空氣穩定性對室內人體持續與間歇呼氣的影響

徐春雯　龔光彩　王雅迪　Peter+V.+Nielsen　劉荔

摘要：空氣穩定性概念來源于大氣穩定性，在室內環境下反映室內空氣的穩定程度.本文利用暖體假人實驗，研究了室內空氣穩定性對呼氣擴散規律的作用.分別針對無通風、混合通風及置換通風3種方式，以及間歇與持續呼氣兩種形式，組合后形成7組對照實驗.通過煙氣實驗及熱球風速儀測量對呼氣軌跡進行了可視化及速度測量.結果表明，穩定和中性兩種室內空氣狀態下人體呼氣的擴散規律不同.不論是持續射流還是間歇的呼氣過程，空氣穩定性對其擴散影響顯著，影響其軌跡彎曲程度及速度衰減.同時，間歇呼氣較持續射流湍流發展更充分，污染物與周圍空氣迅速摻混，且呼氣氣流更加平坦.此外，即使兩種狀態下的Ar與體表溫度都接近，由于向上運動受到抑制，穩定的空氣相對中性狀態下呼出的氣流更水平，而且由于氣流與周圍空氣摻混能力減弱，速度衰減低于中性狀態.

關鍵詞：空氣穩定性；呼氣；污染物；可視化實驗

中圖分類號：TU834 文獻標識碼：A

Abstract：The concept of air stability is derived from atmospheric stability， which represents the extent of stability of room air. Experiments on thermal manikin were performed to investigate the effect of air stability on the dispersion of exhaled flow. Seven cases with the combination of three ventilation patterns （no ventilation， mixing ventilation and displacement ventilation） and two breathing modes （continuous and periodic） were applied. The trajectory of exhaled flow was visualized and measured by smoke visualization and velocity measurement， respectively. The results show that both the continuous and periodic exhalation are significantly affected by the air stability with respect to the trajectory and velocity decay. Meanwhile， the turbulence highly develops in the periodic flow， making the contaminant mix well with the ambient air and the flow flatter in comparison with continuous jet. As the stable condition restrains the upward movement of the flow， it becomes flatter under stable condition compared with neutral condition even though they have similar Ar and body plume. In addition， the velocity decay is smaller for stable condition because it entrains less ambient air.

Key words：air stability； exhalation； contaminant； visualization experiment

空氣穩定性概念源于大氣穩定性，對室內的污染物傳播有一定的影響，尤其是穩定的空氣可能造成污染物在一定的高度分層凝滯，不利于通風對其稀釋排出.室內人體本身在呼吸過程中產生CO2，說話、咳嗽或者打噴嚏過程產生飛沫，可能攜帶通過空氣傳播病菌，成為室內空氣的污染源.研究人體呼氣擴散特點對于控制疾病傳播、降低污染物的危害具有重要意義.

1空氣穩定性與人體呼吸過程

1.1空氣穩定性概念

空氣穩定性原本是用于描述大氣特性的一個重要參數.穩定的空氣會阻礙氣塊豎直方向的運動，可能使污染物在地表附近堆積不易擴散而造成嚴重污染，如霧、霾的形成，而不穩定的空氣會使豎直方向運動增強產生劇烈天氣.隨著研究發現，空氣穩定性不僅僅存在于室外大氣環境中，室內的空氣也同樣可以應用這一機理

判定空氣穩定性分類的一個重要參數是溫度絕熱遞減率，用λ=-dT/dy表示，其中T是溫度（℃），y是豎直方向高度（m）.環境中的氣塊，可能是污染物，也可能是溫熱、潮濕的空氣.假使氣塊初始溫度與周圍環境溫度相同，當環境的溫度豎直遞減率比氣塊的豎直遞減率低，說明氣塊的溫度降低比周圍環境空氣溫度降低快，氣塊溫度更低密度更大，向上運動的趨勢受到阻礙并有可能會返回到原來位置，這時的空氣可以稱為穩定的空氣.與此相反，不穩定的空氣是當周圍空氣豎直遞減率比氣塊豎直遞減率高時，氣塊一直保持相比周圍環境較高的溫度，因此一直受到向上的推動而持續運動.中性狀態介于兩者之間.隨著置換通風方式作為舒適性通風在室內的廣泛應用，其與傳統的混合通風方式的差別越來越明顯，尤其是置換通風帶來的豎直方向隨高度遞增的溫度梯度，與混合通風的房間內豎直方向幾乎不存在溫差明顯不同.假設室內的較高溫度的氣體，例如人體呼氣，人體表面熱羽等，上升過程中由于不斷引入周圍冷空氣溫度逐漸降低至室溫，而置換通風的溫度遞減率為負，此時室內空氣為

