散发模型的耦合及民用建筑内建材散发污染的预测.doc

289 多区网络通风与多区网络通风与 VOC 散发模型的耦合散发模型的耦合 及民用建筑内建材散发污染的预测及民用建筑内建材散发污染的预测 刘京 李文琴 哈尔滨工业大学市政环境工程学院 摘摘 要要 本文以我国北方地区民用住宅建筑为例 研究自然通风作用下建筑材料造成的室 内挥发性有机化合物 VOC 污染 建立建材 VOC 散发模型 并与 COMIS 多区网络通风 模型实现耦合 结果表明 污染散发初期室内污染散发速率快 室内 VOC 浓度很高 随 后迅速衰减 受建筑内部气流影响 各楼层 VOC 浓度差异很大 关键词关键词 COMIS 建筑材料 挥发性有机化合物 室内空气品质 EVALUATION OF VOC DISTRIBUTION IN APARTMENT BUILDINGS USING AN INTEGRATED MULTI ZONE AIRFLOW AND IAQ MODEL Liu Jing Li Wenqin Abstract This study highlights the significance of airflow pattern within a typical apartment building and its impact on VOC distribution A VOC emission model was developed and integrated with multi zone airflow model COMIS Then this new model was applied on a residential building in Harbin a typical city in the severe cold region of China The results indicate that initial VOC concentration is very high due to high VOC emission rate And as time processes VOC concentration decays In addition because of this flow pattern the VOC concentrations on different floors vary significantly Key words COMIS multi zone model building material VOC indoor air quality 1 引言引言 室内空气品质问题近年来得到广大研究者的重视 研究表明大量非工业建筑内部存在 着室内空气污染问题 严重影响了人们的健康和舒适 此外 由于节能的需要 高气密性 建筑在北方地区推广 更加剧了室内空气品质的恶化 在各种室内污染物中 建筑和装饰 装修材料散发的挥发性有机化合物 VOC 是室内空气污染的重要源头之一 为寻求控制 室内空气污染的有效办法 有必要对建筑材料中 VOC 的散发特性进行深入研究 目前国内外的研究大多以建立 VOC 模型 探讨建材中的 VOC 散发机理为研究对象 考虑 VOC 散发源对周围环境的影响尚较少 且以单室稳态计算为主 具有代表性的如 290 CFD 模拟 可以详细地模拟单室内速度场 温度场 污染物浓度场的分布变化 但 CFD 由于计算量大 计算时间长 因此很难进行污染物在多室之间扩散和传递等相互影响的研 究 而现有的多区网络模拟虽能从宏观角度模拟整个建筑系统内部的气流流动特性和污染 分布 但由于只是对稳态污染源的散发研究 对建材 VOCs 散发这样的散发量动态变化的 情况还有待展开 本文将通过建模对整个建筑内部 VOCs 污染问题进行了探讨 对污染散发进行了长期 的动态模拟 2 建材建材 VOCs 散发模型的建立散发模型的建立 本模型以干性材料为研究对象 综合考虑了平板材料的内部扩散 表面散发以及薄材 料的吸附解析过程 1 2 1 散发源内部 对平板建材的散发源 本文选用 Yang 等人建立的一个典型传质模型 该模型以 Fick 定律为基础 综合考虑了 VOCs 在材料内部的扩散过程和表面边界层的影响 适用于平板 材料中 VOCs 的单面散发过程 2 其控制方程为 1 2 2 x xC D xC m m m 其中 材料内部污染物浓度 g m3 xCm Dm 材料内部污染物扩散系数 m2 s 时间 s x 一维扩散方向 m 2 2 材料表面 污染源材料表面 固体侧 VOCs 浓度和空气侧 VOCs 浓度保持动态平衡 在常温常压 条件下 