王 燁， 孫鵬寶， 付銀安， 管?chē)?guó)祥， 王靖文

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院， 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)鐵道車(chē)輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730070)

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圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合傳熱條件下地板供暖室內(nèi)甲苯擴(kuò)散的數(shù)值分析

王 燁1,2， 孫鵬寶1， 付銀安1， 管?chē)?guó)祥1， 王靖文1

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院， 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)鐵道車(chē)輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730070)

為獲得冬季自然通風(fēng)數(shù)值模擬所需室內(nèi)污染物分布的初始條件，采用Realizablek-ε湍流模型對(duì)蘭州地區(qū)某地板供暖住宅內(nèi)C7H8擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析. 結(jié)果表明：地板所含C7H8沿地板外法線方向擴(kuò)散過(guò)程受室內(nèi)外耦合傳熱影響，其時(shí)空分布存在顯著差異. 當(dāng)?shù)匕灞砻婢S持27 ℃、擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)達(dá)到19 h時(shí)，C7H8在Z=1.10 m高度水平面上的濃度平均值趨于平緩，達(dá)到了室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求上限值的3倍左右，但室內(nèi)空氣平均溫度和舒適性能滿足居住者的需求. 因此，結(jié)合蘭州地區(qū)氣候條件和人們的生活起居習(xí)慣，確定以污染物擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)19 h的室內(nèi)污染物濃度場(chǎng)和室內(nèi)熱環(huán)境條件作為后續(xù)自然通風(fēng)數(shù)值分析的初始條件是合理的.

室內(nèi)空氣品質(zhì)；地板供暖；耦合傳熱；污染物散發(fā)

長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉窗戶必然會(huì)導(dǎo)致由人體、地板、墻壁、家具等散發(fā)的污染物在室內(nèi)聚集，使得室內(nèi)空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化. 在改善室內(nèi)空氣品質(zhì)方面，自然通風(fēng)因具有潔凈、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而引起了人們的關(guān)注，并取得了大量的研究成果[1-11]. 因此，獲得室內(nèi)污染物擴(kuò)散的時(shí)空分布對(duì)研究自然通風(fēng)問(wèn)題尤為重要. 文獻(xiàn)[12]利用軟件分別對(duì)干濕2種材料在不同送風(fēng)方式和送風(fēng)量下的污染物分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)不同材料在不同送風(fēng)方式下散發(fā)形成的污染物濃度的分布情況有較大差異. 文獻(xiàn)[13]對(duì)意大利8所學(xué)校教室的多種揮發(fā)性有機(jī)化合物的擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究. 文獻(xiàn)[14]對(duì)巴西某博物館氣態(tài)污染物的被動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程做了跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不同的污染物會(huì)在工藝品表面發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，由此可能會(huì)對(duì)藝術(shù)品造成不可逆的損害. 文獻(xiàn)[15]對(duì)某房間裝飾材料的甲醛釋放過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同的裝飾材料搭配使用可以改變室內(nèi)的甲醛含量. 文獻(xiàn)[16]對(duì)使用不同催化劑消除室內(nèi)甲醛的過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)使用不同的催化劑涂抹污染物表面對(duì)污染物擴(kuò)散過(guò)程的影響不同. 蘭州“兩山夾一谷”的帶狀地形以及典型的靜風(fēng)氣候，極不利于污染物的輸送和稀釋[17]. 同時(shí)，蘭州屬于寒冷地區(qū)，冬季氣候干燥、日較差大. 1月平均氣溫為-6.9 ℃，極端最低氣溫為-21.7 ℃. 大溫差下的室內(nèi)外耦合傳熱對(duì)供暖負(fù)荷影響很大，也限制了自然通風(fēng)的時(shí)段和時(shí)長(zhǎng). 所以，為制定適合本地氣候特征的自然通風(fēng)策略，首先必須獲得自然通風(fēng)開(kāi)始時(shí)刻的室內(nèi)環(huán)境參數(shù). 目前，對(duì)于地板供暖情況下甲苯作為室內(nèi)地板主要污染物的擴(kuò)散過(guò)程的研究較少. 本文以蘭州地區(qū)常見(jiàn)戶型和朝向的住宅建筑為研究對(duì)象，對(duì)房間不通風(fēng)時(shí)段室內(nèi)地板C7H8在室內(nèi)外耦合傳熱影響下的擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析，獲得了不同擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)室內(nèi)不同位置污染物的分布特征，為后續(xù)研究冬季自然通風(fēng)問(wèn)題提供了合理的初始條件.

