室内污染物与健康及寝室空间气流组织的模拟

室内污染物与健康及寝室空间气流组织的模拟据调查人们的一生中约80%-90%的时间处在室内，室内环境质量不仅影响人体的舒适和健康，而且影响室内人员的工作效率。然而近几十年来，世界上不少国家都出现了室内空气品质问题。

存在于室内能影响空气品质的污染物常见的有CO2、NOx、VOCs、甲醛等。

在一定浓度范围内，CO2对人体没有伤害。但其浓度超过一定范围时就会使人体感到不适。我们有时会有这样的感受，早上起床时感觉到很闷，有种透不过气的感觉；学习、工作时有时注意力不集中，这除了与自身因素有关外，还与空气中CO2浓度过高有关。根据国内外专家研究，CO2与人体生理反应关系为CO2浓度

（ppm）

350—500350—10001000—20002000—5000大于5000

生理反应室外环境空气清新，呼

吸顺畅

空气混浊，呼

吸不畅，昏昏欲睡

头疼、嗜睡、

呆滞、注意力无法

集中

可能导致严重

缺氧，造成永久性

脑损伤，昏迷、甚

至死亡

氮氧化物主要对呼吸器官有刺激作用。由于氮氧化物难溶于水，因而能侵入呼吸道深部细支气管及肺泡，并缓慢溶于肺泡表面水中，形成亚硝酸、硝酸，对肺组织产生强烈的刺激及腐蚀作用，引起肺水肿。亚硝酸盐进入血液后，能引起组织缺氧。

甲醛主要来自于建筑装饰、装修材料和家具。科学研究表明甲醛对人体健康有很大危害。甲醛浓度达到0.1mg/m3时就有异味，人体就会产生不适感；达到0.3mg/m3时可刺激眼睛引起流泪；达到0.5mg/m3时引起咽喉不适或疼痛；浓度再高可引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚至肺气肿；当空气中甲醛浓度达到30mg/m3时，可当即致死。

VOCs是指熔点低于室温，室温下饱和蒸气压大于133.3Pa，沸点在50～250℃范围，一般在常温下能以气体形式存在于室内的一类有机化合物。TVOCs则是指各个VOCs的总和。室内空气中VOCs的主要来源有：隔热材料、板材及家具、涂料、日用化学品污染、厨房污染、人的活动污染。。VOCs能刺激人体感官，入感觉干燥；刺激眼黏膜、鼻黏膜、呼吸道和皮肤等；VOCs很容易通过血液一大

脑的障碍，从而导致中枢神经系统受到抑制，使人产生头痛、乏力、昏昏欲睡和不舒服的感觉。很多VOCs被证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。

大学生的大部分时间在寝室的室内空间度过。因此，寝室环境的优劣情况直接影响人员感受和学习效率及生活质量。学生寝室并未经过过分精细装饰、装修，所含上述污染物均在卫生要求内，但其他热湿条件也会影响室内人员的舒适感觉。因而我们又对学生寝室热湿状况进行了CFD数值分析。

仅仅靠自然通风能否形成畅通的气流组织、良好的空气品质，从而满足人体热舒适要求，营造一个健康、舒适的人居环境舒适宜人的环境，是十分有研究价值的本次借用CFD软件对我校寝室的自然通风下的气流分布进行模拟，结合本学期建筑环境学课程所学知识，分析各个典型位置处的空气龄、PMV、PPD等与人体感受有关的参数，对宿舍通风优劣和各个不同位置处的空气新鲜程度进行评价，以达到研究的目的。