符合 Langmuir 等温线 3 4 0 2 smam CKxC xl 其中 材料表面空气中 VOCs 的浓度 g m3 s C Kma 材料表面分隔系数 l 材料厚度 m 2 3 边界层质扩散 在材料表面 存在一层浓度边界层 其中的污染物传递过程同时受扩散和对流影响 气相传质速率为 Fick 第二定律 3 1 FCChS asm 其中 散发源材料气相传质速率 g s S 空气中 VOCs 浓度 g m3 a C hm 对流传质系数 m s F1 散发源材料表面积 m2 2 4 薄材料表面吸附解析效应 通常认为薄材料表面吸附 解析过程同时发生 5 其表面控制方程 291 4 MKFCK d dM daa 2 其中 M 吸附解析材料表面吸附量 g Ka Kd 吸附 解析系数 m s 1 s F2 吸附解析材料表面积 m2 2 5 控制体内污染物质量平衡方程 以每个房间为节点建立各节点污染物质量平衡方程 5 d dM SCVCV C V aoutinin a 其中 Cin 进风中污染物浓度 g m3 V 房间体积 m3 s Vin 房间进风量 m3 s Vout 房间排风量 m3 s 2 6 初始条件和边界条件 2 6 1 初始条件 散发源材料内部 6 0 0 CxCm lx 0 吸附解析材料表面 7 0 0 MM 空气中污染物浓度 8 inia CC 2 6 2 边界条件 散发源材料底部 固固界面 9 0 0 x m m x xC D 0 材料空气界面 10 asm lx m m CCh x xC D 0 2 7 VOC 散发模型数值解 联立方程 1 6 9 10 求解 得到平板建材内部 VOCs 浓度分布表达式 11 2 2 1 0 expcos cossin sin2 l D l x CxC m nn n nnn n m 和材料表面 VOCs 浓度表达式 12 2 2 1 0 exp cossin 2sin l D ClC m n n nnn n m 2 8 计算方法 COMIS Conjunction of Multizone Infiltration Specialists 是一种多区网络通风模型 利用 区域 zone 和空气流通路径 airflow path 等概念 按照不同的模拟目标将实际建筑简化为理 想建筑模型 在此基础上进行模拟计算 本文应用COMIS对建筑内部的通风进行模拟 根 据风压 热压作用 模拟门窗 开口及其缝隙 围护结构如墙 楼板等空气泄漏特征 确 定外围护结构的渗风量 6 然后将COMIS计算所得结果导入上述VOC散发模型 编制程序 292 求解室内VOC浓度 流程图如图1所示 开开始始 时时间间步步长长设设定定 VOC 浓浓度度初初始始化化 Cini VOC 浓浓度度 C i 计计算算 计计算算 VOC 散散发发速速率率 S i 分分析析并并输输出出结结果果 程程序序结结束束 COMIS 计计算算 风风量量 图 1 模型计算流程图 3 模拟描述模拟描述 以哈尔滨为例 代表我国严寒地区气候条件 在自然通风基础上 应用上述污染散发 模型 研究建筑内部建材造成的 VOCs 污染 3 1 模型建筑 本研究选用了一栋高 18 9m 的多层单元式民用住宅建筑为研究对象 这是我国目前最 常见的民用住宅建筑形式之一 该建筑包括 3 个单元 由于计算条件大体相同 实际计算 时只考虑了中间单元 每层层高 2 7m 共 7 层 14 个住户 每个住户使用面积约 50m2 中间的楼梯间体积为 226 8m3 7 图 1 所示为建筑外立面和内部布局示意图 为简化计算 假定住户内部的隔断可以忽略 13200 18900 Front facade Figure 2 The Schematic Elevation and Floor Plan of the Prototypical Building 8500 5400 50003500 Residence A 1 Residence A 2 2400 Staircase A Number of floor 图 2 模型建筑外立面和内部布局示意图 3 2 室内外温度 图 3 所示为哈尔滨一年内室外温度的变化 8 哈尔滨冬季持续时间很长 夏季短而凉 爽 冬季采暖期从每年 10 月中旬到 4 月中旬长达半年 其间由于开窗时间很短 室内温度 受室外影响很小 室内温度在 20 左右变化 波动很小 9 本文为了计算方便统一定为 20 其他时间室内温度随室外气候变化 10 具体见图 4 所示 293 此外 该模拟中楼梯间不设置采暖或空调设备 全年温度的变化直接受室外温度影响 20000101 