1 物理模型和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

研究住宅位于8層建筑的第4層，見(jiàn)圖1. 結(jié)構(gòu)尺寸為：X×Y×Z=10.5 m×13.2 m×2.9 m；外墻傳熱系數(shù)K=0.46 W/(m2·K). 客廳外窗面積為：高×寬=1.5 m×1.8 m；臥室外窗面積均為：高×寬=1.5 m×1.2 m. 外窗傳熱系數(shù)Kc=2.2 W/(m2·K). 冬季室內(nèi)供暖方式為地板供暖.

目前，市場(chǎng)上在售的地板種類(lèi)多、材料成分復(fù)雜，含有甲醛、甲苯、苯、氨、氡等，是室內(nèi)污染物的主要來(lái)源之一，但不同材質(zhì)的地板所含各種污染物的成分比重會(huì)有所差別. 大多數(shù)文獻(xiàn)中一般采用多因子指數(shù)來(lái)體現(xiàn)空氣中多種污染物在擴(kuò)散過(guò)程中的相互激勵(lì)或抑制作用. 裝修材料中被嚴(yán)加控制的C7H8是引發(fā)建筑綜合征以及人體癌變的誘因之一，對(duì)人體健康極為不利. 為簡(jiǎn)化分析，假定本文所研究房間內(nèi)地板以散發(fā)甲苯為主，以甲苯在室內(nèi)的濃度水平作為評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的代表性指標(biāo).

1.2 簡(jiǎn)化假設(shè)

由于實(shí)際環(huán)境中污染物散發(fā)過(guò)程復(fù)雜多變，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，做如下假設(shè)：

1) 在地板表面，污染物只沿地板外法線方向散發(fā)，為一維質(zhì)擴(kuò)散；

2) 在氣固交界面上，污染物擴(kuò)散速率保持恒定；

3) 忽略室內(nèi)墻壁、房頂?shù)鹊奈阶饔茫?/p>

4) 衛(wèi)生間、廚房為封閉區(qū)域，不參與室內(nèi)外熱質(zhì)交換.

1.3 數(shù)學(xué)模型

圖2為文獻(xiàn)[18]中的通風(fēng)物理模型，采用目前常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型以及Realizablek-ε模型分別對(duì)文獻(xiàn)[18]的通風(fēng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析. 計(jì)算中邊界條件設(shè)置及相關(guān)參數(shù)賦值均與文獻(xiàn)[18]的實(shí)際情況一致. 空氣為不可壓縮流動(dòng)，密度變化采用Boussinesq假設(shè).

將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如圖3所示. 可以看出，3種湍流模型對(duì)速度的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值均存在不同程度的偏差，但標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值間差異最大. 3種模型對(duì)溫度的模擬結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)值很接近. 綜合速度和溫度的模擬計(jì)算結(jié)果，本文選取Realizablek-ε模型作為后續(xù)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型.

1.4 初始條件及邊界條件

1) 假設(shè)初始時(shí)刻室內(nèi)C7H8質(zhì)量濃度為0 mg/m3，初始溫度取18 ℃，空氣成分(體積分?jǐn)?shù))：O2為21%，CO2為0.04%，H2O為0.04%，其余均為N2. 根據(jù)文獻(xiàn)[19]對(duì)室內(nèi)C7H8允許的體積分?jǐn)?shù)之規(guī)定，假設(shè)20:00至次日11:00間不開(kāi)窗通風(fēng)(在此期間室外空氣溫度很低)為一個(gè)可能的散發(fā)時(shí)長(zhǎng)，結(jié)合房間體積，可求得初始散發(fā)速率為5 μg/s，即設(shè)為地板的質(zhì)量入口. 若11:00時(shí)室內(nèi)考察區(qū)域(即Z=1.10 m水平面)C7H8的質(zhì)量濃度未超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之限值，則適當(dāng)延長(zhǎng)擴(kuò)散時(shí)間，修正擴(kuò)散速率，直至達(dá)到要求.

