—— 以以 为代表性污染物为代表性污染物

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•主讲人：段理慧主讲人：段理慧

组员组员：：唐双 程丽 段唐双 程丽 段理慧 吴孝武理慧 吴孝武 ---------- 做做ＰＰＴ参与讨论ＰＰＴ参与讨论

　　公交车公交车仍是当今绝大多数人出门的交通工具。人员高度流动的大城市，公共汽车车辆相对不足，汽车乘载压力非常大，在高峰期一辆公交车可挤上六七十六七十人 , 虽然公交车比轿车车厢的空间大，乘客产生的废弃物废弃物和各种分泌物分泌物比轿车多上百倍。

　　 空气的主要成分是 O2 和 CO2 ，室内空气中 CO2 浓度增加，必然导致 O2 浓度的下降，从而引起人体感觉的不适。

通常 CO2 在浓度不高的时候它无色也无刺激性气味，所以人们无法感受到。但若是车厢通风不良， CO2 的浓度就会随着乘客的呼吸而迅速升高，乘客会因缺氧而变得困倦或嗜睡。

此时乘客通常以为自己是 因

为疲劳而昏昏欲睡，并没有 意识到自己缺氧。 缺氧

会对人体，尤其 对大脑产生危害。

　　有专家调查称，车在开空调的时候车窗紧闭，空气不能及时流通，致使大约 65 ％的司机司机 驾车驾车时会出现头晕、困倦、咳嗽的现象，也 有司机因此感到压抑烦躁、注意力无法集中 等。 车内人员高度密集，特别是一些密闭的空调车，不开空调时车内尤其闭闷， 车内空气浑浊，对人体健康不利，极易成为呼 吸道传染性疾病的传播场所。 　

　　从理论上讲，空调车厢内所需要新风量应等于室内各种污染物分别稀释至允许浓度所需新风量的总和。

但由于入室新风能够同时稀释各种污染物，因此只需通过比较单独稀释各种污染物所需要新风量，从中选取最大值作为车厢内所需要新风量即可满足要求。

根据有关研究结果，要使车厢内的各项污染物均达到合格的要求，按照 CO2 浓度指标所确定的新风量最多。

• 通风不足时，不能满足乘客的需要；同时多余的新风又会造成浪费，使空调系统耗能增多，引出了节能问题 以以二氧化碳二氧化碳的浓度的浓度指标定量分析指标定量分析新风量对新风量对空气品质的影响空气品质的影响，，我们需要确定车厢内需要输我们需要确定车厢内需要输入的人均新风量为多少入的人均新风量为多少 ? ? 公交车出发前需要的公交车出发前需要的预冷时间预冷时间 ??

　　 空调公交车内影响空气品质 的机理探讨 —以二氧化碳为代表性污物

为了改善空调公交车内空气品质 , 对其影响机理进

行研究是十分重要的。本小组将分析气流组织和新风

对空调公交车内空气品质的影响，并以 COCO22 的浓度的浓度指

标定量分析新风量对车内空气品质的影响，确定需要

输入的新风量、确定公交车出发前需要的预冷时间公交车出发前需要的预冷时间。

。

　　　

车厢引入新风的目的是为了保证车内污染物的浓度污染物的浓度不超过允许值，使车厢内保持一定的清洁度清洁度与舒适度舒适度。因此，输入的新风量只要足以确保污染物的浓度污染物的浓度在规定范围内即可。 在空调场所中利用回风、减少新风利用回风、减少新风是节能节能的需要，特别是在夏季室内、外温差较大的情况下，混入的回风量愈混入的回风量愈多，使用的新风量愈少，就愈显得节能多，使用的新风量愈少，就愈显得节能。然而，任意地减任意地减少新风，必然影响室内空气品质。少新风，必然影响室内空气品质。

　

置换通风是基于因空气密度差而形成的热气流上升和冷气流下降的原理 [4]（见图 2）。

置换通风其特点是•　　将新鲜空气集中提供给人，而不必布满整个空间。•　　与传统的混合通风相比，提高了通风效率，降低了制冷机和通风机的能耗。•　　同传统的混合通风空调系统相比，置换通风空调系统中采用较低的空气流速就可以在人体工作区域得到合适的空气参数，而混合通风需要较大的风速才能做到。　　但是，置换通风受热舒适性的限制，不易达到室内设计参数的要求。这样的室内，较大的垂直温差会引起头暖脚冷的感觉。

