多区域室内空气品质模型研究

沈琳

摘 要：本文在大量单房间与双房间的室内空气品质模型的基础上，建立三房间的室内空气品质模型；预测了实际居民建筑（如两室一厅布局）中的室内空气品质，并通过控制室内的通风方式控制房间的污染物浓度分布。

关键字：空气品质；多区域；污染物浓度

引言

由于人们在室内生活与工作时间的不断增加（占90%以上），建筑室内空气质量IAQ（indoor air quality）日益成为广泛关注的问题，因为它与我们的舒适、健康及工作效率密切相关[1]。据美国环境保护局EPA调查统计，世界上30%新建和重修的建筑室内发现有害健康的气体，室内空气污染已列入对公众健康危害最大的五种环境因素之一[2]。目前世界各国都建立了大气环境监测网络，但对于与人类健康关系最为密切的环境——室内环境，还没有类似的做法，室内空气质量对人体健康影响的研究却迟于室外。但是，随着社会的发展，人们生活水平的提高，对室内环境的舒适感提出了越来越高的要求，这将进一步推动对室内空气质量的研究。

直接测量或计算室内污染物的浓度水平以及室内外污染物浓度比是相当困难的，这就推动了能够预测室内污染物浓度分布规律的模拟技术的发展；本文通过建立三房间室内空气流动数学模型，达到预测实际居民建筑中的室内空气品质及控制室内污染物的目的。

1、 物理模型

典型的居民住宅二房一厅的布局，客厅（房间1）有人吸烟，客厅与卧室之间有门连通，假定两卧室（房间2与3）内典型的居民住宅二房一厅的布局，客厅（房间1）有人吸烟，客厅与卧室之间有门连通，假定两卧室（房间2与3）内无任何污染源，每个房间与室外之间都有窗户，见图1所示的房间平面布置图，假设房间的高为3m，则房间1的体积为36m3，房间2与3的大小是对称相等的，体积均为18m3。

模型简化：吸烟区（房间1）与非吸烟区（房间2与3）相邻，且房间1内有一污染源（点燃一支香烟，香烟烟雾散发浓度与时间相关），房间之间的空气通过门或墙体裂缝进行流通和交换，不考虑与室内其他房间的空气交换，也不考虑房间2与3之间的空气交换，并假定三个房间与室内其他房间相连的门都是严实密闭的。

2、 数学模型

2.1空气质量守衡方程

根据空气流动的连续性定理可知，对于每个房间而言，进入房间的空气量与从房间出去的空气量应该是相等的，则有如下关系式：

（1）

（2）

（3）

2.2室内污染物质量守衡方程

根据质量守恒定理，各房间中污染物的质量都存在如下关系：

（4）

即：室内污染物质量随时间 的变化量 = 在时间 内进入室内的污染物-在时间 内从室内流出的污染物 + 在时间 内室内源所产生污染物，则对于本章所研究的三房间可以建立如下质量守恒方程：

（5）

（6）

（7）

2.2多区域室内空气品质IAQ模型的通用控制方程

由于方程（5）～（7）都是基于室内空气及污染物的质量守恒原理所建立的，因此对于每个房间的控制方程其形式都是确定的，这样就可以把形如（5）～（7）所示的三房间的室内空气品质模型从3个房间推广至N个房间，而且对于室内任意一个房间都有以下关系：即室内IAQ模型的控制方程可以写成如下通用形式，即：

（8）

其中i，j代表房间数， （0，1，2，3，……，n），且 ；

2.3求解控制方程

假設不考虑室外污染物的浓度，则方程（5）～（7）可以简化为：

（9）

（10）

（11）

从方程可知，房间内的污染物浓度 、 、 及污染源的散发率 是随时间变化的量，采用向后差分的格式求解控制方程可得：

房间1：

（12）

房间2：

（13）

房间3：

（14）

式（12）～（14）分别表示房间1、2、3内污染物在t时刻的浓度与上一时刻浓度之间的关系，方程的解与以下参数有关：

污染源的散发特性， ；

房间之间的空气流量， ；

房间与室外之间的流量， ；

各房间的体积， 。

3、 通过数值计算预测三房间中污染物浓度演变过程

3.1数值模拟的条件

室内有吸烟源时，往往是连续散发一段时间后就停止散发，在我们的日常生活中，可以设计这样的场景：在客厅（房间1）点燃香烟，燃烧10分钟并以 的散发速率散发出ETS颗粒，则相邻的卧室中（房间2、3）ETS的逐时浓度可以通过IAQ方程进行预测。具体进行数值模拟的条件如表1所示：

房间 房间体积 污染源

（有否） 污染源特性b

1

（吸烟区） 36m3 有（ETS颗粒）a 散发时间：10min

散发速率：370 /min cigarette-1

2

（非吸烟区） 18 m3 没有任何污染源 没有污染源散发

3

（非吸烟区） 18 m3 没有任何污染源 没有污染源散发

a：在房间1点燃一支香烟，假设除了散发ETS颗粒外，没有其他的颗粒物散发，且仅考虑香烟燃烧产生的侧流烟雾中的ETS颗粒。

b：在香烟的燃烧过程中，ETS颗粒以恒定的速率散发，即 。

3.2实例分析

将污染源放置在Zone 1中，分析如图1所示三房间的四种不同状态下，其室内污染物的传输及浓度变化情况：

Case a —— 打开室内每个房间的门，并且关闭所有房间的窗户（参照状态）；

Case b —— 关闭室内每个房间的门，并且关闭所有房间的窗户（隔离状态）；

Case c —— 打开污染源所在房间的窗户，关闭其他房间的窗户，并且打开室内每个房间的门；

Case d —— 打开与污染源房间相邻的一个房间的窗户，关闭其他房间的窗户，并且打开室内每个房间的门。

4、结果讨论与分析

通过模拟计算得到多区域建筑物内的空气流量，以及换算得到的各房间的换气次数和流量因子，根据式（5-12）～（5-14）进行数值计算，可以预测各房间的浓度随时间的变化情况。

通过应用该三房间的室内空气品质模型，基本上可以用来预测实际居民建筑（如两室一厅布局）中的室内空气品质。分析过程中代入控制方程进行数值计算，得到室内各区域的浓度实时变化情况，基本上可以通过控制室内的通风方式控制房间的污染物浓度分布。

参考文献

[1] W.J. Fisk. Health and productivity gains from better indoor environments and their relationship with building energy efficiency. Annual Review of Energy and the Environment 25 （2000）： 537-566.

[2] USEPA. National ambient air quality standards for particulate matter， Federal Register， 1997.