2) 考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)溫度波的衰減和延遲效應(yīng)，采用文獻(xiàn)[20]中的非穩(wěn)定傳熱方法計(jì)算得到通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度平均值(如圖4、5所示)，設(shè)為數(shù)值模擬污染物擴(kuò)散過(guò)程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱邊界條件.

室內(nèi)采暖熱負(fù)荷均由地板提供，根據(jù)文獻(xiàn)[21]的規(guī)定，設(shè)定地板表面溫度為27 ℃. 不考慮鄰室傳熱，所以，內(nèi)墻、天花板均設(shè)為絕熱邊界.

1.5 室外氣溫條件

蘭州地區(qū)冬季夜晚氣溫低，白天部分時(shí)段氣溫較高. 如果在溫度較低時(shí)段進(jìn)行自然通風(fēng)不利于保證室內(nèi)舒適性，人們一般在這些時(shí)段習(xí)慣于緊閉窗戶以維持室溫. 為體現(xiàn)室外環(huán)境參數(shù)與室內(nèi)環(huán)境參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，本文給出計(jì)算日室外綜合溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖6所示.

2 數(shù)值方法

2.1 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散時(shí)，為獲得污染物擴(kuò)散的準(zhǔn)確信息，對(duì)地板附近區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密處理. 采用520 590、672 138和868 434三套網(wǎng)格對(duì)(X=8.98 m，Y=3.00 m)處的速度和溫度分別進(jìn)行了計(jì)算，所得結(jié)果間差異很小，所以，所得解是網(wǎng)格獨(dú)立的. 為節(jié)約計(jì)算成本，后續(xù)計(jì)算中選用672 138這一網(wǎng)格數(shù). 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格如圖7所示.

2.2 方程求解

求解控制方程時(shí)，速度和壓力耦合問(wèn)題采用了SIMPLE算法[22]；動(dòng)量方程、能量方程、湍流動(dòng)能方程、湍流動(dòng)能耗散率方程均采用二階迎風(fēng)格式離散. 求解控制方程時(shí)的收斂條件與文獻(xiàn)[23]相同.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

文獻(xiàn)[19,21]規(guī)定室內(nèi)密閉1 h后才能對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行采樣分析. 文獻(xiàn)[24]對(duì)室內(nèi)密閉6、12 h后的污染物擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬. 本文選擇C7H8散發(fā)6、12、15、19 h后的質(zhì)量濃度分布進(jìn)行分析.

根據(jù)文獻(xiàn)[19]的規(guī)定，密閉1 h后，C7H8的質(zhì)量濃度平均值超過(guò)0.2 mg/m3即視為污染物超標(biāo)，換算為濃度則是2.17×10-6mol/m3. 為全面了解住宅內(nèi)各區(qū)域污染物分布，本文重點(diǎn)觀測(cè)Y=3.00 m橫截面以及與之垂直的(即人員呼吸區(qū)高度Z=1.10 m)水平面C7H8分布情況.

