室內(nèi)污染物與健康及寢室空間氣流組織的模擬

1、室內(nèi)污染物與健康及寢室空間氣流組織的模擬據(jù)調(diào)查人們的一生中約80%-90%的時(shí)間處在室內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量不僅影響人體的舒適和健康，而且影響室內(nèi)人員的工作效率。然而近幾十年來，世界上不少國(guó)家都出現(xiàn)了室內(nèi)空氣品質(zhì)問題。存在于室內(nèi)能影響空氣品質(zhì)的污染物常見的有CO2、NOx、VOCs、甲醛等。在一定濃度范圍內(nèi)，CO2對(duì)人體沒有傷害。但其濃度超過一定范圍時(shí)就會(huì)使人體感到不適。我們有時(shí)會(huì)有這樣的感受，早上起床時(shí)感覺到很悶，有種透不過氣的感覺；學(xué)習(xí)、工作時(shí)有時(shí)注意力不集中，這除了與自身因素有關(guān)外，還與空氣中CO2濃度過高有關(guān)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家研究，CO2與人體生理反應(yīng)關(guān)系為CO2濃度（ppm）35050035

2、010001000200020005000大于5000生理反應(yīng)室外環(huán)境空氣清新，呼吸順暢空氣混濁，呼吸不暢，昏昏欲睡頭疼、嗜睡、呆滯、注意力無法集中可能導(dǎo)致嚴(yán)重缺氧，造成永久性腦損傷，昏迷、甚至死亡氮氧化物主要對(duì)呼吸器官有刺激作用。由于氮氧化物難溶于水，因而能侵入呼吸道深部細(xì)支氣管及肺泡，并緩慢溶于肺泡表面水中，形成亞硝酸、硝酸，對(duì)肺組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激及腐蝕作用，引起肺水腫。亞硝酸鹽進(jìn)入血液后，能引起組織缺氧。甲醛主要來自于建筑裝飾、裝修材料和家具?？茖W(xué)研究表明甲醛對(duì)人體健康有很大危害。甲醛濃度達(dá)到0.1mg/m3時(shí)就有異味，人體就會(huì)產(chǎn)生不適感；達(dá)到0.3mg/m3時(shí)可刺激眼睛引起流淚；達(dá)到0

3、.5mg/m3時(shí)引起咽喉不適或疼痛；濃度再高可引起惡心、嘔吐、咳嗽、胸悶、氣喘甚至肺氣腫；當(dāng)空氣中甲醛濃度達(dá)到30mg/m3時(shí)，可當(dāng)即致死。VOCs是指熔點(diǎn)低于室溫，室溫下飽和蒸氣壓大于133.3Pa，沸點(diǎn)在50250范圍，一般在常溫下能以氣體形式存在于室內(nèi)的一類有機(jī)化合物。TVOCs則是指各個(gè)VOCs的總和。室內(nèi)空氣中VOCs的主要來源有：隔熱材料、板材及家具、涂料、日用化學(xué)品污染、廚房污染、人的活動(dòng)污染。VOCs能刺激人體感官，入感覺干燥；刺激眼黏膜、鼻黏膜、呼吸道和皮膚等；VOCs很容易通過血液一大腦的障礙，從而導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到抑制，使人產(chǎn)生頭痛、乏力、昏昏欲睡和不舒服的感覺。很多V

4、OCs被證明是致癌物或可疑致癌物如苯、氯乙烯、四氯乙烯、三氯乙烷、三氯乙烯等。大學(xué)生的大部分時(shí)間在寢室的室內(nèi)空間度過。因此，寢室環(huán)境的優(yōu)劣情況直接影響人員感受和學(xué)習(xí)效率及生活質(zhì)量。學(xué)生寢室并未經(jīng)過過分精細(xì)裝飾、裝修，所含上述污染物均在衛(wèi)生要求內(nèi)，但其他熱濕條件也會(huì)影響室內(nèi)人員的舒適感覺。因而我們又對(duì)學(xué)生寢室熱濕狀況進(jìn)行了CFD數(shù)值分析。僅僅靠自然通風(fēng)能否形成暢通的氣流組織、良好的空氣品質(zhì)，從而滿足人體熱舒適要求，營(yíng)造一個(gè)健康、舒適的人居環(huán)境舒適宜人的環(huán)境，是十分有研究?jī)r(jià)值的本次借用CFD軟件對(duì)我校寢室的自然通風(fēng)下的氣流分布進(jìn)行模擬，結(jié)合本學(xué)期建筑環(huán)境學(xué)課程所學(xué)知識(shí)，分析各個(gè)典型位置處的空氣齡、

