王小麗 代佳玲

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

隨著病態(tài)建筑綜合癥狀的出現(xiàn)，室內(nèi)環(huán)境與人員健康成為目前的一重要研究方向。研究表明[1]室內(nèi)環(huán)境污染的主要影響因素為：生物污染和揮發(fā)性有機(jī)物的化學(xué)污染，其中化學(xué)污染對(duì)人員健康的誘發(fā)較為明顯。為了獲得較好的室內(nèi)環(huán)境，減少室內(nèi)污染，了解室內(nèi)污染物擴(kuò)散規(guī)律則較為重要。目前室內(nèi)污染物的數(shù)值模擬[2-5]主要為獲取建筑內(nèi)部存在污染時(shí)室內(nèi)最佳通風(fēng)方式并且主要集中于單一污染物的研究，但實(shí)際建筑內(nèi)部散發(fā)污染物的種類是多種的并且新裝修建筑污染源釋放污染物的同時(shí)也存在濕擴(kuò)散，因此本文采用Airpak 數(shù)值模擬軟件研究了封閉建筑室內(nèi)污染源濕擴(kuò)散以及自然通風(fēng)室外氣象條件變化時(shí)室內(nèi)甲醛和TVOC 的擴(kuò)散規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 物理模型

模擬對(duì)象為西安某辦公室，房間尺寸為7.2 m×3.6 m×3.6 m，平面圖如圖1（a）所示。根據(jù)平面圖內(nèi)部布置建立相應(yīng)的物理模型圖，如圖1（b），為了便于計(jì)算，其中沙發(fā)簡(jiǎn)化為一個(gè)塊，家具，墻壁，天花板以及地面為污染源，其中各源項(xiàng)材料如表1 所示。

圖1 辦公室平面圖以及物理模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

自然界中物體的流動(dòng)過(guò)程都伴隨著質(zhì)量，動(dòng)量以及的熱量的傳遞，因此當(dāng)室內(nèi)污染物擴(kuò)散時(shí)除滿足三大守恒定律：質(zhì)量守恒，能量守恒和動(dòng)量守恒外，還滿足組分質(zhì)量守恒。上述四種方程可用如式（1）、（2）所示的通用形式[6]。

其展開形式為：

式中：Φ為通用變量，可以表示速度，溫度，組分濃度等求解變量；Γ 為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S 為廣義源項(xiàng)。

模擬所選用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的k-ε，采用有限體積法對(duì)方程進(jìn)行離散化，并采用SIMPLE（Semi-Im-plicit Method for Pressure-Linked Equations，壓力耦合方程組的半隱式方法）算法對(duì)模擬區(qū)域的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

2 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置以及求解條件

在對(duì)建筑進(jìn)行污染物擴(kuò)散模擬時(shí)，將污染源設(shè)置為面源。由于目前各大辦公場(chǎng)所其地面的大部分粉刷環(huán)氧地坪漆，為了能夠更好的反應(yīng)大部分情況，本次模擬將地面作為源項(xiàng)，采用環(huán)氧地坪漆作為粉刷材料。各面源的大小與建筑室內(nèi)材料尺寸相同，為了獲得建筑室內(nèi)污染物擴(kuò)散的快慢，本文根據(jù)文獻(xiàn)[7]通過(guò)小型環(huán)境艙測(cè)試獲得的各污染物的散發(fā)率以及散發(fā)率計(jì)算公式來(lái)獲得室內(nèi)污染源的污染物初始含量，各污染材料內(nèi)部的污染物初始含量如表1[7]所示。

表1 模擬對(duì)象污染源與污染物使用量

2.2 求解條件設(shè)置

1）初始條件：室內(nèi)污染物甲醛以及TVOC 初始濃度為0。室內(nèi)溫度為26 ℃，相對(duì)濕度為50%。

2）邊界條件：污染源存在濕擴(kuò)散時(shí)，各污染源含水率設(shè)置為5%，10%和15%，各污染源污染物含量如表1 所示。自然通風(fēng)室外條件變化時(shí)，室內(nèi)污染源含水率為0，污染物含量如表1 所示，室外溫濕度以及風(fēng)速選擇西安典型氣象年氣象參數(shù)，數(shù)據(jù)圖如圖2 所示，其中窗戶作為速度入口，并將室外溫濕度、風(fēng)速圖通過(guò)Airpak 導(dǎo)入，門作為出口。

圖2 室外環(huán)境參數(shù)變化曲線

3 網(wǎng)格劃分與離散格式

為了獲得較好的模擬結(jié)果以及考慮到計(jì)算機(jī)的實(shí)際計(jì)算性能，此次模擬選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分圖如圖3 所示，最終劃分網(wǎng)格總數(shù)為228994，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為248010，網(wǎng)格質(zhì)量最差處的值為0.18 大于0.15，說(shuō)明網(wǎng)格劃分良好。

圖3 物理模型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格圖

離散方程的獲取離不開網(wǎng)格的劃分以及網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上離散格式的選擇，不同的離散格式最終獲得的離散結(jié)果也有所不同。而松弛因子的大小決定了收斂情況和收斂時(shí)間。為了使模擬可以在滿足收斂的同時(shí)減少運(yùn)行時(shí)間，本文模擬各變量所使用的離散格式和松弛因子設(shè)置如表2。

