室内污染物与健康及寝室空间气流组织的模拟案例.docVIP

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—500 350—1000 1000—2000 2000—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。 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HVAC 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： 在稳态流动下: 式中， 为空气密度;；U 为速度矢量; 为因变量，可表示速度矢量分量、温度等流体参数； 为对应的扩散系数;；为源项。 为了简化问题，作如下假设： 室内空气低速流动，可视为不可压缩流体 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