辦公建筑室內污染物擴散數值模擬

王小麗 代佳玲

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

隨著病態建筑綜合癥狀的出現，室內環境與人員健康成為目前的一重要研究方向。研究表明[1]室內環境污染的主要影響因素為：生物污染和揮發性有機物的化學污染，其中化學污染對人員健康的誘發較為明顯。為了獲得較好的室內環境，減少室內污染，了解室內污染物擴散規律則較為重要。目前室內污染物的數值模擬[2-5]主要為獲取建筑內部存在污染時室內最佳通風方式并且主要集中于單一污染物的研究，但實際建筑內部散發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 數值模擬軟件研究了封閉建筑室內污染源濕擴散以及自然通風室外氣象條件變化時室內甲醛和TVOC 的擴散規律。

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。根據平面圖內部布置建立相應的物理模型圖，如圖1（b），為了便于計算，其中沙發簡化為一個塊，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 數學模型

自然界中物體的流動過程都伴隨著質量，動量以及的熱量的傳遞，因此當室內污染物擴散時除滿足三大守恒定律：質量守恒，能量守恒和動量守恒外，還滿足組分質量守恒。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；S 為廣義源項。

模擬所選用的湍流模型為標準的k-ε，采用有限體積法對方程進行離散化，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）算法對模擬區域的流場進行計算。

2 基礎參數設置以及求解條件

在對建筑進行污染物擴散模擬時，將污染源設置為面源。由于目前各大辦公場所其地面的大部分粉刷環氧地坪漆，為了能夠更好的反應大部分情況，本次模擬將地面作為源項，采用環氧地坪漆作為粉刷材料。各面源的大小與建筑室內材料尺寸相同，為了獲得建筑室內污染物擴散的快慢，本文根據文獻[7]通過小型環境艙測試獲得的各污染物的散發率以及散發率計算公式來獲得室內污染源的污染物初始含量，各污染材料內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 求解條件設置

1）初始條件：室內污染物甲醛以及TVOC 初始濃度為0。室內溫度為26 ℃，相對濕度為50%。

2）邊界條件：污染源存在濕擴散時，各污染源含水率設置為5%，10%和15%，各污染源污染物含量如表1 所示。自然通風室外條件變化時，室內污染源含水率為0，污染物含量如表1 所示，室外溫濕度以及風速選擇西安典型氣象年氣象參數，數據圖如圖2 所示，其中窗戶作為速度入口，并將室外溫濕度、風速圖通過Airpak 導入，門作為出口。

圖2 室外環境參數變化曲線

3 網格劃分與離散格式

為了獲得較好的模擬結果以及考慮到計算機的實際計算性能，此次模擬選擇非結構化網格劃分，網格劃分圖如圖3 所示，最終劃分網格總數為228994，網格節點數為248010，網格質量最差處的值為0.18 大于0.15，說明網格劃分良好。

圖3 物理模型的非結構化網格圖

離散方程的獲取離不開網格的劃分以及網格節點上離散格式的選擇，不同的離散格式最終獲得的離散結果也有所不同。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 結果分析

4.1 污染源存在濕擴散室內污染物的擴散規律

由于辦公室內人員大部分時間處于靜坐狀態，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（Y=1.0 m）污染物濃度分布云圖。從圖5 中可以看出室內TVOC 濃度分布大部分集中于建筑內部，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行模擬，從圖中可以看出，隨著含水率的增加，人員呼吸區TVOC 濃度在202mg/m3以上的范圍越多，并且逐漸增加，說明當含水率增加，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，即室內濕擴散量越大，室內TVOC 擴散越快。并且從圖5 中可以看出室內障礙物（桌椅等）分布較多側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裝飾材料內部污染物濃度擴散加快。

圖5 不同濕擴散條件下室內呼吸區（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 時建筑內部人員靜坐呼吸區污染物濃度分布云圖，根據圖7（a）、（b）與圖5（a）、圖6（a）對比可以發現，當建筑內部存在多污染物擴散時，單一污染參數擴散與多種污染參數同時擴散有所不同，其中單一污染參數擴散相比于多污染參數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，單一污染參數釋放時室內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呼吸區（y=1.0 m）甲醛濃度分布（T=26 ℃，RH=50%）

圖7 室內人員呼吸區（y=1.0 m）甲醛和TVOC 濃度分布（T=26 ℃，RH=50%，ω=5%）

4.2 室外參數變化時室內污染物的變化

圖8 顯示了室內人員活動狀態點在室外條件變化時室內污染物擴散曲線，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）為辦公桌兩側人員辦公區。從圖中可以看出室外環境變化時，室內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波動，這主要時因為當溫度發生變化時，TVOC 擴散系數隨之改變，并且室內污染物的擴散與室外溫濕度風速之間都有關系，并且由于風速受風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果不同。從圖中可看出室內污染物濃度一直降低，說明風速對于室內污染物濃度的影響要高于溫度和濕度。

圖8 室外環境發生變化時室內污染物濃度變化曲線

5 結論

通過對建筑內部污染源污染物存在濕擴散情況下以及室外環境參數變化時室內污染物擴散模擬結果分析可以得出以下結論：

①室內污染參數在擴散過程中其擴散速率會受到污染參數擴散個數的影響，多污染參數擴散會使得污染物擴散速率相比于單一污染參數擴散速率大，并且室內家具布置也會造成建筑內部污染物濃度的分間的高度差施工量大，改造成本高。可以通過增加合適的頂棚擋板可以達到同樣的效果，同時大大節約改造成本。