穩定狀態.而混合通風時環境豎直溫度遞減率幾乎為零，熱空氣與冷空氣充分摻混達到相同的溫度，此時的室內空氣可以認為是中性狀態.

存在遞增的豎直溫度梯度是置換通風方式的典型特征之一＼[3＼]，往往造成穩定的室內環境.其對室內熱源產生的熱羽、人體呼吸、散流器射流及污染物的傳播的影響也逐漸引起人們的關注.Nielsen等人在對用于置換通風的散流器冷空氣射流研究時發現，溫度梯度越大，射流與地面的之間的厚度越小，射流邊界越清晰，這是由于穩定的空氣造成的射流分層＼[3＼].Liu等人在研究由于人體熱源形成的熱羽時發現，置換通風條件下的人體頭頂熱羽的速度要低于混合通風時，說明遞增的溫度梯度限制了熱羽的發展＼[4＼].Kofoed與Nielsen實驗發現圓柱形熱源產生的熱羽在置換通風時高度降低，并開始向水平擴散，即使很小的溫度梯度就會改變熱羽的分布＼[5＼].除此以外，穩定的空氣影響人體呼氣擴散.

1.2對人體呼吸的影響

置換通風條件下，呼吸區的溫度梯度足夠大時，從人體呼出的氣體會在一定高度分層凝滯，而沒有溫度梯度時呼出的相對溫度較高的空氣會在浮力作用下上升并與周圍空氣充分混合＼[6＼].Olmedo等人對比了3種送風方式下的呼氣軌跡，發現置換通風方式時呼氣的中心線位置最低，向上彎曲的趨勢受溫度梯度的作用被減弱，而混合通風和下送風時射流向上彎曲較明顯；對比不同通風方式的速度衰減后發現射流中心線的速度在置換通風時衰減最慢，說明穩定的空氣使呼氣不易向上擴散，但在水平方向射流速度更大＼[7＼]，這與模擬的結果一致＼[8＼].這種穩定狀態造成的空氣分層凝滯現象對于醫院通風是非常不利的，可能造成病床之間受害者暴露于較高的污染物濃度水平下而傳染疾病，因此可以形成穩定空氣狀態的通風方式不推薦用于醫院病房＼[9＼].

本文重點研究持續呼氣和正常人體間歇呼氣時空氣穩定性對呼氣射流的影響并對比兩種射流方式的差異，通過測量正常呼吸頻率時人體呼氣速度在穩定與中性條件下的衰減規律，研究人體呼氣特點及受空氣熱環境的影響.

2實驗研究

2.1通風系統及房間設置

測試房間的墻體均采用10 cm厚度的塑料泡沫板保溫，房間尺寸為3 m×2.3 m×2.5 m，為了實現不同送風方式的轉換與不同的空氣穩定性條件，頂板和地板上都均勻布置直徑為1 cm的孔口，如圖1所示.房間兩側設有送風室與回風室，可以實現全頂板送風與全地板回風的混合通風方式或全地板送風與全頂板回風的置換通風方式.實驗過程中采用供冷的方式，制冷機產生的冷凍水通過換熱器使空氣降溫然后通過風機送入送風室內混合，再經過地板或頂板的開口進入房間內.這種均勻布置的小孔有利于氣流分布均勻，降低了送風速度的影響.房間內的人體模型及豎直均勻布置有熱電偶的立桿L1與L2，另外一根立桿L3置于假人正前方1.3 m處.

