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: 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:滑移通量模型中没有考虑热迁移和紊流对
2、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,存在很大的安全隐患。
3、 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100m的液体和固体颗粒
4、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 学直径在0.12.5m,
5、 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2.5m的颗粒物可以通过
6、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。原福胜等通过对不同粒径
7、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长,因此室内成为人类颗
8、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粒物 浓度分布的方法,
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