5、PMV、PPD等與人體感受有關(guān)的參數(shù)，對(duì)宿舍通風(fēng)優(yōu)劣和各個(gè)不同位置處的空氣新鮮程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以達(dá)到研究的目的。利用CFD數(shù)值模擬方法研究室內(nèi)熱環(huán)境已成為現(xiàn)代通風(fēng)空調(diào)工程研究規(guī)劃和設(shè)計(jì)重要手段之一。目前應(yīng)用較多的CFD 商用軟件有FLUENT ，STAR - CD ，PHOENICS等，本次模擬使用網(wǎng)絡(luò)上容易下載到的Airpak進(jìn)行模擬。Airpak是FLUENT軟件下專門面向HVAC 領(lǐng)域的軟件，是用于模擬室內(nèi)氣流組織的CFD 專用軟件，用于工程領(lǐng)域和科學(xué)研究。它提供的模型有強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流和混合對(duì)流模型、熱傳導(dǎo)、流固耦合傳熱模型、熱輻射模型、湍流模型。Airpak所使用的離散化方法是有限體

6、積法，具體地說，是將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)互不重復(fù)的控制體積，將控制方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，從而得出一組離散方程，在初始條件和邊界條件確定后，即可得方程的解。2001年被Fluent 公司采用了一位學(xué)者的室內(nèi)零方程模型并在Airpak中采納，有實(shí)驗(yàn)證明選用室內(nèi)零方程模型進(jìn)行熱環(huán)境數(shù)值模擬，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣流動(dòng)特性。故本次模擬也使用了此種模型。1.參數(shù)假設(shè)和物理模型實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為天佑齋學(xué)生宿舍，經(jīng)過實(shí)地測(cè)量，測(cè)得單間宿舍的尺寸為5m*3.5m*3.2m。并有防盜門一扇和推拉式玻璃門一對(duì)，尺寸分別為2m*1m、2.5m*1.5m。室內(nèi)熱源主要考慮人員、電腦和燈具散熱。模擬

7、情況為室內(nèi)人員4名，邊界類型為定熱流量70W/人；電腦4臺(tái)，定熱流量110W/臺(tái)；燈具2盞，定熱流量45W/盞；絕熱隔板2塊。防盜門和推拉式玻璃門全開，分別作為送風(fēng)口和回風(fēng)口。并且，除穿堂風(fēng)外沒有風(fēng)扇或其他干擾流場(chǎng)的因素存在。根據(jù)房間的實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)其進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，建立了下圖所示的數(shù)值模擬物理模型。2.模擬的數(shù)學(xué)模型和邊界條件1.數(shù)學(xué)模型經(jīng)過查閱，在CFD 流體計(jì)算動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中，流體流動(dòng)和換熱問題的核心問題是求解流體控制方程，室內(nèi)空氣熱濕交換滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和組分守恒定律方程?？刂品匠痰耐ㄓ眯问剑?在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下: 式中， 為空氣密度;；U 為速度矢量;

8、為因變量，可表示速度矢量分量、溫度等流體參數(shù)； 為對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù);；為源項(xiàng)。為了簡(jiǎn)化問題，作如下假設(shè)：1） 室內(nèi)空氣低速流動(dòng)，可視為不可壓縮流體2） 且符合Bossinesq 假設(shè)；2）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；3）室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)并且在軟件中設(shè)置墻體優(yōu)先度為零，不計(jì)墻體的輻射室內(nèi)對(duì)熱環(huán)境的影響，以達(dá)到簡(jiǎn)化的目的。2.邊界條件 假設(shè)環(huán)境溫度（ambient）為25攝氏度，開口處溫度取環(huán)境溫度?；仫L(fēng)口處假設(shè)沒有損失。表1 邊界條件匯總表 名稱數(shù)量尺寸模型類型邊界類型取值房間1間5m*3.5m*3.2mroom定壁溫25玻璃門1扇半開1.5m*2.5mopeningambient防盜門1扇2m*1mv