2.2人體模型發熱及呼吸設置

人體模型是根據標準女性體型制造的，具體的尺寸和構造詳見文獻＼[6＼].模型身高1.7 m，嘴巴高度1.53 m，嘴巴面積為123 mm2，身體內均勻布置熱線并由兩個小風機轉動將空腔內的空氣混合實現體表溫度均勻的分布，呼吸和體表發熱均通過變壓器和功率表進行控制，如圖2所示.如果呼氣管連接恒定風速的風機可以實現持續射流，圖2中呼氣和吸氣管連接一個電機驅動的活塞裝置，稱為“人工肺”，可以使人體模型按照設定的呼吸頻率和呼氣量進行間歇呼吸，模擬真實人體的呼吸過程.實驗過程中對兩種呼氣方式均進行了研究，并且為了研究室內空氣穩定性的影響，共設置了表1中的7組對照實驗，NV，MV與DV分別表示無通風、混合通風與置換通風3種方式，前兩者經過測試發現產生的室內溫度梯度幾乎為零，可以認為是中性穩定的空氣狀態，而DV可以產生豎直方向上遞增的溫度梯度，認為是穩定的空氣狀態.

7組實驗中Case 1～3用于對比較高的呼氣溫度與身體熱羽對持續射流軌跡的影響.Case 3～5用于對比正常的呼氣溫度與身體發熱時持續射流受空氣穩定性作用，因此分別將人體模型置于3種送風方式下.Case 6，7的設置是為了觀察空氣穩定性對間歇射流的影響，同時與Case 4，5持續射流形成對比，觀察間歇呼氣與持續射流的差異.

2.3測量儀器及方法

本實驗測量溫度利用K型熱電偶，熱電偶通過等溫標定設備和一個用于參考的精確的溫度計進行標定.標定范圍是10～35 ℃.考慮到探頭、引線長度及數據采集設備的不確定性，實驗精度為±0.5 ℃.標定過的熱電偶與Fluke Helios Plus 2287A型Data logger相連接記錄溫度值.除室內3根立桿上（L1， L2及L3）的用于測量室內溫度梯度及分布的熱電偶外，人體模型嘴巴內、頭部左側20 cm處及身體不同高度上均布置有熱電偶，分別用于測量呼氣溫度、周圍空氣溫度（1.5 m高度）及體表溫度.

采用的風速儀為Danstec 54N50型熱球風速儀，測量范圍0～5 m/s，測量精度為0.01 m/s，風速儀在標準風洞中進行了標定，數據采集及記錄頻率為10 Hz，可實現間隙呼氣時脈動瞬時值的測量.呼氣速度的測定是將風速儀置于距人體模型嘴巴開口前方1 cm處測量得到，持續射流平均速度為3.74 m/s，而間歇呼氣時速度采用該處一定時間內的峰值速度的平均值，在呼氣量為17.6 L/min，每分鐘16次呼吸狀態下，呼氣速度測量值為4.5 m/s.

呼氣中的煙氣是由煙霧發生器加熱發煙油產生，煙霧油滴粒徑僅為約1 μm，煙氣用來模擬人體通過呼吸產生的污染物.

3結果分析

3.1空氣穩定性對持續射流的影響

非等溫射流時阿基米德數Ar用來表示由于溫差造成的浮力與受迫對流的相對作用，此處溫差為呼氣初始溫度與周圍空氣溫度差＼[7＼].

圖4為3種通風形式下的射流軌跡及中心線位置.中心線位置由高至低依次為無通風時、混合通風時及置換通風時.結果與Olmedo等人＼[7＼]測量結果一致.如圖4（c）所示，盡管Case 3的Ar比Case 4與Case 5的小，無通風作用，向上彎曲仍最明顯.Case 5射流受穩定環境的影響與周圍空氣的摻混最弱，相比Case 4射流較窄，如圖4（a）及（b）所示.

由此可見，影響射流軌跡的因素主要為：Ar，體表溫度及通風方式.隨Ar的增大呼氣射流彎曲越明顯，體表溫度越高造成熱羽越強，加劇了射流向上彎曲的程度，而溫度梯度的存在會抑制熱空氣的向上彎曲.

