用于降低SVOC浓度的室内通风优化策略 胡康.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 编号：143381 用于降低SVOC浓度的室内通风优化策略 胡康，陈群( 清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京，100084 (Tel: 010 E-mail: chenqun@tsinghua.edu.cn) 摘要：室内半挥发性有机物（SVOC）是引发肺癌、哮喘等疾病的主要因素之一，严重影响人类健康。本文利用方案本就一个简单室内环境进行了优化 μg/m3降至优化后的2.75 μ/m3。 关键词：半挥发性有机物；通风优化；1]。50年来，各类复合化学材料及其制品（如含有增塑剂的PVC塑料制品、含有阻燃剂的各类家具建材等）在室内环境中被越来越广泛的使用，其中含有大量SVOC，而人群的哮喘病发病率持续上升与此有紧密联系[2]。 对于室内SVOC污染，人们从20年前才开始认识到其危害[3]，随着测量手段的进步，研究者们逐渐对其传递机理展开研究，建立了其传质模型[4]。在此前的研究中，人们发现颗粒物的存在会对室内SVOC的污染情况产生较大影响：室内悬浮颗粒物对SVOC具有较强的吸附性（被吸附前的SVOC称为气相SVOC；被吸附的SVOC称为颗粒相SVOC），其存在会使室内的SVOC总量将明显上升。值得指出，微小颗粒物（PM2.5）会携带颗粒相SVOC通过人体的肺部进入血液，对人的健康造成更严重危害。 对于降低室内SVOC浓度，改善室内空气质量，目前还缺乏优化理论的指导。本文将基于Hu等人[4]建立的SVOC在含尘空间中的传质模型，利用拉格朗日乘数法和变分原理，提出一种可行的室内通风优化方案，并进行初步应用。 1 优化模型的建立 在建筑设计中，存在一类优化问题：在给定的室内空间中进行通风优化设计，通过改变送风方式，改造室内流场，达到降低室内污染物浓度的目的。该问题可模型化为对空间中 (1) 式中U是空气运动速度向量，ρ是空气密度，P是压力，μeff是空气的有效粘度F是待设计附加力场 此外，空气流动还必须满足方程 (2) 另一方面，在室内SVOC问题中的各个组分需满足气相4]： (3) 颗粒相 (4) 以及颗粒物数密度 (5) 式中Cg是气相SVOC浓度Cp是颗粒相SVOC浓度Np是颗粒物数密度p,eff分别是气相SVOC有效扩散系数、颗粒物有效布朗扩散系数 另一方面室内设备的成本可用全场总粘性耗散进行衡量当给定成本时为定值表示为 (6) 式中?mom是粘性耗散率表达式为 (7) 式中 在优化问题中优化目标是室内浓度达到其表达式为 (8) 式中Ω代表整个室内求解域，Vroom为房间容积。一般来说，Vroom一定，于是该通风优化问题被转化为了一个体积分量式(8)右边分数线上的部分取极值的问题用拉格朗日乘子法和变分原理2)~(6)的约束下求的条件极值 首先构造泛函： (9) 式中大括号内的第1项为目标函数，第2~6项为约束条件λ0~λ4均为拉格朗日乘子λ0为待定常数λ1~λ4为待定场 将式(9)对U取变分为零，有（考虑牛顿流体本构关系，引入压力P）： (10) (11) 式中Γ代表求解域边界9)对 (12) (13) 对 (14) (15) 对Np (16) (17) 式(12)、(14)、(16)可分别作看作关于场λ2~λ4的控制方程13)、(15)、(17)可推导得到它们的边界条件。表1给出了包括Cg、Cp、Np在内的各组分方程边界条件（其中Un为出口截面法线方向速度分量）： 表1 优化问题中各控制方程的边界条件 壁面 壁面 空气进口 空气 U、P 略 略 略 略 Cg Cg = const ≠ 0 ?Cg / ?n = 0 Cg = 0 ?Cg / ?n = 0 Cp ?Cp / ?n = 0 ?Cp / ?n = 0 Cp = 0 ?Cp / ?n = 0 Np ?Np / ?n = 0 ?Np / ?n = 0 Np = const ≠ 0 ?Np / ?n = 0 λ2 λ2 = 0 ?λ2 / ?n = 0 λ2 = 0 ?λ2 / ?n = - Unλ2 / Dg,eff λ3 ?λ3 / ?n = 0 ?λ3 / ?n = 0 λ3 = 0 ?λ3 / ?n = - Unλ3 / Dp,eff λ4 ?λ4 / ?n = 0 ?λ4 / ?n = 0 λ4 = 0 ?λ4 / ?n = - Unλ4 / Dp,eff 此外，根据文献5]，有 (18) 于是为了得到形如式1)的动量方程，可10)变形为（等式两侧同加ρU·(U）： (19) 该式即动量方程中设计 (20) 式中Φ被定义为耗散调节系数，与输入的粘性耗散功率有关。在此力的作用下，空间中