00 00 20000131 00 00 20000302 00 00 20000401 00 00 20000501 00 00 20000531 00 00 20000630 00 00 20000730 00 00 20000829 00 00 20000928 00 00 20001028 00 00 20001127 00 00 20001227 00 00 30 20 10 0 10 20 30 温度 图 3 室外温度变化 20000101 00 00 20000131 00 00 20000302 00 00 20000401 00 00 20000501 00 00 20000531 00 00 20000630 00 00 20000730 00 00 20000829 00 00 20000928 00 00 20001028 00 00 20001127 00 00 20001227 00 00 0 5 10 15 20 25 30 35 温度 图 4 室内温度变化 3 3 气流特征 考虑到我国目前居民实际生活中的通风方式主要依赖渗风以及通过门窗的自然通风 本文的模拟以自然通风为主 同时假定每户每天在 18 00 19 00 的做饭期间开启排风机 排风量为 150m3 h 门窗的开启时间和角度根据实测资料确定 3 4 污染源和污染物 从住户实际建筑面积考虑 材质为合板的地板散发源 表面积 50m2 厚度 0 02m 考 虑到 TVOC 通常作为挥发性有机化合物的总指标 而苯则是目前存在较多且危害性较大的 一种代表性 VOC 故本文以 TVOC 和苯为例进行模拟研究 合板中 TVOC 和苯的各项参 数 4 11 12 见表 1 吸附解析源为窗帘 表面积 20m2 初始苯含量 3 5 106 g 对苯的吸附解 析系数为 0 25 表 1 合板中 TVOC 和苯的物性参数 4 模拟结果模拟结果 4 1 气流形式 根据 COMIS 模拟结果 哈尔滨多层民用住宅内部冬夏季气流形式如图 5 所示 其中 风压影响以无量纲风压系数 13 的形式在 COMIS 模块中进行计算 由图可看出冬夏季建筑 传质系数 m s 扩散系数 m2 s 分隔系数初始浓度 g m3 TVOC 4 24 10 47 65 10 4 3289 2 62 108 苯 2 45 10 42 08 10 11 184 5 107 294 内部气流流动规律差异很大 冬季室内外温差很大 通风以热压作用为主 室外空气流经 底层住户 再进入楼梯间 并沿着楼梯间上行进入顶层住户 最后排出 夏季由于门窗等 大开口时常打开 与缝隙渗风不同的是 温差或两侧的热梯度差会导致通过大开口的气流 两个流向 气流大部分通过门窗在住户内部进出 同时风压作用加强 少量气流会从顶部 住户排入楼梯间后下行进入底部住户 7 14 6 12 5 10 4 8 3 6 2 4 1 2 1 1 2 3 3 5 4 7 5 9 6 11 7 13 15 6 14 6 12 5 10 4 8 3 6 2 4 1 21 1 2 3 4 7 5 9 6 11 6 13 3 5 15 夏季 冬季 图 5 冬夏季建筑内部气流示意图 4 2 VOCs 散发季节对浓度分布的影响 由于冬夏季气流差异很大 本文首先考虑不同的装修季节的影响 分别以 1 月和 6 月 为污染的起始散发时间 分析室内 VOCs 浓度分布和变化规律 假定各住户污染源一致 其它条件不变 模拟 TVOC 和苯的散发 图 6 和 7 所示为哈尔滨某一底层住户污染散发 90 天之内室内 TVOC 和苯的浓度变化 从图中可以看到 污染散发初期室内污染浓度很高 但衰减很快 TVOC 浓度变化在一个 月之后逐渐趋于平缓 苯则在一周之后开始趋于平缓 污染散发开始于 1 月时 TVOC 最高浓度可达到 23200 g m3 超出 室内空气质量标 准 GB T 18883 2002 的规定值 30 多倍 而苯的最高浓度也达到了 49300 g m3 高出 了规定值 110 g m3 根据计算 TVOC 从开始散发到降至标准要求大约需要 50 多天 苯 则需要 100 天左右 6 月开始散发时 TVOC 和苯浓度变化规律与 1 月散发相似 但浓度值明显低于 1 月 这是由于夏季通风量远远大于冬季 有利于污染的排除 由于版面限制 本文在此不列出 通风量数据 图 5 中箭头大小对通风量作了简单示意 从浓度的总体变化趋势来看 散 发初期前 30 天 两种情况对比 TVOC 和苯浓度存在差距较大 之后浓度逐渐接近 对比 室内卫生标准 TVOC 浓度降至标准需要约 30 