自然通風(fēng)下室內(nèi)甲醛濃度數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

夏侯炳　申君　姜婭

摘 要：采用湍流模型結(jié)合組份傳輸模型，模擬某辦公室在自然通風(fēng)條件下的室內(nèi)甲醛濃度數(shù)值，通過(guò)對(duì)比分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與仿真值，并用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)方法驗(yàn)證仿真模型的正確性。另通過(guò)正交試驗(yàn)的方法，對(duì)辦公室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，調(diào)整窗口、門口、辦公桌位置，可進(jìn)一步將辦公室甲醛濃度降低40%。文章通過(guò)CFD數(shù)模擬計(jì)算方法研究室內(nèi)甲醛濃度變化規(guī)律對(duì)進(jìn)一步研究有效的技術(shù)措施降低室內(nèi)甲醛濃度提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；自然通風(fēng)；甲醛濃度；試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：X503 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0045-02

Abstract： By using turbulence model and component transport model， the indoor formaldehyde concentration in an office under natural ventilation is simulated， and the measured and simulated values at the monitoring point are compared and analyzed. The validity of the simulation model is verified by paired sample T-test. In addition， the structure of the office was optimized by orthogonal test. The results showed that the formaldehyde concentration of the office could be further reduced by 40% by adjusting the position of the window， the door and the desk. The paper studies the indoor formaldehyde concentration change rule through the CFD number simulation computation method. It provides the reference for further research effective technical measure to reduce the indoor formaldehyde concentration.

Keywords： numerical simulation； natural ventilation； formaldehyde concentration； experimental study

1 概述

劣質(zhì)的家具等造成的室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重威脅職工的身體健康，根據(jù)《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》（GB50325-2010）規(guī)定，辦公室等Ⅱ類民用建筑工程甲醛濃度應(yīng)小于等于0.1mg/m3。但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，辦公室甲醛濃度常高于上述標(biāo)準(zhǔn)。宮菁、劉敏等研究指出室內(nèi)空氣甲醛污染將嚴(yán)重危害人體健康甚至致癌[1]。因此對(duì)如何有效降低室內(nèi)甲醛濃度進(jìn)行研究顯得尤為重要。

目前，在自然風(fēng)條件下對(duì)室內(nèi)的甲醛濃度的CFD模擬分析及試驗(yàn)驗(yàn)證方面的研究相對(duì)較少[2-3]，所選取研究案也各不相同。本文主要利用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)k-ε模型方程結(jié)合組分傳輸模型的CFD方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算區(qū)域的數(shù)值模擬。在建立辦公室內(nèi)景三維模型的基礎(chǔ)上，仿真分析辦公家具甲醛濃度的分布規(guī)律，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定評(píng)價(jià)模型的可信性。在可信模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)的方法，為進(jìn)一步研究如何提高辦公室內(nèi)空氣質(zhì)量提供一種便捷有效的仿真方法。

2 物理、數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 物理模型

以某辦公室作為研究對(duì)象，辦公室的尺寸為5.8*3.4*2.7m。污染源為新購(gòu)置的辦公家具：辦公臺(tái)1.6*0.7*0.8m、書柜1.8*0.4*2m、茶幾0.8*0.4*0.8m。另外門2.1*0.95m，窗1.3*0.9m。

按辦公室及家具的實(shí)際尺寸建立三維網(wǎng)格模型如圖1所示。將不規(guī)則的區(qū)域劃分為幾個(gè)規(guī)則區(qū)域并分別劃分結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。

2.2 數(shù)學(xué)模型

在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算中，進(jìn)行了如下假設(shè)：（1）室內(nèi)的污染物只有甲醛，無(wú)其他污染物；（2）室內(nèi)空氣流速較低，可以視為不可壓縮流體；（3）家具的材料組成均勻，甲醛按恒定的速率釋放揮發(fā)；（4）室內(nèi)空氣及甲醛的物理性質(zhì)為定值，且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（5）室外新風(fēng)不含污染物。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及前期進(jìn)行的預(yù)試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的k-ε模型湍流模型及組份傳輸模型，啟動(dòng)能量方程，考慮重力加速度的影響，壓力速度耦合問(wèn)題采用SIMPLE算法。

3 CFD模型的驗(yàn)證試驗(yàn)

本次試驗(yàn)的目的在于精準(zhǔn)測(cè)量辦公室內(nèi)甲醛的實(shí)際濃度，與數(shù)值模擬值進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性，為接下來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化辦公室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。本次測(cè)量甲醛所使用的儀器為阿格瑞斯WP6300甲醛檢測(cè)儀，檢測(cè)范圍為0.000-1.999mg/m3，適用環(huán)境溫度為：-10℃-45℃。風(fēng)速儀為德圖testo425風(fēng)速計(jì)熱敏式風(fēng)速儀，量程為0m-20m/s，分辨率為0.01m/s，適用環(huán)境溫度為：-20℃-50℃。