3.1 不同擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)污染物濃度場(chǎng)比較

圖8為不同時(shí)刻Y=3.00 m橫截面上C7H8濃度分布. C7H8沿地板外法線方向向上的擴(kuò)散過(guò)程是在濃度梯度和溫度梯度共同作用下連續(xù)進(jìn)行的. 由于C7H8密度大于空氣的密度，離開(kāi)地板一定距離后，重力的作用逐漸變得顯著起來(lái)，并與熱浮升力相抗衡，使得室內(nèi)的氣流組織、溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及污染物遷移、擴(kuò)散過(guò)程變得更加復(fù)雜. 由圖8(a)可知，散發(fā)6 h時(shí), 地板附近的C7H8濃度梯度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離地板的區(qū)域，室內(nèi)C7H8濃度分布極不均勻，各房間的濃度水平也存在顯著差異. 中間房間內(nèi)污染物濃度沿房間寬度方向表現(xiàn)出了層狀分布的特征，而其他2個(gè)房間內(nèi)污染物濃度沿房間高度方向呈現(xiàn)出典型的垂直分層現(xiàn)象. 房間頂部也有局部高濃度區(qū)域，這是浮升力作用下的自然對(duì)流流動(dòng)與傳熱過(guò)程中溫度場(chǎng)與污染物濃度場(chǎng)間耦合作用的體現(xiàn). 圖8(b)(C7H8散發(fā)12 h)表明，各個(gè)房間C7H8沿房間高度方向的擴(kuò)散范圍進(jìn)一步增大，濃度水平較散發(fā)6 h均有提高，但濃度場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化不大，因?yàn)榇藭r(shí)溫度變化引起空氣和C7H8熱物性的變化對(duì)Re數(shù)的影響還不足以改變主導(dǎo)流體流動(dòng)的力，從而對(duì)濃度場(chǎng)的影響也就很微弱. 圖8(c)(C7H8散發(fā)15 h)表明，除了由于C7H8密度大于空氣密度而在靠近地板附近區(qū)域有少量集聚外，在濃度差和浮升力的共同作用下，C7H8在整個(gè)室內(nèi)空間中充分?jǐn)U散，各房間沿高度方向C7H8的濃度差明顯減小. 這是因?yàn)镃7H8的持續(xù)擴(kuò)散使之與室內(nèi)氣體之間的熱質(zhì)交換更加充分，C7H8的濃度分布更趨均勻，受限空間的每個(gè)角落都充斥了濃度超過(guò)限值2倍以上的污染物. 圖8(d)(C7H8散發(fā)19 h)表明，隨著擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)的增大，低濃度區(qū)范圍顯著減小，但室內(nèi)污染物濃度沿房間高度方向增大的速率較散發(fā)15 h更加緩慢，一方面是因?yàn)閺浬⒃诜块g內(nèi)的污染物使得地板附近區(qū)域與遠(yuǎn)離地板區(qū)域間的濃度差逐漸減小，從而減小了濃度差這一污染物擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，散發(fā)19 h時(shí)室外溫度已達(dá)到了4.85 ℃[25]，透過(guò)窗戶的太陽(yáng)輻射使得室內(nèi)溫度有所上升，分子熱運(yùn)動(dòng)隨之加劇，C7H8局部擴(kuò)散加速，同時(shí)甲苯密度減小，浮升力逐漸控制空氣與甲苯的混合氣流狀態(tài)，污染物隨熱羽流朝天花板方向運(yùn)動(dòng). 但室內(nèi)溫升又減弱了室內(nèi)自然對(duì)流換熱強(qiáng)度，污染物隨邊界層的運(yùn)移受到了抑制. 以上原因?qū)е铝薈7H8在局部位置的集聚和大部分區(qū)域濃度梯度較小的分布格局. 另外，不同房間受室外環(huán)境條件的影響程度不同，其內(nèi)部污染物濃度的時(shí)空分布也表現(xiàn)出了顯著差異. 而且，不同擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的各房間內(nèi)污染物濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了文獻(xiàn)[19]規(guī)定的上限值.

圖9為不同時(shí)刻Z=1.10 m水平面上C7H8的濃度分布. C7H8的空間遷移主要受重力及浮升力影響，其擴(kuò)散速率小. 如圖9(a)所示，散發(fā)6 h時(shí)室內(nèi)的濃度差較小，所以，此時(shí)各個(gè)房間內(nèi)Z=1.10 m水平面上C7H8的濃度水平相當(dāng)，但有窗戶房間內(nèi)濃度梯度較大，而客廳無(wú)窗戶一側(cè)的污染物濃度較均勻. 導(dǎo)致室內(nèi)污染物這一分布格局的一個(gè)主要原因是通過(guò)窗戶的熱流密度大于墻體(如圖4、5所示)，從而對(duì)窗戶附近區(qū)域的自然對(duì)流換熱過(guò)程的影響更顯著.