多天 苯则需要 25 天 相比 1 月散发大大 缩短了散发周期 0246810 0102030405060708090 0 4000 8000 12000 16000 20000 哈尔滨 1月 6月 标准 浓度 g m3 时间 天 图 6 污染散发 90 天内 TVOC 日平均浓度变化 295 0102030405060708090 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 时间 天 哈尔滨 浓度 g m3 1月 6月 标准 图 7 污染散发 90 天内苯的日平均浓度变化 由于各楼层之间也存在通风量的差异 导致污染分布不尽相同 各楼层相比 由于底 层新风量最大 故污染物浓度最低 而顶层虽然新风量最小 但来自于楼梯间的风量很大 因此虽不如新风 但也一定程度上降低室内浓度 中间层由于新风和楼梯间进风都较小 不利于污染的排除 导致室内污染浓度最高 夏季各楼层之间 由于风量随楼层升高而增 加 故污染排除效果递增 使室内 VOC 浓度变化总体呈递减趋势 图 8 所示为冬夏季各 楼层 TVOC 浓度的动态变化 1月1日 1月4日 1月7日 1月10日 1月13日 1月16日 1月19日 1月22日 1月25日 1月28日 1月31日 0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 1 2 3 4 5 6 7 楼梯间 浓度 g m3 冬冬季季 6月1日 6月4日 6月7日 6月10日 6月13日 6月16日 6月19日 6月22日 6月25日 6月28日 7月1日 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 夏夏季季 浓度 g m3 1 2 3 4 5 6 7 楼梯间 图 8 冬 夏季各楼层 TVOC 浓度的动态变化 图 9 描述了冬 夏季各楼层室内污染浓度降至 室内空气质量标准 规定值所需的时 间 从图中可以看到冬季 TVOC 和苯降至规定值需要的时间随楼层升高而增加 夏季则相 反 1234567 0 20 40 60 80 100 120 楼层编号 时间 天 楼层编号 1234567 T TV VO OC C 6月1月 1234567 0 20 40 60 80 100 120 苯苯 时间 天 6月1月 1234567 楼层编号 楼层编号 图 9 冬 夏季各楼层室内污染浓度降至标准所需的时间 4 2 间歇机械通风的影响 296 哈尔滨冬季寒冷 开窗较少 为了保证室内空气品质人们通常采用短时间开窗或启动 排风扇等间歇机械通风方式排除室内污染 图 10 所示为冬季某一天三个楼层苯和 TVOC 的浓度变化图 从图中可以看出各楼层初始浓度一致 之后虽然产生明显差距 但是变化规律相似 曲线平缓 18 点时刻由于风扇开启 TVOC 和苯浓度骤降 但 18 点之后又逐渐恢复原来 的变化趋势 且 TVOC 浓度还出现回升 由此可见 间歇机械通风能显著降低当时室内污 染浓度 但对 VOC 这种散发周期很长的室内污染没有实质性影响 从图中还可以看出 风扇开启对中间第 4 层影响最为显著 而对底层影响最小 由于 4 层处于中和面 冬季新 风和排风量都是最小 浓度始终保持最高 底层则相反 因此风扇开启时 4 层相对增加 量最大 底层最小 导致第 4 层室内 VOCs 浓度迅速下降至与其它楼层相近 1 00 3 00 5 00 7 00 9 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 23 00 0 10000 20000 30000 40000 50000 时间 浓度 ug m3 T TV VO OC C 1层 4层 7层 1 00 3 00 5 00 7 00 9 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 23 00 0 20000 40000 60000 80000 100000 时间 浓度 ug m3 苯 图 10 一天内 TVOC 和苯的逐时浓度 4 3 局部污染源的交叉影响 由于气流作用 使室内污染物在住宅建筑内部扩散 很可能造成建筑内部的交叉污染 特别是对于旧有建筑 伴随着某一新住户的搬迁和室内装修 污染源仅存在于局部区域 这种影响就更加明显 为了具体研究建筑内局部区域污染源的影响程度 对污染源存在于 底层 1 号住户 中间层 7 号住户和顶层 13 号住户 3 种情况与前文所述污染源在所有住户同 时存在的情况进行了对比分析 此外 