由此 ,我们小组便思考该用什么模型来研究 CO2 浓度对空气品质的影响呢？

• 　　　　经过讨论和相关的资料收集，我们小组提出了模型：经过讨论和相关的资料收集，我们小组提出了模型：质质量守恒模型量守恒模型

• 　　采用质量守恒　　　　　　　　　计算模型（见图　　采用质量守恒　　　　　　　　　计算模型（见图 33），），　　　　　　　　　　　　合　　　　　　　　　　　　合 COCO22 的浓度指标　　　　　　的浓度指标　　　　　　　　　　　　来　　　　　　　　　　　分析公交车内空气　　　　　　来　　　　　　　　　　　分析公交车内空气　　　　　　　　　　　污染物浓度变化的　　　　　　　　　　　　　　　　　　污染物浓度变化的　　　　　　　　　　情况，确定新风的输入量和车厢预冷　　　　　　间。　　　情况，确定新风的输入量和车厢预冷　　　　　　间。

设置参数如下： L0 为送入车厢的新风量， m3/s；C0 为新风中污染物的体积浓度；M0 为污染物发生量，m3/s；m 为回风率（回风量占送风量的百分比）； C为车厢内污染物的体积浓度； L 为送入车厢的总送风量，m3/s； V 为车厢的体积， m3； η 为空气过滤装置的效率； L(1－m) 为排风量， m3/s；mL 为回风量， m3/s；

　　并且假定：（ 1）新风中污染物质浓度 C0 为常数；（ 2）车厢内污染物质分布均匀；（ 3）由于车厢内存在一定的正压，通过缝隙进入车厢内的污染物忽略不计。

根据质量守恒定律和示意图，得到车厢内污染物进出车厢的质量平衡方程，在时间间隔 dt 内：

（ 1）

因为对于 CO2来说，空气过滤器并不能把它过滤掉，所以 η＝ 0 ，即 （ 2）

由（ 2）式得

（ 3）

0 0 0( d d )(1 ) d d d L C t mLC t - M t - LC t V c

0 0 0d d d d d (L C t mLC t) M t - LC t V c

0 0 0d d (1 ) d d L C t M t - L - m C t V c

已知 （ 4）

所以 （ 5）

（ 6）

0 (1 )L L - m0 0

0d

( )d

C M L

C - Ct V V

0 0 00

d( )( )

d

C - C M LC - C

t V V

乘客人数变化较大

当乘客人数变化较大时， M0 与乘客人数 N 有关， M0也与时间　 t 有关。因为

（ 7）式中： M 为污染物的单位发生量， m3/（ s· 人）。将式（ 7）代入（ 6）：

0 M MN

0 0 00

d( )( )

d

C - C M LC - C

t V V

则有 （ 8）

解一阶微分方程（ 8）式得 （ 9）

整理得 （ 10）

因为当 t＝ 0 时， C＝ C0 ，所以上式中的常数 B＝ 0 　得 （ 11）

0 00

d( )( )

d

C - C MN LM C - C

t V V

0 0

00

e d e L L

t - ttV VMN

C - C ( t B)V

00

( e d )e 0 0L L

t - ttV VMN

C C t BV

00

e e 0 0L L

- t ttV VMN

C C dtV

当前的空调公交车中新风量占通风量的比例是固定不变。由式（ 11）得，在人数变动较大的情况下，车厢内污染物浓度的变化也较大，则车厢中实际需要的新风量也变化较大，因此空调公交车内经常出现： 人少时，新风量超过实际需要的量，造成能源的浪费； 人多时，又不能适时地增大新风量，以满足乘客需要。

2.1.2 乘客人数变化小　　当乘客数量变化很小时， M0 与乘客人数 N 无关，与时间也 t 无关， M0 可视为常数。由（ 6）式得 （ 12）

对（ 12）式积分得 （ 13）

整理得 （ 14）

0 0 0 0 0

0 0 0 0

d( )d

M - L C L C L

- tM - L C L C V

0

0 0 0 0 0

00 0 0 0

dd

C t

C

(M - L C L C ) L- t

M - L C L C V

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0ln

M - L C L C L

- tM - L C L C V

整理得 （ 15）

再得 （ 16） 　　在当前的空调公交车中，为了在任何情况下都能满足车厢内空气的卫生标准，新风的输入量应当取最大值，即： （ 17）

00

0

ML

C - C

0

00

0

(1 e )