表2 模擬計(jì)算各變量的離散格式以及松弛因子

4 結(jié)果分析

4.1 污染源存在濕擴(kuò)散室內(nèi)污染物的擴(kuò)散規(guī)律

由于辦公室內(nèi)人員大部分時(shí)間處于靜坐狀態(tài)，因此圖5～6 顯示了污染源同時(shí)釋放甲醛和TVOC 時(shí)，污染物在人員靜坐呼吸區(qū)（Y=1.0 m）污染物濃度分布云圖。從圖5 中可以看出室內(nèi)TVOC 濃度分布大部分集中于建筑內(nèi)部，并且書柜旁邊污染物濃度要低于其他部位，這是因?yàn)榇颂幭噍^于其他部位來(lái)說(shuō)為死角處因此其污染物濃度相對(duì)于其他部位要多，由于此工況在封閉條件下進(jìn)行模擬，從圖中可以看出，隨著含水率的增加，人員呼吸區(qū)TVOC 濃度在202mg/m3以上的范圍越多，并且逐漸增加，說(shuō)明當(dāng)含水率增加，即污染源存在濕擴(kuò)散時(shí)，TVOC 的擴(kuò)散速率隨含水率的增加而增加，即室內(nèi)濕擴(kuò)散量越大，室內(nèi)TVOC 擴(kuò)散越快。并且從圖5 中可以看出室內(nèi)障礙物（桌椅等）分布較多側(cè)污染物濃度要高于其他部位，說(shuō)明障礙物越多污染物聚集的越多。從圖6 可以看出甲醛隨含水率增加時(shí)的擴(kuò)散規(guī)律與TVOC 相同，說(shuō)明濕擴(kuò)散的存在會(huì)降低污染物的擴(kuò)散效果，說(shuō)明含水率增加可以使得建筑室內(nèi)裝飾材料內(nèi)部污染物濃度擴(kuò)散加快。

圖5 不同濕擴(kuò)散條件下室內(nèi)呼吸區(qū)（y=1.0 m）TVOC 濃度分布（T=26 ℃，RH=50%）

圖7 顯示了含水率為5%時(shí)，單一擴(kuò)散甲醛和單一釋放TVOC 時(shí)建筑內(nèi)部人員靜坐呼吸區(qū)污染物濃度分布云圖，根據(jù)圖7（a）、（b）與圖5（a）、圖6（a）對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑內(nèi)部存在多污染物擴(kuò)散時(shí)，單一污染參數(shù)擴(kuò)散與多種污染參數(shù)同時(shí)擴(kuò)散有所不同，其中單一污染參數(shù)擴(kuò)散相比于多污染參數(shù)擴(kuò)散來(lái)說(shuō)污染物擴(kuò)散速率要低于多污染物擴(kuò)散，并且污染物濃度分布也有所不同，單一污染參數(shù)釋放時(shí)室內(nèi)濃度在靠近桌椅上部污染物濃度最低，這是由于桌椅的阻擋使得污染物主要集中于桌子下部。

圖6 不同濕擴(kuò)散條件下室內(nèi)呼吸區(qū)（y=1.0 m）甲醛濃度分布（T=26 ℃，RH=50%）

圖7 室內(nèi)人員呼吸區(qū)（y=1.0 m）甲醛和TVOC 濃度分布（T=26 ℃，RH=50%，ω=5%）

4.2 室外參數(shù)變化時(shí)室內(nèi)污染物的變化

圖8 顯示了室內(nèi)人員活動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)在室外條件變化時(shí)室內(nèi)污染物擴(kuò)散曲線，其中點(diǎn)A（3.6,1.0,1.8）為模型中心點(diǎn)。點(diǎn)B（1.8,1.0,2.7）為桌椅中心處。點(diǎn)C（3.6,0.6,2.7）為沙發(fā)中心處。點(diǎn)D（6.3,1.0,2.7），點(diǎn)E（6.3,1.0,0.9）為辦公桌兩側(cè)人員辦公區(qū)。從圖中可以看出室外環(huán)境變化時(shí)，室內(nèi)污染物擴(kuò)散也是逐漸降低，但是污染物在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)隨時(shí)間增加而出現(xiàn)波動(dòng)，這主要時(shí)因?yàn)楫?dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，TVOC 擴(kuò)散系數(shù)隨之改變，并且室內(nèi)污染物的擴(kuò)散與室外溫濕度風(fēng)速之間都有關(guān)系，并且由于風(fēng)速受風(fēng)向的影響并不是一直向同一方向吹，因此多種因素綜合作用使得最終獲得結(jié)果不同。從圖中可看出室內(nèi)污染物濃度一直降低，說(shuō)明風(fēng)速對(duì)于室內(nèi)污染物濃度的影響要高于溫度和濕度。

圖8 室外環(huán)境發(fā)生變化時(shí)室內(nèi)污染物濃度變化曲線

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)建筑內(nèi)部污染源污染物存在濕擴(kuò)散情況下以及室外環(huán)境參數(shù)變化時(shí)室內(nèi)污染物擴(kuò)散模擬結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論：

①室內(nèi)污染參數(shù)在擴(kuò)散過(guò)程中其擴(kuò)散速率會(huì)受到污染參數(shù)擴(kuò)散個(gè)數(shù)的影響，多污染參數(shù)擴(kuò)散會(huì)使得污染物擴(kuò)散速率相比于單一污染參數(shù)擴(kuò)散速率大，并且室內(nèi)家具布置也會(huì)造成建筑內(nèi)部污染物濃度的分間的高度差施工量大，改造成本高?？梢酝ㄟ^(guò)增加合適的頂棚擋板可以達(dá)到同樣的效果，同時(shí)大大節(jié)約改造成本。