上海中森建筑与工程设计顾问有限公司 上海市 200333
摘要：对室内污染物局部扩散进行研究。采用合理的通风环境是消除室内空气污染的有效手段，但室内通风中存在许多由设计不合理而引起的涡流、回流，造成房间内速度场、压力场和温度场分布不均，从而出现污染物局部污染严重现象。对污染物流场特性的数值模拟和粉尘颗粒运动轨迹的描述能有效地帮助解决这类问题。
关键词：局部污染；数值模拟；优化；扩散
前言
随着生活水平的不断提高，人们对室内环境要求也不断提高，但建筑内装饰材料环境越来越复杂，装饰材料污染难以避免，影响着我们的健康。所以，深入研究建筑房间内各种污染物散发和扩散的规律对改善室内空气质量实际意义重大，可以给实际项目和改造建筑提供有效的理论依据和指导思路。
室内污染物的产生主要集中在房间装修过程中，其中VOCs主要来自建筑材料中涂料、板材和胶粘剂。通过查阅相关文献[1][2]，室内污染物VOCs中苯[3]对人体健康的影响较为严重，也是病态建筑综合症（SBS）中的危险指标之一。
本文主要是在室内污染源散发苯浓度这单一影响因素的基础上，通过结合实际通风和相关环境参数变化进行数值模拟，研究建筑室内环境因素对污染物引导流动扩散机制。分析确定室内污染物的主要扩散途径，通过研究室内气流组织的变化和建筑物几何尺寸的变化，模拟寻找污染物分布的规律，从而确定有效的建筑室内环境设计和良好通风模式。
1 室内苯浓度的影响因素
文献表明，在新装修的房间内，室内苯所释放的浓度相对较高，随着时间推移，装饰材料上的苯含量也会随着时间持续释放而逐渐减少，同样室内苯的浓度也会逐渐下降，渐趋平缓[4]。
Fang等[5]相关研究得出，当建筑室内空气污染物的浓度一定时，降低相对湿度或温度，室内空气质量更容易让人接受，即，空气的焓值对空气质量的满意度存在紧密关系。
Yassin[6]等人用一种来藕合统计风速分布和大气污染物扩散的模型。得出结论，湍流风影响污染物在自由波动的分布情况，同时分析，实际情况混合风对污染物扩散的影响。
故鉴于以往研究仅局限于单一因素对室内空气中污染物扩散的影响，本文以室内环境中污染物苯作为扩散对象，研究各污染物浓度梯度、速度梯度和温度梯度对污染物对流扩散的传质问题分析。
2 室内污染物扩散的数学模型
室内污染物的产生以及扩散稀释特性是研究室内空气品质的前提，如何快速有效的稀释室内污染物浓度和采取有效经济手段降低室内污染物浓度成为我们研究的关键所在。
2.1 传质的基本概念
对于浓度场不会随时间变化而变化的稳态扩散前提下，当无整体流动时，二元的混合物的组分A和组分B将互相扩散。组分A与组分B扩散的通量（质量通量j或摩尔通量J与组分A的浓度梯度成正相关，这就是扩散基本定律—斐克[7]
2.2污染物苯扩散的计算模型
2.2.1对于扩散边界条件模型的简化假设
以下为基本假设。
（l）建筑污染物内部均匀，且污染物初始的浓度相同；
（2）建筑污染物的散发过程是纯物理现象，过程中没有其他化学反应；
（3）建筑各污染物的扩散过程不会相互干扰；
（4）内部扩散为一维扩散，浓度差作为传递动力，并满足费克定律；
（5）忽略磁场、电场或温度差等原因而导致的扩散；
（6）污染物扩散系数、材料表面分隔系数不随浓度变化而变化。
3 利用软件进行数值模拟
3.1 研究对象的设计模型
在研究过程中，由于数值模型的各边界条件是可设定性的，这就决定模型的计算域是不必包括整个建筑物区域。本次研究对象是对室内空间环境模拟的计算域。设计模型条件如下：
（1）模型为办公室的室内工作空间，长宽高分别为：10m×6m×3m，外墙厚 0.30m，内墙厚 0.20m。
（2）建立三维坐标系：以房间中间点为原点，x为水平横向，y为水平纵向，z为垂直方向。
3.2边界条件的确定
为了获得本次研究物理过程的解，需要对计算域的边界条件设定相应的各种参数值。
在划分网格后在软件中按照表1 数据定义各释放面为速度进口（mass-flow-inlet）同时将通风系统中进风口也定义为速度进口（velocity-inlet），出风口定义为压力出口（pressure-outlet），其他的面边界类型设置成为Wall类型。
3.3 模拟结果
首先通过改变进风速度，来观察室内苯浓度与速度，压力，温度之间的关系，然后通过改变窗的位置，寻找污染物分布的规律，从而确定有效的建筑室内环境设计模式。
（1）选取房间离地1.5m平面，如图3.3所示，进口与出口都布置与墙中央，且分别宽为0.4m。
①设至进风速度为0.1m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
②设至进风速度为0.15m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
③设至进风速度为0.2m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
④设至进风速度为0.25m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