因此，間歇的呼氣過程與持續射流存在不同，呼氣量達到正弦峰值后開始衰減，造成呼吸呈脈動狀態，湍流發展更充分，污染物與周圍空氣摻混嚴重，呼氣氣流更加平坦.

3.3空氣穩定性對間歇呼氣的影響

空氣穩定性對間歇呼氣造成的影響是穩定狀態下氣流凝滯與分層，如圖6所示，在人體頭部上方區域（約1.7 m高度）存在污染物濃度較高的區域，原因是置換通風條件產生的豎直溫度梯度抑制污染物初始向上運動的趨勢，并且由于人體上部空間較高的溫度導致污染物上升的浮力減小，因此形成了污染物的分層，如圖7所示.

圖5中性穩定條件下，氣流在呼出過程中就不斷向上擴散，吸氣時氣流很快被通風稀釋，在人體頭部以上區域未觀察到濃度分層.但是由于置換通風

帶來的溫度梯度，污染物向上運動受到抑制，并且與周圍空氣摻混也減弱，而且由于上部空間溫度較高，污染物停滯在一定的高度，造成了室內分為下部潔凈、上部污染兩個區域.根據Bjorn與Nielsen＼[6＼]的研究，溫度梯度越大，分層的高度將越低，污染物更難向上擴散.這一現象與大氣逆溫造成的污染現象類似，地面污染物由于在穩定的大氣中難以向上運動而覆蓋在地面以上造成嚴重污染.由此可見，源于大氣的空氣穩定性概念應用于室內環境時同樣適用，并能合理解釋室內污染物的凝滯現象.

通過對不同豎直斷面的呼氣速度進行測量，得到各個測點位置的峰值平均速度并繪成速度剖面圖，如圖8（a）與（b）所示.可以發現，穩定狀態下（Case 7）向上彎曲的程度比無溫度梯度時要小.將各斷面的最大速度連線可以得到射流的速度中心線位置，見圖8（c），同樣驗證了穩定狀態下射流中心線位置低的結論，與持續射流現象類似.此外，同樣的出口速度，穩定狀態下的氣流速度衰減較慢，如圖8（a）與（b）所示，原因是穩定狀態限制了人體熱羽的發展及呼氣與周圍空氣的摻混能力，呼出的氣流較狹窄在發展過程中由于卷入了較少的空氣量而保持了較高的速度.4結論

通過煙氣可視化實驗及溫度、速度測量發現，置換通風帶來的穩定狀態和混合或無通風時的中性穩定狀態下，人體呼出氣體的擴散規律是不同的，不論是持續射流還是間歇的呼氣過程，空氣穩定性對呼氣擴散的影響顯著，表現在影響其軌跡彎曲程度及速度衰減.同時，間歇的呼氣過程與持續射流存在差異，在間歇過程中湍流充分發展污染物與周圍空氣迅速摻混，且呼氣氣流更加平坦.呼出的氣體受到身體熱羽流和較高的呼氣溫度的影響有向上彎曲的趨勢，穩定的空氣使持續或間歇射流更水平，而速度衰減低于中性穩定狀態.并且，空氣穩定性概念應用于室內環境，可以合理解釋與大氣現象類似的空氣凝滯分層現象.結果為控制污染物的傳播提供依據.

參考文獻

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[7]OLMEDO I， NIELSEN P V， RUIZ de ADANA M， et al. Distribution of exhaled contaminants and personal exposure in a room using different air distribution strategies ＼[J＼]. Indoor Air， 2012， 22（1）：64-76.

[8]VILLAFRUELA J M， OLMEDO I， RUIZ de ADANA M， et al. CFD analysis of the human exhalation flow using different boundary conditions and ventilation strategies ＼[J＼]. Building and Environment， 2013，62（4）：191-200.

[9]QIAN H，LI Y， NIELSEN P V， et al. Dispersion of exhaled droplet nuclei in a twobed hospital ward with three different ventilation systems ＼[J＼]. Indoor Air，2010，20（1）：111-128.

