, et al. Human exposure to carbon monoxide and inhalable particulate in Beijing, ChinaJ. Biomed Environ Sci, 1998, 1(1):5-126 李孔清. 悬浮颗粒数值模拟模型改进研究. 暖通空调, 2005, 35（11）：1-57 Fangzhi Chen, Simon C.M. Yu, Alvin C.K. Lai. Modeling particle distribution and deposition

14、 in indoor environments with a new driftflux modelJ. Atmospheric Environment, 2006, 40: 3573678 杨彩青. 三种室内颗粒运动分布模拟方法的比较. 暖通空调, 2007, 37（4）：7-119 党伟. 室内悬浮颗粒的分布规律研究. 大众科技, 2007, 9：19-24Effect of Particulate Matter in Indoor Air on PersonalHealth and Numerical Simulation MethodLi Ying, Du ZhenyuEnvironm

15、ental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan (030024)AbstractParticulate matter is one of the most important indoor air pollutants among all kinds of indoor air pollutant, especially inhalable particulate matter (aerodynamic equivalent diameter is less than 10m) has the g

16、reatest impact on human health. In this paper, the impact on human health is analyzed by particle size, surface area, chemical composition and concentration, mainly the respiratory effect. Especially PM2. 5 can stay a long time in the air, so it does the greatest harm to the human body. At present,

17、the Eulerian and Lagrangian methods are widely used in the simulation of particulate matter. Finally, suggestions for further consideration are given: the heat transfer and turbulent flow are notconsidered in the drift flux model, and the research about the distribution of particulate matter in the floor heating room is deficient.Keywords: Inhalable particulate matter; Health effects; Numerical simulation作者简介：李瑛，女，1985 年生，硕士研究生，主要研究方向是室内颗粒物分布。