先初步設(shè)定辦公家具的甲醛釋放時(shí)的質(zhì)量流量mass flow rate為7.2e-11kg/s，甲醛組分參數(shù)species mole fractions為1.57618e-07，經(jīng)仿真計(jì)算距地面1.6m高度（約為人體活動(dòng)時(shí)呼吸的面高度）的平面參考點(diǎn)的甲醛平均濃度為0.192mg/m3，而經(jīng)實(shí)測(cè)，該參考點(diǎn)的甲醛的平均濃度值為0.113mg/m3，假定甲醛按恒定的速率揮發(fā)，則speciesmolefractions按比例應(yīng)設(shè)為：1.09712e-07。經(jīng)仿真計(jì)算，距地面1.6m高度平面甲醛濃度分布情況如圖2所示（單位為kmol/m3），圖2中均勻分布的點(diǎn)1至點(diǎn)12為甲醛濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)5次實(shí)測(cè)均值與仿真計(jì)算均值從而確定仿真計(jì)算結(jié)果是否符合實(shí)際的分布。

圖3為監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)均值與仿真均值對(duì)比曲線圖，由圖3可以看出，雖然點(diǎn)9、點(diǎn)12的甲醛實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較大，但其在所觀察平面的濃度分布變化規(guī)律與仿真值是一致的。用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)法來(lái)驗(yàn)證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是否與仿真數(shù)據(jù)有差異。利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算得配對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果T=0.502，顯著值0.625>0.05，表明實(shí)測(cè)均值、仿真均值兩個(gè)數(shù)據(jù)樣本無(wú)顯著差異，即仿真均值是可信的。

4 辦公室結(jié)構(gòu)正交優(yōu)化設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高辦公室的通風(fēng)對(duì)流效果，更有效地降低室內(nèi)甲醛濃度，利用數(shù)值模擬及正交試驗(yàn)的方法，對(duì)辦公室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)前期單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選擇窗口的位置A、門口的位置B、辦公桌位置C 3個(gè)因素，參照原辦公室的結(jié)構(gòu)尺寸及家具大小，設(shè)置了3個(gè)水平，進(jìn)行正交試驗(yàn)，選取3因素3水平正交試驗(yàn)表L9（34），如表1所示。取窗口進(jìn)風(fēng)速度0.5m/s進(jìn)行仿真計(jì)算，正交設(shè)計(jì)下的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。正交試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析如表3所示。表3中第1行數(shù)據(jù)？撞X1為因素A、B、C在第1水平下的3個(gè)甲醛濃度之和；同理得？撞X2～？撞X3；規(guī)定RD為極差。

由正交試驗(yàn)的結(jié)果可知：影響辦公室1.6m站立呼吸面的甲醛濃度均值的因素大小順序依次為窗口的位置A、辦公桌位置C、門口的位置B。若尋求甲醛濃度均值最小，可選A2B3C3的因素水平組合；經(jīng)仿真計(jì)算，A2B3C3的因素水平組合下，1.6m站立呼吸面的甲醛濃度均值D為0.027mg/m3，比優(yōu)化前A1B1C1的因素水平組合下的D值0.045mg/m3降低40%。

5 結(jié)論與展望

（1）通過(guò)配對(duì)樣本T檢驗(yàn)驗(yàn)證了所觀察平面甲醛濃度的實(shí)測(cè)值與仿真值兩個(gè)數(shù)據(jù)樣本無(wú)顯著差異，即仿真值是可信的，說(shuō)明采用k-ε模型方程結(jié)合組分傳輸模型的CFD方法能比較有效真實(shí)地還原室內(nèi)甲醛的濃度分布。（2）數(shù)值模擬及正交試驗(yàn)的方法，對(duì)辦公室結(jié)構(gòu)及辦公家具的位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后可將呼吸高度（1.6m高）所在平面的甲醛濃度降低40%（優(yōu)化前后窗口進(jìn)風(fēng)速度均為0.5m/s），有效地提高辦公室的空氣質(zhì)量。（3）通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)的方法，能快速有效地預(yù)測(cè)室內(nèi)的甲醛濃度，能為合理布置辦公家具的位置，優(yōu)化辦公室門與窗的位置，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化通風(fēng)方面的建筑設(shè)計(jì)提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]宮菁，劉敏.甲醛污染對(duì)人體健康影響及控制[J].環(huán)境與健康雜志，2001，18（6）：414-415.

[2]劉玉峰，徐永清.房間氣流組織對(duì)污染物空間分布的影響[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，23（2）：104-107.

[3]孫麗穎，李巖.空調(diào)房間內(nèi)污染物分布特性的模擬研究[J].流體機(jī)械，2010，38（3）：76-80.