9、ent自由出流有效系數(shù)1.0隔板2個(gè)1m*1.7mpartition絕熱燈具2盞1.2m*0.2m*0.2mblock定熱流量45W/盞人員4人0.3m*0.2m*1.7mperson定熱流量70W/人電腦4臺(tái)0.4m*0.4m*0.4mblock定熱流量110W/臺(tái)3. 數(shù)值模擬結(jié)果與分析模擬結(jié)果顯示最終房間處處的溫度都為25。這是因?yàn)闉榱撕?jiǎn)化模型，對(duì)實(shí)際情況作了多種假設(shè)，包括墻體不參與輻射、環(huán)境溫度穩(wěn)定等條件。因此得到房間內(nèi)溫度皆為25的結(jié)果，這是與假設(shè)的條件相對(duì)應(yīng)的。本次模擬目的是預(yù)測(cè)室內(nèi)流場(chǎng)和人員對(duì)空氣品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)，因此忽略所模擬的溫度場(chǎng)與實(shí)際情況不同這一現(xiàn)象，從而著重評(píng)價(jià)氣流組織情

10、況。速度分布：穿堂風(fēng)從房間中央位置穿過，室內(nèi)人員及設(shè)備呈對(duì)稱分布，氣流速度大小從房間中央向兩側(cè)減小，人員靜坐高度處速度約為0.15m/s，人員不會(huì)產(chǎn)生吹風(fēng)感。由于兩個(gè)隔板的作用，在靠近開口和回風(fēng)口的兩側(cè)各自形成空氣的回流，并且是從下部進(jìn)入房間，由于房間內(nèi)有熱源，氣流受熱后密度減小，上浮至房間上部，最終流出。氣流在流動(dòng)過程中還受到一定的阻礙作用，人員、電腦和隔板都會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生阻力，使氣流在流經(jīng)人員和設(shè)備的前后過程中流速減小。各個(gè)截面的速度分布圖如下所列。（1）Y=1.2m處速度分布：（人員靜坐高度）（2）Y=1.6m處速度分布：（站立高度）（3）X=1.6m處速度分布：（房間中部截面）空氣齡分布

11、空氣齡是房間內(nèi)某點(diǎn)處空氣在房間內(nèi)已經(jīng)滯留的時(shí)間，反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度，它可以綜合衡量房間的通風(fēng)換氣效果，是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)。一般家庭10左右的空調(diào)房?jī)?nèi)空氣齡在1000s-1200s之間。高的時(shí)候達(dá)到1200S，靠墻末處1000S左右，書房家具周圍1077S左右；空氣質(zhì)量較差。Airpak可以精確地模擬所研究對(duì)象內(nèi)的空氣流動(dòng)，可以準(zhǔn)確地模擬通風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動(dòng)、空氣品質(zhì)、傳熱、污染和舒適度等問題，并依照ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)提供舒適度、PMV、PPD等衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）的技術(shù)指標(biāo)。此次模擬使用Airpak所提供的空氣齡（mean age of air）預(yù)測(cè)室內(nèi)流場(chǎng)中的空氣新鮮程度。從圖中可以看出，空氣齡在水平方向上從兩側(cè)向中央逐漸增加，在垂直方向上由下部向上部逐漸增加。從人員所在截面處的空氣齡分布可以看出，靠近vent處的空氣齡比靠近opening處的更??；從Y=1.2m處空氣齡分布可以得知，此截面上四周的空氣齡小于中部的空氣齡。從以上的氣流速度分布圖可以看出，第一，氣流自兩個(gè)開口處的底部流