利用CFD数值模拟方法研究室内热环境已成为现代通风空调工程研究规划和设计重要手段之一。目前应用较多的CFD 商用软件有FLUENT ，STAR - CD ，PHOENICS等，本次模拟使用网络上容易下载到的Airpak进行模拟。Airpak是FLUENT软件下专门面向HV AC 领域的软件，是用于模拟室内气流组织的CFD 专用软件，用于工程领域和科学研究。它提供的模型有强迫对流、自然对流和混合对流模型、热传导、流固耦合传热模型、热辐射模型、湍流模型。Airpak所使用的离散化方法是有限体积法，具体地说，是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将控制方程对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程，在初始条件和边界条件确定后，即可得方程的解。2001年被Fluent 公司采用了一位学者的室内零方程模型并在Airpak中采纳，有实验证明选用室内零方程模型进行热环境数值模拟，能准确预测室内空气流动特性。故本次模拟也使用了此种模型。

1.参数假设和物理模型

实验研究对象为天佑斋学生宿舍，经过实地测量，测得单间宿舍的尺寸为

5m*3.5m*3.2m。并有防盗门一扇和推拉式玻璃门一对，尺寸分别为2m*1m、2.5m*1.5m。室内热源主要考虑人员、电脑和灯具散热。模拟情况为室内人员4

名，边界类型为定热流量70W/人；电脑4台，定热流量110W/台；灯具2盏，定热流量45W/盏；绝热隔板2块。防盗门和推拉式玻璃门全开，分别作为送风口和回风口。并且，除穿堂风外没有风扇或其他干扰流场的因素存在。根据房间的实际建筑结构尺寸，并对其进行了一定的简化，建立了下图所示的数值模拟物理模型。

2.模拟的数学模型和边界条件 1.数学模型

经过查阅，在CFD － 流体计算动力学领域中，流体流动和换热问题的核心问题是求解流体控制方程，室内空气热湿交换满足质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律和组分守恒定律方程。控制方程的通用形式：

ϕ

ϕϕϕρρϕS grad U t

+Γ=+∂∂)(div )(div )

( 在稳态流动下:

ϕϕϕϕρS grad U +Γ=)(div )(div 式中，

ρ为空气密度;；U 为速度矢量; ϕ为因变量，可表示速度矢量分量、温度等流体参数； ϕΓ为对应ϕ的扩散系数;；ϕS 为源项。

为了简化问题，作如下假设：

1）室内空气低速流动，可视为不可压缩流体 2）且符合Bossinesq 假设； 2）流动为稳态流动； 3）室内空气为辐射透明介质

并且在软件中设置墙体优先度为零，不计墙体的辐射室内对热环境的影响，

以达到简化的目的。

2.边界条件

假设环境温度（ambient）为25摄氏度，开口处温度取环境温度。回风口处假设没有损失。

表1 边界条件汇总表

名称数量尺寸模型类型边界类型取值房间1间5m*3.5m*3.2m room 定壁温25℃玻璃门1扇半开 1.5m*2.5m opening —ambient 防盗门1扇2m*1m vent 自由出流有效系数

1.0

隔板2个1m*1.7m partition 绝热—灯具2盏 1.2m*0.2m*0.2m block 定热流量45W/盏人员4人0.3m*0.2m*1.7m person 定热流量70W/人电脑4台0.4m*0.4m*0.4m block 定热流量110W/台

3.数值模拟结果与分析

模拟结果显示最终房间处处的温度都为25℃。这是因为为了简化模型，对实际情况作了多种假设，包括墙体不参与辐射、环境温度稳定等条件。因此得到房间内温度皆为25℃的结果，这是与假设的条件相对应的。本次模拟目的是预测室内流场和人员对空气品质的主观评价，因此忽略所模拟的温度场与实际情况不同这一现象，从而着重评价气流组织情况。

速度分布：

穿堂风从房间中央位置穿过，室内人员及设备呈对称分布，气流速度大小从房间中央向两侧减小，人员静坐高度处速度约为0.15m/s，人员不会产生吹风感。由于两个隔板的作用，在靠近开口和回风口的两侧各自形成空气的回流，并且是从下部进入房间，由于房间内有热源，气流受热后密度减小，上浮至房间上部，最终流出。气流在流动过程中还受到一定的阻碍作用，人员、电脑和隔板都会对气流产生阻力，使气流在流经人员和设备的前后过程中流速减小。各个截面的速度分布图如下所列。