辦公建筑室內(nèi)污染物擴散數(shù)值模擬

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)性有機物的化學(xué)污染，其中化學(xué)污染對人員健康的誘發(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也存在濕擴散，因此本文采用Airpak 數(shù)值模擬軟件研究了封閉建筑室內(nèi)污染源濕擴散以及自然通風(fēng)室外氣象條件變化時室內(nèi)甲醛和TVOC 的擴散規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 物理模型

模擬對象為西安某辦公室，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），為了便于計算，其中沙發(fā)簡化為一個塊，家具，墻壁，天花板以及地面為污染源，其中各源項材料如表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過程都伴隨著質(zhì)量，動量以及的熱量的傳遞，因此當(dāng)室內(nèi)污染物擴散時除滿足三大守恒定律：質(zhì)量守恒，能量守恒和動量守恒外，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 為廣義擴散系數(shù)；S 為廣義源項。

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）算法對模擬區(qū)域的流場進(jìn)行計算。

2 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置以及求解條件

在對建筑進(jìn)行污染物擴散模擬時，將污染源設(shè)置為面源。由于目前各大辦公場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，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)污染物擴散的快慢，本文根據(jù)文獻(xiàn)[7]通過小型環(huán)境艙測試獲得的各污染物的散發(fā)率以及散發(fā)率計算公式來獲得室內(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 ℃，相對濕度為50%。

2）邊界條件：污染源存在濕擴散時，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，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)果以及考慮到計算機的實際計算性能，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)點數(shù)為248010，網(wǎng)格質(zhì)量最差處的值為0.18 大于0.15，說明網(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間。為了使模擬可以在滿足收斂的同時減少運行時間，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 污染源存在濕擴散室內(nèi)污染物的擴散規(guī)律

由于辦公室內(nèi)人員大部分時間處于靜坐狀態(tài)，因此圖5～6 顯示了污染源同時釋放甲醛和TVOC 時，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，這是因為此處相較于其他部位來說為死角處因此其污染物濃度相對于其他部位要多，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，說明當(dāng)含水率增加，即污染源存在濕擴散時，TVOC 的擴散速率隨含水率的增加而增加，即室內(nèi)濕擴散量越大，室內(nèi)TVOC 擴散越快。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的擴散規(guī)律與TVOC 相同，說明濕擴散的存在會降低污染物的擴散效果，說明含水率增加可以使得建筑室內(nèi)裝飾材料內(nèi)部污染物濃度擴散加快。

圖5 不同濕擴散條件下室內(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，單一擴散甲醛和單一釋放TVOC 時建筑內(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）對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑內(nèi)部存在多污染物擴散時，單一污染參數(shù)擴散與多種污染參數(shù)同時擴散有所不同，其中單一污染參數(shù)擴散相比于多污染參數(shù)擴散來說污染物擴散速率要低于多污染物擴散，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)變化時室內(nèi)污染物的變化

圖8 顯示了室內(nèi)人員活動狀態(tài)點在室外條件變化時室內(nèi)污染物擴散曲線，其中點A（3.6,1.0,1.8）為模型中心點。點B（1.8,1.0,2.7）為桌椅中心處。點C（3.6,0.6,2.7）為沙發(fā)中心處。點D（6.3,1.0,2.7），點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，室內(nèi)污染物擴散也是逐漸降低，但是污染物在擴散過程中會隨時間增加而出現(xiàn)波動，這主要時因為當(dāng)溫度發(fā)生變化時，TVOC 擴散系數(shù)隨之改變，并且室內(nèi)污染物的擴散與室外溫濕度風(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，說明風(fēng)速對于室內(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)生變化時室內(nèi)污染物濃度變化曲線

5 結(jié)論

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

①室內(nèi)污染參數(shù)在擴散過程中其擴散速率會受到污染參數(shù)擴散個數(shù)的影響，多污染參數(shù)擴散會使得污染物擴散速率相比于單一污染參數(shù)擴散速率大，并且室內(nèi)家具布置也會造成建筑內(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^增加合適的頂棚擋板可以達(dá)到同樣的效果，同時大大節(jié)約改造成本。