圖9(b)(C7H8散發(fā)12 h)表明，隨著室內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不斷變化，污染物濃度場(chǎng)結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜，各房間內(nèi)污染物濃度水平較擴(kuò)散6 h時(shí)均有提高，污染物濃度場(chǎng)結(jié)構(gòu)的差異也逐漸顯現(xiàn)出來(lái). 圖9(c)(C7H8散發(fā)15 h)表明，各房間內(nèi)的污染物濃度產(chǎn)生了顯著差異. 污染物高濃度區(qū)域范圍得到了進(jìn)一步擴(kuò)展. 由圖6可知，此時(shí)室外氣溫已處于回升階段，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對(duì)室外環(huán)境條件的敏感性更加明顯，即室內(nèi)溫度的升高加速了污染物的遷移速率. 客廳遠(yuǎn)離窗戶一側(cè)區(qū)域污染物濃度高于其他房間. 當(dāng)污染物擴(kuò)散持續(xù)到19 h，如圖9(d)所示，室內(nèi)絕大部分區(qū)域污染物濃度趨于同一水平，并且變得更加均勻，呈現(xiàn)出界限清晰的污染物濃度分布特征. 一方面是因?yàn)橥高^(guò)窗玻璃的太陽(yáng)輻射熱抑制了室內(nèi)的自然對(duì)流換熱過(guò)程，邊界層的運(yùn)移速度有所降低，加之室內(nèi)溫度的分層現(xiàn)象導(dǎo)致來(lái)自地板的污染物在局部區(qū)域的滯留；另一方面，污染物在水平方向隨運(yùn)動(dòng)氣流的擴(kuò)散遷移，是室內(nèi)外耦合傳熱、溫度場(chǎng)及流場(chǎng)對(duì)濃度場(chǎng)綜合作用的結(jié)果. 以上不同時(shí)段污染物擴(kuò)散的分布格局為后續(xù)自然通風(fēng)策略的制定提供了理論參考，也為進(jìn)行自然通風(fēng)數(shù)值分析提供了初始條件.

3.2 室內(nèi)污染物濃度隨擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)變化

由3.1節(jié)分析可知，各房間內(nèi)污染物分布隨擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)變化存在一定差異. 圖10為室內(nèi)Z=1.10 m水平面上污染物濃度平均值隨擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系. 可以看出，隨著擴(kuò)散過(guò)程的進(jìn)行，室內(nèi)污染物濃度的增長(zhǎng)速度逐漸減小，這是已擴(kuò)散至室內(nèi)的污染物導(dǎo)致濃度差這一擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力逐漸減小的緣故. 擴(kuò)散19 h(即15:00)之后，室內(nèi)污染物濃度平均值曲線趨于平緩. 此時(shí)，認(rèn)為室內(nèi)污染物的擴(kuò)散、遷移達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡. 如果繼續(xù)關(guān)閉門(mén)窗，室內(nèi)污染物濃度還會(huì)緩慢上升. 但由圖6可知，蘭州地區(qū)15:00之后室外氣溫已處于下降階段，又考慮到冬季通風(fēng)時(shí)間超過(guò)全天時(shí)間的10%～25%會(huì)引起冬季建筑能耗的過(guò)度增加并犧牲室內(nèi)舒適度[3]，所以，在給定的地板表面溫度條件下，本文所研究建筑的自然通風(fēng)開(kāi)始時(shí)刻取15:00較合適.

3.3 舒適性

墻體較大的熱惰性使得室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對(duì)室外環(huán)境參數(shù)變化的敏感性有所降低，但窗戶作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要的散熱構(gòu)件，對(duì)溫度波的衰減和延遲效應(yīng)比墻體差得多. 所以，夜間室外氣溫變化必然會(huì)通過(guò)窗戶影響室內(nèi)熱舒適性. 圖11給出了室內(nèi)距地板1.10 m水平面上預(yù)測(cè)平均投票數(shù)PMV的平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨時(shí)間的變化情況. 可以看出，自20:00至次日15:00，-0.32

4 結(jié)論

1) 采用Realizablek-ε湍流模型能實(shí)現(xiàn)對(duì)寒冷地區(qū)冬季室內(nèi)污染物擴(kuò)散過(guò)程的快速預(yù)測(cè)，合理確定污染物擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)，為寒冷地區(qū)冬季自然通風(fēng)過(guò)程的實(shí)施提供了技術(shù)參考.

2) 考慮通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耦合傳熱對(duì)地板供暖房間內(nèi)來(lái)自地板的C7H8擴(kuò)散影響，所得室內(nèi)污染物的時(shí)空分布特征，對(duì)于室內(nèi)多成分污染物的擴(kuò)散、遷移機(jī)理研究有一定的借鑒作用.

