办公建筑室内污染物扩散数值模拟

2020-09-24王小丽代佳玲

建筑热能通风空调 2020年8期

王小丽代佳玲

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

随着病态建筑综合症状的出现，室内环境与人员健康成为目前的一重要研究方向。研究表明[1]室内环境污染的主要影响因素为：生物污染和挥发性有机物的化学污染，其中化学污染对人员健康的诱发较为明显。为了获得较好的室内环境，减少室内污染，了解室内污染物扩散规律则较为重要。目前室内污染物的数值模拟[2-5]主要为获取建筑内部存在污染时室内最佳通风方式并且主要集中于单一污染物的研究，但实际建筑内部散发污染物的种类是多种的并且新装修建筑污染源释放污染物的同时也存在湿扩散，因此本文采用Airpak 数值模拟软件研究了封闭建筑室内污染源湿扩散以及自然通风室外气象条件变化时室内甲醛和TVOC 的扩散规律。

1 模型的建立

1.1 物理模型

模拟对象为西安某办公室，房间尺寸为7.2 m×3.6 m×3.6 m，平面图如图1（a）所示。根据平面图内部布置建立相应的物理模型图，如图1（b），为了便于计算，其中沙发简化为一个块，家具，墙壁，天花板以及地面为污染源，其中各源项材料如表1 所示。

图1 办公室平面图以及物理模型图

1.2 数学模型

自然界中物体的流动过程都伴随着质量，动量以及的热量的传递，因此当室内污染物扩散时除满足三大守恒定律：质量守恒，能量守恒和动量守恒外，还满足组分质量守恒。上述四种方程可用如式（1）、（2）所示的通用形式[6]。

其展开形式为：

式中：Φ为通用变量，可以表示速度，温度，组分浓度等求解变量；Γ 为广义扩散系数；S 为广义源项。

模拟所选用的湍流模型为标准的k-ε，采用有限体积法对方程进行离散化，并采用SIMPLE（Semi-Im-plicit Method for Pressure-Linked Equations，压力耦合方程组的半隐式方法）算法对模拟区域的流场进行计算。

2 基础参数设置以及求解条件

在对建筑进行污染物扩散模拟时，将污染源设置为面源。由于目前各大办公场所其地面的大部分粉刷环氧地坪漆，为了能够更好的反应大部分情况，本次模拟将地面作为源项，采用环氧地坪漆作为粉刷材料。各面源的大小与建筑室内材料尺寸相同，为了获得建筑室内污染物扩散的快慢，本文根据文献[7]通过小型环境舱测试获得的各污染物的散发率以及散发率计算公式来获得室内污染源的污染物初始含量，各污染材料内部的污染物初始含量如表1[7]所示。

表1 模拟对象污染源与污染物使用量

2.2 求解条件设置

1）初始条件：室内污染物甲醛以及TVOC 初始浓度为0。室内温度为26 ℃，相对湿度为50%。

2）边界条件：污染源存在湿扩散时，各污染源含水率设置为5%，10%和15%，各污染源污染物含量如表1 所示。自然通风室外条件变化时，室内污染源含水率为0，污染物含量如表1 所示，室外温湿度以及风速选择西安典型气象年气象参数，数据图如图2 所示，其中窗户作为速度入口，并将室外温湿度、风速图通过Airpak 导入，门作为出口。

图2 室外环境参数变化曲线

3 网格划分与离散格式

为了获得较好的模拟结果以及考虑到计算机的实际计算性能，此次模拟选择非结构化网格划分，网格划分图如图3 所示，最终划分网格总数为228994，网格节点数为248010，网格质量最差处的值为0.18 大于0.15，说明网格划分良好。

图3 物理模型的非结构化网格图

离散方程的获取离不开网格的划分以及网格节点上离散格式的选择，不同的离散格式最终获得的离散结果也有所不同。而松弛因子的大小决定了收敛情况和收敛时间。为了使模拟可以在满足收敛的同时减少运行时间，本文模拟各变量所使用的离散格式和松弛因子设置如表2。

表2 模拟计算各变量的离散格式以及松弛因子

4 结果分析

4.1 污染源存在湿扩散室内污染物的扩散规律

由于办公室内人员大部分时间处于静坐状态，因此图5～6 显示了污染源同时释放甲醛和TVOC 时，污染物在人员静坐呼吸区（Y=1.0 m）污染物浓度分布云图。从图5 中可以看出室内TVOC 浓度分布大部分集中于建筑内部，并且书柜旁边污染物浓度要低于其他部位，这是因为此处相较于其他部位来说为死角处因此其污染物浓度相对于其他部位要多，由于此工况在封闭条件下进行模拟，从图中可以看出，随着含水率的增加，人员呼吸区TVOC 浓度在202mg/m3以上的范围越多，并且逐渐增加，说明当含水率增加，即污染源存在湿扩散时，TVOC 的扩散速率随含水率的增加而增加，即室内湿扩散量越大，室内TVOC 扩散越快。并且从图5 中可以看出室内障碍物（桌椅等）分布较多侧污染物浓度要高于其他部位，说明障碍物越多污染物聚集的越多。从图6 可以看出甲醛随含水率增加时的扩散规律与TVOC 相同，说明湿扩散的存在会降低污染物的扩散效果，说明含水率增加可以使得建筑室内装饰材料内部污染物浓度扩散加快。

图5 不同湿扩散条件下室内呼吸区（y=1.0 m）TVOC 浓度分布（T=26 ℃，RH=50%）

图7 显示了含水率为5%时，单一扩散甲醛和单一释放TVOC 时建筑内部人员静坐呼吸区污染物浓度分布云图，根据图7（a）、（b）与图5（a）、图6（a）对比可以发现，当建筑内部存在多污染物扩散时，单一污染参数扩散与多种污染参数同时扩散有所不同，其中单一污染参数扩散相比于多污染参数扩散来说污染物扩散速率要低于多污染物扩散，并且污染物浓度分布也有所不同，单一污染参数释放时室内浓度在靠近桌椅上部污染物浓度最低，这是由于桌椅的阻挡使得污染物主要集中于桌子下部。

图6 不同湿扩散条件下室内呼吸区（y=1.0 m）甲醛浓度分布（T=26 ℃，RH=50%）

图7 室内人员呼吸区（y=1.0 m）甲醛和TVOC 浓度分布（T=26 ℃，RH=50%，ω=5%）

4.2 室外参数变化时室内污染物的变化

图8 显示了室内人员活动状态点在室外条件变化时室内污染物扩散曲线，其中点A（3.6,1.0,1.8）为模型中心点。点B（1.8,1.0,2.7）为桌椅中心处。点C（3.6,0.6,2.7）为沙发中心处。点D（6.3,1.0,2.7），点E（6.3,1.0,0.9）为办公桌两侧人员办公区。从图中可以看出室外环境变化时，室内污染物扩散也是逐渐降低，但是污染物在扩散过程中会随时间增加而出现波动，这主要时因为当温度发生变化时，TVOC 扩散系数随之改变，并且室内污染物的扩散与室外温湿度风速之间都有关系，并且由于风速受风向的影响并不是一直向同一方向吹，因此多种因素综合作用使得最终获得结果不同。从图中可看出室内污染物浓度一直降低，说明风速对于室内污染物浓度的影响要高于温度和湿度。