自然通風下室內甲醛濃度數值模擬與試驗研究

夏侯炳　申君　姜婭

摘 要：采用湍流模型結合組份傳輸模型，模擬某辦公室在自然通風條件下的室內甲醛濃度數值，通過對比分析監測點的實測值與仿真值，并用配對樣本T檢驗方法驗證仿真模型的正確性。另通過正交試驗的方法，對辦公室的結構進行了優化設計，結果表明，調整窗口、門口、辦公桌位置，可進一步將辦公室甲醛濃度降低40%。文章通過CFD數模擬計算方法研究室內甲醛濃度變化規律對進一步研究有效的技術措施降低室內甲醛濃度提供參考。

關鍵詞：數值模擬；自然通風；甲醛濃度；試驗研究

中圖分類號：X503 文獻標志碼：A 文章編號：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

劣質的家具等造成的室內空氣污染嚴重威脅職工的身體健康，根據《民用建筑工程室內環境污染控制規范》（GB50325-2010）規定，辦公室等Ⅱ類民用建筑工程甲醛濃度應小于等于0.1mg/m3。但經調查發現，辦公室甲醛濃度常高于上述標準。宮菁、劉敏等研究指出室內空氣甲醛污染將嚴重危害人體健康甚至致癌[1]。因此對如何有效降低室內甲醛濃度進行研究顯得尤為重要。

目前，在自然風條件下對室內的甲醛濃度的CFD模擬分析及試驗驗證方面的研究相對較少[2-3]，所選取研究案也各不相同。本文主要利用數值模擬的方法，通過k-ε模型方程結合組分傳輸模型的CFD方法實現計算區域的數值模擬。在建立辦公室內景三維模型的基礎上，仿真分析辦公家具甲醛濃度的分布規律，并通過試驗測定評價模型的可信性。在可信模型的基礎上，通過正交試驗的方法，為進一步研究如何提高辦公室內空氣質量提供一種便捷有效的仿真方法。

2 物理、數學模型及邊界條件

2.1 物理模型

以某辦公室作為研究對象，辦公室的尺寸為5.8*3.4*2.7m。污染源為新購置的辦公家具：辦公臺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際尺寸建立三維網格模型如圖1所示。將不規則的區域劃分為幾個規則區域并分別劃分結構性網格。

2.2 數學模型

在進行數值模擬計算中，進行了如下假設：（1）室內的污染物只有甲醛，無其他污染物；（2）室內空氣流速較低，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；（4）室內空氣及甲醛的物理性質為定值，且不發生化學反應。（5）室外新風不含污染物。根據經驗及前期進行的預試驗，結合實際情況，采用標準穩態的k-ε模型湍流模型及組份傳輸模型，啟動能量方程，考慮重力加速度的影響，壓力速度耦合問題采用SIMPLE算法。

3 CFD模型的驗證試驗

本次試驗的目的在于精準測量辦公室內甲醛的實際濃度，與數值模擬值進行對比，從而驗證計算模型的正確性，為接下來進一步優化辦公室的結構設計提供參考。本次測量甲醛所使用的儀器為阿格瑞斯WP6300甲醛檢測儀，檢測范圍為0.000-1.999mg/m3，適用環境溫度為：-10℃-45℃。風速儀為德圖testo425風速計熱敏式風速儀，量程為0m-20m/s，分辨率為0.01m/s，適用環境溫度為：-20℃-50℃。

先初步設定辦公家具的甲醛釋放時的質量流量mass flow rate為7.2e-11kg/s，甲醛組分參數species mole fractions為1.57618e-07，經仿真計算距地面1.6m高度（約為人體活動時呼吸的面高度）的平面參考點的甲醛平均濃度為0.192mg/m3，而經實測，該參考點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，則speciesmolefractions按比例應設為：1.09712e-07。經仿真計算，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1至點12為甲醛濃度監測點，通過對比監測點5次實測均值與仿真計算均值從而確定仿真計算結果是否符合實際的分布。

圖3為監測點實測均值與仿真均值對比曲線圖，由圖3可以看出，雖然點9、點12的甲醛實測值相對誤差較大，但其在所觀察平面的濃度分布變化規律與仿真值是一致的。用配對樣本T檢驗法來驗證實測數據是否與仿真數據有差異。利用SPSS統計軟件計算得配對檢驗結果T=0.502，顯著值0.625>0.05，表明實測均值、仿真均值兩個數據樣本無顯著差異，即仿真均值是可信的。

4 辦公室結構正交優化設計

為進一步提高辦公室的通風對流效果，更有效地降低室內甲醛濃度，利用數值模擬及正交試驗的方法，對辦公室的結構進行了優化設計，根據前期單因素試驗的結果，選擇窗口的位置A、門口的位置B、辦公桌位置C 3個因素，參照原辦公室的結構尺寸及家具大小，設置了3個水平，進行正交試驗，選取3因素3水平正交試驗表L9（34），如表1所示。取窗口進風速度0.5m/s進行仿真計算，正交設計下的數值試驗結果如表2所示。正交試驗結果的統計分析如表3所示。表3中第1行數據？撞X1為因素A、B、C在第1水平下的3個甲醛濃度之和；同理得？撞X2～？撞X3；規定RD為極差。

由正交試驗的結果可知：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；經仿真計算，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，比優化前A1B1C1的因素水平組合下的D值0.045mg/m3降低40%。

5 結論與展望

（1）通過配對樣本T檢驗驗證了所觀察平面甲醛濃度的實測值與仿真值兩個數據樣本無顯著差異，即仿真值是可信的，說明采用k-ε模型方程結合組分傳輸模型的CFD方法能比較有效真實地還原室內甲醛的濃度分布。（2）數值模擬及正交試驗的方法，對辦公室結構及辦公家具的位置進行了優化設計，優化后可將呼吸高度（1.6m高）所在平面的甲醛濃度降低40%（優化前后窗口進風速度均為0.5m/s），有效地提高辦公室的空氣質量。（3）通過數值模擬與試驗的方法，能快速有效地預測室內的甲醛濃度，能為合理布置辦公家具的位置，優化辦公室門與窗的位置，為實現優化通風方面的建筑設計提供有益的參考。

參考文獻：

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

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

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