3) 對(duì)于所研究的地板供暖房間，按照節(jié)能65%構(gòu)建的圍護(hù)結(jié)構(gòu)能保證夜間室內(nèi)采暖溫度及舒適性要求，從而為進(jìn)行自然通風(fēng)數(shù)值分析提供了可能的室內(nèi)熱環(huán)境初始條件.

4) 降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗、改良地板材料屬性，是推行地板供暖、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的努力方向.

[1] KIURSKI J S, MARIC B B, AKSENTIJEVIC S M, et al. Indoor air quality investigation from screen printing industry[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 28: 224-231.

[2] IOANA U, CRISTIANA C, ILINCA N, et al. Thermal comfort analysis in naturally ventilated building[J]. Mathematical Modeling in Civil Engineering, 2014, 10(3): 60-66.

[3] SCHAKIB-EKBATAN K S, CAKICI F Z, SCHWEIKER M, et al. Does the occupant behavior match the energy concept of the building? -analysis of a German naturally ventilated office building[J]. Building and Environment, 2015, 84: 142-150.

[4] DHAKA S, MATHUR J, BRAGER G, et al. Assessment of thermal environmental conditions and quantification of thermal adaptation in naturally ventilate buildings in composite climate of India[J]. Building and Environment, 2015, 86: 17-28.

[5] ELBAYOUMI M, RAMLI N A, YUSOF N F F M, et al. Seasonal variation in schools’indoor air environments and health symptoms among students in an Eastern Mediterranean climate[J]. Human and Ecological Risk Assessment: An International Journal, 2015, 21(1): 184-204.

[6] ARDALAN A, NORHAYATI M, MAHMOUD A C, et al. A review on natural ventilation applications through building facade components and ventilation openings in tropical climates[J]. Energy and Buildings, 2016, 101: 153-162.

[7] GUO W H, LIU X, YUAN X. Study on natural ventilation design optimization based on CFD simulation for green buildings[J]. Procedia Engineering, 2015, 121: 573-581.

[8] PISELLO A L, CASTALDO V L, TAYLOR J E, et al. The impact of natural ventilation on building energy requirement at inter-building scale[J]. Energy and Buildings, 2016, 127: 870-883.

[9] SANCHEZ E, ROLANDO A, SANT R, et al. Influence of natural ventilation due to buoyancy and heat transfer in the energy efficiency of a double skin facade building[J]. Energy for Sustainable Development, 2016, 33: 139-148.

[10] GAO J, WANG Y, WARGOCKI P. Comparative analysis of modified PMV models and SET models to predict human thermal sensation in naturally ventilated buildings[J]. Building and Environment, 2015, 92: 200-208.

[11] KUMAR A, SINGH M K, LOFTNESS V, et al. Thermal comfort assessment and characteristics of occupant’s behaviour in naturally ventilated buildings in composite climate of India[J]. Energy for Sustainable Development, 2016, 33: 108-121.

[12] 劉威. 室內(nèi)污染物濃度分布的數(shù)值研究[D]. 廣州: 廣州大學(xué), 2006: 31-37. LIU W. Numerical simulation of air contamination dispesal in a room[D]. Guangzhou: Guangzhou University, 2006: 31-37. (in Chinese)

[13] GENNARO G D, FARELLA G, MARZOCCA A, et al. Indoor and outdoor monitoring of volatile organic compounds in school buildings: indicators based on health risk assessment to single out critical issues[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2013, 10(12): 6273-6291.

[14] RICARDO H M G, BARBARA H B C, SARAH P, et al. Indoor air quality of a museum in a subtropical climate: the Oscar Niemeyer museum in Curitiba, Brazil[J]. Science of the Total Environment, 2013, 452: 314-320.

[15] GUNSCHERA J, MENTESE S, SALTHAMMER T, et al. Impact of building materials on indoor formaldehyde levels: effect of ceiling tiles, mineral fiber insulation and gypsum board[J]. Building and Environment, 2013, 64: 138-145.

[16] WANG Z Q, PEI J J, ZHANG J S. Catalytic oxidization of indoor formaldehyde at room temperature-effect of operation conditions[J]. Building and Environment, 2013, 65: 49-57.