＼[10＼]GUPTA J K， LIN C， CHEN Q. Characterizing exhaled airflow from breathing and talking ＼[J＼]. Indoor Air， 2010，20（1）：31-39.

圖4為3種通風形式下的射流軌跡及中心線位置.中心線位置由高至低依次為無通風時、混合通風時及置換通風時.結果與Olmedo等人＼[7＼]測量結果一致.如圖4（c）所示，盡管Case 3的Ar比Case 4與Case 5的小，無通風作用，向上彎曲仍最明顯.Case 5射流受穩定環境的影響與周圍空氣的摻混最弱，相比Case 4射流較窄，如圖4（a）及（b）所示.

由此可見，影響射流軌跡的因素主要為：Ar，體表溫度及通風方式.隨Ar的增大呼氣射流彎曲越明顯，體表溫度越高造成熱羽越強，加劇了射流向上彎曲的程度，而溫度梯度的存在會抑制熱空氣的向上彎曲.

因此，間歇的呼氣過程與持續射流存在不同，呼氣量達到正弦峰值后開始衰減，造成呼吸呈脈動狀態，湍流發展更充分，污染物與周圍空氣摻混嚴重，呼氣氣流更加平坦.

3.3空氣穩定性對間歇呼氣的影響

空氣穩定性對間歇呼氣造成的影響是穩定狀態下氣流凝滯與分層，如圖6所示，在人體頭部上方區域（約1.7 m高度）存在污染物濃度較高的區域，原因是置換通風條件產生的豎直溫度梯度抑制污染物初始向上運動的趨勢，并且由于人體上部空間較高的溫度導致污染物上升的浮力減小，因此形成了污染物的分層，如圖7所示.

圖5中性穩定條件下，氣流在呼出過程中就不斷向上擴散，吸氣時氣流很快被通風稀釋，在人體頭部以上區域未觀察到濃度分層.但是由于置換通風

帶來的溫度梯度，污染物向上運動受到抑制，并且與周圍空氣摻混也減弱，而且由于上部空間溫度較高，污染物停滯在一定的高度，造成了室內分為下部潔凈、上部污染兩個區域.根據Bjorn與Nielsen＼[6＼]的研究，溫度梯度越大，分層的高度將越低，污染物更難向上擴散.這一現象與大氣逆溫造成的污染現象類似，地面污染物由于在穩定的大氣中難以向上運動而覆蓋在地面以上造成嚴重污染.由此可見，源于大氣的空氣穩定性概念應用于室內環境時同樣適用，并能合理解釋室內污染物的凝滯現象.

通過對不同豎直斷面的呼氣速度進行測量，得到各個測點位置的峰值平均速度并繪成速度剖面圖，如圖8（a）與（b）所示.可以發現，穩定狀態下（Case 7）向上彎曲的程度比無溫度梯度時要小.將各斷面的最大速度連線可以得到射流的速度中心線位置，見圖8（c），同樣驗證了穩定狀態下射流中心線位置低的結論，與持續射流現象類似.此外，同樣的出口速度，穩定狀態下的氣流速度衰減較慢，如圖8（a）與（b）所示，原因是穩定狀態限制了人體熱羽的發展及呼氣與周圍空氣的摻混能力，呼出的氣流較狹窄在發展過程中由于卷入了較少的空氣量而保持了較高的速度.4結論

通過煙氣可視化實驗及溫度、速度測量發現，置換通風帶來的穩定狀態和混合或無通風時的中性穩定狀態下，人體呼出氣體的擴散規律是不同的，不論是持續射流還是間歇的呼氣過程，空氣穩定性對呼氣擴散的影響顯著，表現在影響其軌跡彎曲程度及速度衰減.同時，間歇的呼氣過程與持續射流存在差異，在間歇過程中湍流充分發展污染物與周圍空氣迅速摻混，且呼氣氣流更加平坦.呼出的氣體受到身體熱羽流和較高的呼氣溫度的影響有向上彎曲的趨勢，穩定的空氣使持續或間歇射流更水平，而速度衰減低于中性穩定狀態.并且，空氣穩定性概念應用于室內環境，可以合理解釋與大氣現象類似的空氣凝滯分層現象.結果為控制污染物的傳播提供依據.

