Asmi, Ari

Helsingin yliopiston digitaalinen arkisto

Pro gradu -tutkielmaULKOILMAN PIENHIUKKASPITOISUUDEN VAIKUTUS SISÄILMANPITOISUUKSIINAri Asmi4.12.2000Ohjaaja: prof. Markku Kulmala ja dos. Liisa PirjolaTarkastajat: prof. Markku Kulmala ja dos. Liisa PirjolaHELSINGIN YLIOPISTOFYSIIKAN LAITOSPL 9 (Siltavuorenpenger 20 D)00014 HelsinkiHELSINGIN YLIOPISTO − HELSINGFORS UNIVERSITETTiedekunta/Osasto − Fakultet/Sektion Matemaattis-luonnontieteellinenLaitos − Institution Fysiikan LaitosTekijä − FörfattareAri AsmiTyön nimi − Arbetets titel Ulkoilman pienhiukkaspitoisuuden vaikutus sisäilman pitoisuuksiinOppiaine − Läroämne FysiikkaTyön laji − Arbetets art Pro graduAika − Datum 4.12.2000Sivumäärä − Sidoantal80+8Tiivistelmä − ReferatAlle yhden mikrometrin kokoisilla aerosolihiukkasilla on havaittu olevan haitallisiaterveysvaikutuksia väestölle. Vaikka suurin osa näiden aerosolihiukkasten lähteistä  onulkoilmassa, ovat ihmiset suurimman osan ajastaan sisätiloissa. Tämä pro gradu- tutkielmakäsittelee sisäilman ja ulkoilman pienhiukkaspitoisuuksien suhdetta. Työ jakaantuu kolmeenpääosaan: teoreettiseen osaan, mittauksia käsittelevään osaan ja sisäilman aerosoliensimulointia käsittelevään osaan.Teoriaosassa esitellään sisäilman aerosolien dynamiikkaan liittyviäaerosolifysiikan teorioita. Teorioista käsitellään aerosolihiukkasten suodatus,koagulaatio, depositio sekä aineiden tiivistyminen aerosolihiukkasten pinnoille.Teoriankäsittelyssä keskitytään sisäilmalle olennaisiin prosesseihin.Mittausosassa käsitellään Helsingin Pasilassa tammikuussa 1999 tehtyjä sisäilmanaerosolien ja kaasumaisten epäpuhtauksien mittauksia sekä esitelläänmittalaitteistot ja mittausten tulokset. Sisä- ja ulkotiloista mitattiinjatkuvatoimisesti aerosolihiukkasten kokojakaumaa kokovälillä 7-500 nm sähköiseenliikkuvuuteen perustuvalla menetelmällä (DMPS). Huoneesta mitattiin myös  useidenkaasufaasin epäorgaanisten ja orgaanisten aineiden pitoisuuksia, huoneen ilmanvaihtoonliittyviä parametreja sekä ilman lämpötilaa. Mittausosa sisältää myös lyhyen tulostenanalyysin ja tulkinnan.Simulaatio-osassa esitellään kaksi kehitettyä aerosolimallia: Yksinkertainenmassataseeseen perustuva malli ja tätä työtä varten kehitetty sektionaalinensisäilman aerosolien simulaatiomalli, joka pystyy ottamaan huomioon eri kokoistenaerosolien erilaiset vuorovaikutukset ympäristönsä ja toistensa kanssa.Simulaatiomalli ottaa huomioon tulo- ja  poistoilman, suodatuksen, deposition,termisen-, gravitaatio- ja turbulenttisen koagulaation, haihtumisen, tiivistymisen,sisälähteiden vaikutuksen, re-emission ja homogeenisen nukleaation. Malli olettaa sisätilankoostuvan yhdestä suorakulmaisesta tilasta, jossa vallitsee homogeeninen turbulenttinenvirtauskenttä. Malli on suunniteltu toimimaan aerosolijakaumien mallintamisessa kokovälillä2-700 nm, vaikkakin se soveltuu varauksin myös suurempien aerosolihiukkasten dynamiikansimulointiin. Työssä esiteltiin lisäksi useita malleilla tehtyjä simulaatioita, joiden pohjaltapystyttiin tekemään johtopäätöksiä eri aerosolifysiikan prosessien vaikutuksesta sisäilmanpitoisuuksiin. Lisäksi esitellään mallin  käyttöä mitattaustulosten analyysiin.Johtopäätöksinä todetaan rakennusvaipan parhaassa tapauksessa suojaavan erittäinhyvin sisäilmaa ulkoilman aerosolihiukkasten vaikutukselta. Sisä- ja ulkoilmapitoisuuksiensuhde on kuitenkin useiden rakennukseen ja ihmisen toimintaan liittyvien parametrienfunktio ja se riippuu voimakkaasti tutkittavien aerosolihiukkasten koosta. Tästä syystäpelkästään yksinkertaiseen massataseeseen perustuva sisäilman aerosolihiukkas-pitoisuuden mallinnus ei aina riitä kuvaamaan sisäilman aerosolien dynamiikkaa.Avainsanat - Nyckelord aerosolit, sisäilma, suodatus, ilmanvaihto, depositio, koagulaatioSäilytyspaikka - FörvaringställeMuita tietojaSisalto1 Johdanto 21.1 Aerosolit ja aerosolihiukkaset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Mittayksikoista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Aerosolihiukkasten