L- t

VM -L

C - C

00

00

(1 e ) L

- tVM

C C -L

式（ 17）是在人数变动很小时，车厢需要输入的新风量的计算公式。由式（ 17）看，需要输入的新风量 L0 与新风中污染物的浓度 C0 有关，在其他因素不变的情况下， L0 随 C0增大而增大，即若新风中污染物的浓度较大时，为了满足卫生要求，需输入更多的新风。 例如在城市的闹市去和郊区的工业区，室外的空质量本身就比较差，新风中污染物的浓度 C0 就比较高，因此途径这些地区的空调公交车就必需引入更多的新风。同时 L0 与 M0 有关，而 M0 随人数增多而增大的，则 L0 也随乘客的增多而增大，因此乘客增多，输入的新风也要增多，才能满足需求。

　　在车厢中，乘客的活动强度为不大，取人体的 CO

2 呼出量 M＝ 0.022m3/(h· 人 ) 。

取新风中 CO2 的浓度 C0＝ 0.03 ％。取车厢内 CO2为 0.15 ％ [11] ，符合卫生标准时的取值。由式（ 17）计算得到，车厢内人均需要的新风量为 18.33 m3/h 。

公交车被清空• 当公交车到终点站被清空后，当公交车到终点站被清空后， MM00＝＝ 00 ，从车内最大浓度，从车内最大浓度 CCmm 变变化到接近化到接近 CC00 ，需时间，需时间 tt 。。

• 从（从（ 55）式中去掉这一项，得 　　（）式中去掉这一项，得 　　（ 1818））

• 对（对（ 1818）式积分 ）式积分 （（ 1919））

• 得 得 （（ 2020））

• 整理得 （整理得 （ 2121））

• 式（式（ 2121）说明，当车到达终点站后，虽然车厢被清空，但车厢）说明，当车到达终点站后，虽然车厢被清空，但车厢内污染气体的浓度仍然较高，此时不宜马上让乘客上车，再次发内污染气体的浓度仍然较高，此时不宜马上让乘客上车，再次发车。应该使空调系统继续运行一段时间，让车厢彻底通风后再让车。应该使空调系统继续运行一段时间，让车厢彻底通风后再让乘客上车。乘客上车。

)(d

d0

0C-C

V

L

t

C

tC

Ct

V

L

C-C

C0d

d 0

0m

tV

L

C-C

C-C 0

0m

0 ln

tV

L-

C-CCC(t)0

)e( 0m0

• 　　　　取新风中取新风中 CO2CO2 为＝为＝ 0.030.03 ％。％。• 　　以　　以 11 辆载客量为辆载客量为 6060 人的空调公交车计算，人的空调公交车计算，

所需输入的新风量所需输入的新风量 L0L0＝＝ 18.33×6018.33×60 ＝＝ 1 099.8 m1 099.8 m3/h3/h 。取车厢体积。取车厢体积 VV＝＝ 8.5×2.5×38.5×2.5×3 ＝＝ 63.75 m3 63.75 m3 。。取车厢内取车厢内 CO2CO2 的最大体积浓度的最大体积浓度 CCmm ＝＝ 0.150.15 ％％[11][11] 。由式（。由式（ 2121）计算可得出车厢内）计算可得出车厢内 CO2CO2 的的浓度随时间变化的情况，如图浓度随时间变化的情况，如图 44 所示。所示。

　　从图 4 可见，在空调系统继续正常工作约 15 min后，车厢内 CO2 的浓度才能被稀释到接近室外 CO2 的浓度（ 0.03 ％）。　　使空调系统继续运行一段时间，让车厢彻底通风，这样的操作称为“预冷”。车厢经过约 15 min 的预冷后，下批乘客就能够在起点站呼吸到新鲜的空气。

从现实对象到数学模型的建立从现实对象到数学模型的建立 :: 根据对空调公交车内空气流通的特性认识根据对空调公交车内空气流通的特性认识 ,, 找出映找出映其内部机理的数量规律 其内部机理的数量规律 通过对量测 通过对量测数据的统计分析数据的统计分析 ,, 找出与数据相合的模型找出与数据相合的模型……

我们所采用的模型是我们所采用的模型是对某个因素单独考虑作为研对某个因素单独考虑作为研究其它变量的标准；运用了究其它变量的标准；运用了质量守恒等模型计算质量守恒等模型计算

：：

模型具体应用我们的模型可转移到如下问题的研究我们的模型可转移到如下问题的研究最近最近

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