[17] 朱飚, 李書(shū)嚴(yán), 李春華, 等. 蘭州市新區(qū)規(guī)劃氣候條件評(píng)估分析[J]. 高原氣象, 2013, 32(2): 588-596. ZHU B, LI S Y, LI C H, et al. Evaluation and analysis on climate condition for new district planning of Lanzhou city[J]. Plateau Meteorology, 2013, 32(2): 588-596. (in Chinese)

[18] BLAY D, MERGUI S, NICULAE C. Confined turbulent mixed convection in the presence of a horizontal buoyant wall jet[J]. Fundamentals of Mixed Convection, 1992, 213: 65-72.

[19] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 衛(wèi)生部國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. 室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn): GB/T18883—2002[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2003: 2-3.

[20] 王靖文. 寒冷地區(qū)民用住宅冬季自然通風(fēng)數(shù)值研究[D]. 蘭州: 蘭州交通大學(xué), 2015: 14-27. WANG J W. Numerical research of natural ventilation of civil residence in winter in cold zones[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2015: 14-27. (in Chinese)

[21] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范: GB 50736—2012[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2012: 20-23.

[22] PATANKAR S V. Numerical heat transfer and fluid flow[M]. New York: Hemisphere, 1980: 126-129.

[23] 王燁, 徐燃. 青藏線空調(diào)列車(chē)室內(nèi)氣流組織的沿線變化數(shù)值分析[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 37(9): 59-67. WANG Y, XU R. Numerical study of airflow distribution in air-conditioned train in Qinghai-Tibet Railway[J]. Journal of Chongqing University, 2014, 37(9): 59-67. (in Chinese)

[24] 方曉龍. 體育場(chǎng)館內(nèi)氣態(tài)污染物散發(fā)與凈化的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 上海: 東華大學(xué), 2013: 33-38. FANG X L. Numerical simulation and experimental study of dissemination and purification of gaseous pollutantstadiums[D]. Shanghai: Donghua University, 2013: 33-38. (in Chinese)

[25] 王燁, 孫鵬寶, 王靖文. 不同壁面邊界條件下冬季自然通風(fēng)數(shù)值研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 37(11): 1448-1455. WANG Y, SUN P B, WANG J W. Numerical study on natural ventilation in winter under different wall boundary conditions[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(11): 1448-1455. (in Chinese)

[26] Moderate thermal environment determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort: ISO 7730[S]. Geneva: International Standard Organization, 1994.

(責(zé)任編輯 梁 潔)

Numerical Analysis on the Effect of the Envelope Coupled Heat Transfer on C7H8Emission in a Floor Heating Room

WANG Ye1,2, SUN Pengbao1, FU Yin’an1, GUAN Guoxiang1, WANG Jingwen1

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2.Key Laboratory of Railway Vehicle Thermal Engineering, Ministry of Education of China, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

To obtain the initial condition of pollutants profile for natural ventilation numerical simulation in winter, the Realizablek-εturbulence model was adopted to numerically analyze the C7H8concentration field in a civil residence in Lanzhou. The results indicate that the indoor C7H8concentration which comes from the floor and emits in outer normal direction is affected significantly by the coupled heat transfer between the indoor and the outdoor environment. The average value of C7H8concentration in the horizontal section ofZ=1.10 m is three times of the limited value of the indoor air quality standard while the average indoor temperature and the thermal comfort can satisfy the resident’s need when the temperature of floor surface is kept at 27 ℃ and the emitting time is up to 19 hours. Considering the climate condition and the residents’ living habits in Lanzhou, the pollutant emitting time, 19 hours, is thought to be reasonable to decide the initial condition of pollutant concentration in natural ventilation simulation.

indoor air quality; floor heating; coupled heat transfer; pollutants emission

2016- 05- 05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51266004, 51476073)；甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(JK2016-2)

王 燁(1972—)， 男， 教授， 博士生導(dǎo)師， 主要從事暖通空調(diào)、強(qiáng)化傳熱方面的研究， E-mail: wangye@mail.lzjtu.cn

TU 832

A

0254-0037(2016)12-1907-09

10.11936/bjutxb2016050007