通过对上述结果的比较与分析，可以看出风速促进苯的扩散，可以看出压力场，速度场与苯的浓度场分布相似。
（2）其他条件不变，下移出口位置，观察结果的变化。
①设至进风速度为0.1m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
②设至进风速度为0.15m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
③设至进风速度为0.2m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
④设至进风速度为0.25m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
（3）其他条件不变，下移出口位置，观察结果的变化。
①设至进风速度为0.1m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
②设至进风速度为0.15m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
③设至进风速度为0.2m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
④设至进风速度为0.25m/s，污染物苯的扩散为7.2×10-11kg•s，
4 结果分析
（1）在送风速度较低情况下，室内存在污染物扩散时，浓度呈上升趋势，浓度越来越高，说明在低风中污染物质无法及时扩散到室外，反而在室内空间累计，其浓度远远超过室内该污染物浓度标准值，不利于居住和生活。
（2）在提高送风速度下，室内污染物的浓度会在一定数值上波动，通过比较，浓度在风速较低状态时会低很多，这就说明了在室内空间中污染物的初始扩散会在空间中有一定积累，但随着开启通风措施，新风会带动一部分污染物排出，降低局部浓度。并最终与室外空气相关，可进一步降低污染物的浓度。
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（3）在全通风且加大进风速度，污染物浓度在短时间内波动迅速，相比不开启通风系统，减少了局部污染物累计，随着新风的进入，加速污染物向室外扩散，进一步降低室内浓度。且最大浓度值明显下降，可以满足居住和生活要求。
（4）通过数值模拟的结果可以看出，风口位置，进风速度都会影响室内污染物的浓度分布，且风口朝向污染源，扩散效果明显。
（5）进风口位置不变，排风口位置下移时，通风效率增大。
5 结论
通过对室内污染物苯的数值模拟，研究通风环境和室内布置影响建筑室内苯浓度情况进行计算分析，有助于相关人员对建筑房间内苯浓度检测和处理；还可以帮助室内人员分析建筑室内在不同时段下室内污染物分布状况；以及在自然通风的条件下，室内污染物浓度达到安全入住的要求的所需要时间。采用多因素耦合，从模拟结果可以得出：在室内通风条件下，室内空气中污染物质（苯）的浓度变化与房间材料中污染源（苯）的扩散浓度值相关联。随着建筑房间内污染物质散发苯的浓度不断降低，但在相同建筑条件下的通风时间时，室内的污染物浓度也会相对降低，随着时间增长污染物浓度最终达到室内要求浓度。
参考文献：
[1]王小林，朱晓英等，新建住宅装修后化学污染特征分析及防治对策[J]．职业卫生与应急救援，2006，v24（1）：13-15
[2]任志强，陈琼等，新装修居室TVOC浓度的卫生学调查分析[J]．东南国防医药，2006，V8（6）：VII
[3] Kumano.Effect of Bake-out Applied to Apartment Building with Natural Ventilation on Descending VOCs. Academy of Indoor Environment.1999：114~115
[4]国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局，卫生部．GB/T18883－2002．中华人民共和国国家标准一室内空气质量标准．北京：中国标准出版社，2003．3．1．
[5]Fang L，Clausen G，Fanger PO.Impact of temperature and humidity on the perception of indoor air quality〔J〕.Indoor Air，1998，8：80一90.
[6]Yassin Mohamed F.Filtering effect of wind flow turbulence on atmospheric pollutant dispersion.Environmental monitoring and assessment，2011 Vo1.184（6），天津大学，pp.3749一60
[7]Cussler，E.L..Diffusion Mass Transfer in Fluid System（Second Edition）.Cambridge University Press，1997