terveysvaikutukset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Sisailman merkitys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Sisailman aerosolifysiikan teoriaa 72.1 Aerosolien dynamiikka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Koagulaatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.1 Terminen koagulaatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.2 Muut koagulaatiomekanismit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Tiivistyminen ja haihtuminen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4 Depositio ja re-emissio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.1 Depositio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.2 Muut depositiomekanismit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4.3 Re-emissio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5 Nukleaatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.6 Suodatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.6.1 Suodattimen lapaisykertoimen arviointi aerosolihiukkasille . . . . . . 212.6.2 Yksittaisen kuidun suodatustehokkuus . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.6.3 Esimerkki eri prosessien vaikutuksesta suodatustehokkuuteen . . . . 242.7 Aerosolidynamiikan mekanismien vaikutukset aerosolipopulaatioon . . . . . 243 Sisa- ja ulkoilman epapuhtauksien mittaukset Pasilassa 1999 273.1 Mittausten tavoite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2 Mittauspaikka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3 Mittalaitteisto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3.1 DMPS - Laitteisto aerosolihiukkasten kokojakauman selvittamiseen . 283.3.2 Epaorgaanisten kaasujen mittaus Pasilassa . . . . . . . . . . . . . . 313.3.3 Orgaanisten aineiden pitoisuuksien mittaus . . . . . . . . . . . . . . 313.3.4 Ilmanvaihdon, lampotilan ja paineen mittaukset . . . . . . . . . . . 313.4 Mittaustulokset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.4.1 Aerosolien kokojakaumat sisalla ja ulkona . . . . . . . . . . . . . . . 323.4.2 Sisailmassa havaitut aerosolihiukkasten lahteet . . . . . . . . . . . . 363.4.3 Kaasumaisten aineiden pitoisuudet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.4.4 Ilmanvaihtokertoimet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3914 Sisailman aerosolihiukkasten dynamiikan simulointi 404.1 Tietokonemallit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.2 Yksinkertainen sisailmamalli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.2.1 Yksinkertaisen mallin oletukset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3 Sektionaalinen sisailmamalli SIAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3.1 Diskreetti yleinen dynaminen yhtalo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.3.2 Nukleaatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 Esimerkkeja sisailmamallin kaytosta 515.1 Alkuarvot simulointeihin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.1.1 Parametrien arvoista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.1.2 Pasilan mittauspaikan simulointi - alkuarvot . . . . . . . . . . . . . 515.1.3 Muut simulaatiot - alkuarvot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.2 Simulaatiot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.2.1 Pasila-simulaatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.2.2 Muut simulaatiot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596 Johtopaatokset 716.1 Sisa- ja ulkoilman epapuhtauksien mittaukset . . . . . . . . . . . . . . . . . 716.2 Sisailman aerosolihiukkasten pitoisuuksien simulointi . . . . . . . . . . . . . 716.3 Tutkimustulosten kaytto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.4 Tulevia tutkimuskohteita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73A Koagulaatiokertoimen Fuchsin muoto iB EGK:n maarittaminen ii

Ulkoilman pienhiukkaspitoisuuden vaikutus sisäilman pitoisuuksiin

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Helsingin yliopiston digitaalinen arkisto