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圖4為3種通風形式下的射流軌跡及中心線位置.中心線位置由高至低依次為無通風時、混合通風時及置換通風時.結果與Olmedo等人＼[7＼]測量結果一致.如圖4（c）所示，盡管Case 3的Ar比Case 4與Case 5的小，無通風作用，向上彎曲仍最明顯.Case 5射流受穩定環境的影響與周圍空氣的摻混最弱，相比Case 4射流較窄，如圖4（a）及（b）所示.

由此可見，影響射流軌跡的因素主要為：Ar，體表溫度及通風方式.隨Ar的增大呼氣射流彎曲越明顯，體表溫度越高造成熱羽越強，加劇了射流向上彎曲的程度，而溫度梯度的存在會抑制熱空氣的向上彎曲.

因此，間歇的呼氣過程與持續射流存在不同，呼氣量達到正弦峰值后開始衰減，造成呼吸呈脈動狀態，湍流發展更充分，污染物與周圍空氣摻混嚴重，呼氣氣流更加平坦.

3.3空氣穩定性對間歇呼氣的影響

空氣穩定性對間歇呼氣造成的影響是穩定狀態下氣流凝滯與分層，如圖6所示，在人體頭部上方區域（約1.7 m高度）存在污染物濃度較高的區域，原因是置換通風條件產生的豎直溫度梯度抑制污染物初始向上運動的趨勢，并且由于人體上部空間較高的溫度導致污染物上升的浮力減小，因此形成了污染物的分層，如圖7所示.

圖5中性穩定條件下，氣流在呼出過程中就不斷向上擴散，吸氣時氣流很快被通風稀釋，在人體頭部以上區域未觀察到濃度分層.但是由于置換通風

帶來的溫度梯度，污染物向上運動受到抑制，并且與周圍空氣摻混也減弱，而且由于上部空間溫度較高，污染物停滯在一定的高度，造成了室內分為下部潔凈、上部污染兩個區域.根據Bjorn與Nielsen＼[6＼]的研究，溫度梯度越大，分層的高度將越低，污染物更難向上擴散.這一現象與大氣逆溫造成的污染現象類似，地面污染物由于在穩定的大氣中難以向上運動而覆蓋在地面以上造成嚴重污染.由此可見，源于大氣的空氣穩定性概念應用于室內環境時同樣適用，并能合理解釋室內污染物的凝滯現象.

通過對不同豎直斷面的呼氣速度進行測量，得到各個測點位置的峰值平均速度并繪成速度剖面圖，如圖8（a）與（b）所示.可以發現，穩定狀態下（Case 7）向上彎曲的程度比無溫度梯度時要小.將各斷面的最大速度連線可以得到射流的速度中心線位置，見圖8（c），同樣驗證了穩定狀態下射流中心線位置低的結論，與持續射流現象類似.此外，同樣的出口速度，穩定狀態下的氣流速度衰減較慢，如圖8（a）與（b）所示，原因是穩定狀態限制了人體熱羽的發展及呼氣與周圍空氣的摻混能力，呼出的氣流較狹窄在發展過程中由于卷入了較少的空氣量而保持了較高的速度.4結論

通過煙氣可視化實驗及溫度、速度測量發現，置換通風帶來的穩定狀態和混合或無通風時的中性穩定狀態下，人體呼出氣體的擴散規律是不同的，不論是持續射流還是間歇的呼氣過程，空氣穩定性對呼氣擴散的影響顯著，表現在影響其軌跡彎曲程度及速度衰減.同時，間歇的呼氣過程與持續射流存在差異，在間歇過程中湍流充分發展污染物與周圍空氣迅速摻混，且呼氣氣流更加平坦.呼出的氣體受到身體熱羽流和較高的呼氣溫度的影響有向上彎曲的趨勢，穩定的空氣使持續或間歇射流更水平，而速度衰減低于中性穩定狀態.并且，空氣穩定性概念應用于室內環境，可以合理解釋與大氣現象類似的空氣凝滯分層現象.結果為控制污染物的傳播提供依據.

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