考虑到冬夏两季气流变化规律的差异可能导致这种 影响的不同 对冬 夏季进行了单独讨论 由于污染源单独存在某一区域时 其它住户 VOCs 浓度相对极低 因此从全年累积浓 度的角度来讨论这种影响 图 11 所示为冬季开始散发时的各住户室内苯全年累积浓度的分布情况 可看出 当污 染源分布于底层住户 1 时 对建筑内部其它住户影响最大 污染源分布于顶层住户 13 时 影响最小 中间楼层影响居中 其原因可以由前文所述冬季建筑内部的空气流向来解释 由于底层大量排风进入了楼梯间 且各住户进入楼梯间的风量变化从下到上递减 楼梯间 的气流向上运动 大部分进入顶层住户并排出室外 此时有利于污染物从底层向顶层扩散 夏季建筑内部空气流向与冬季不同 从图 12 看来 总体上局部污染对其他住户的影响 不显著 这与夏季室内气流变化规律现象一致 297 0 400000 800000 1200000 1600000 2000000 各住户 污染源一致 住户1污染源0 400000 800000 1200000 1600000 住户7污染源 苯苯 住户编号住户13污染源 累积浓度 g h m3 累积浓度 g h m3 住户编号 图 11 不同污染源分布条件下冬季开始散发时苯的全年累积浓度 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 各住户 污染源一致 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 住户1污染源0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 住户7污染源 住户编号0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 住户13污染源 住户编号 苯苯 累积浓度 g h m3 累积浓度 g h m3 图 12 不同污染源分布条件下夏季开始散发时苯的全年累积浓度 5 结论结论 本论文通过多区网络通风模型与 VOCs 散发模型的耦合 对哈尔滨地区多层住宅建筑 内部的 VOCs 浓度分布进行了计算模拟 详细分析了冬夏季不同散发季节 间歇机械通风 以及局部污染等条件下各住户污染浓度的分布和变化 以及气流作用导致的污染交叉影响 得到如下结论 1 污染散发初期 室内污染浓度下降很快 之后趋于平缓 且散发初期苯浓度的 衰减速度大于 TVOC 2 室内污染浓度的各影响因素在散发初期表现明显 在散发初期 夏季开始散发 时室内污染浓度低于冬季 散发速率高于冬季 污染浓度降至标准所需时间比 冬季大大缩短 3 各楼层室内污染浓度分布的变化在冬夏季表现出不同规律 冬季底层室内污染 298 浓度最低 中和面附近楼层的污染物浓度最高 顶层又降低 夏季则随着楼层 的升高污染物浓度递减 4 间歇机械通风会显著降低当时室内污染浓度 但对 VOCs 这样的散发周期很长 的室内污染来说没有实质性影响 5 受建筑内部气流影响 局部污染源分布于不同位置时 对整个建筑的影响程度 冬 夏季各有不同 参考文献参考文献 1 Jinsong Zhang Qingyan Chen Jianshun Zhang et al A Critical Review on Studies of Volatile Organic Compound VOC Sorption by Building Materials ASHRAE Transaction 2002 108 2 162 174 2 Yang X Q Chen J zeng J S Zhang and C Y Shaw 2001 A Mass Transfer Model for Simulating VOC Sorption on Building Materials Atmospheric Environment 35 7 1291 1299 3 Axley J W 1991 Adsorption modeling for building contaminant dispersal analysis Indoor Air 1 2 147 171 4 Hongyu Huang Fariborz Haghighat 2001 Modeling of volatile organic compounds emission from dry building materials Building and Environment 37 11 1127 1138 5 Tichenor B A Z Guo J Dunn et al 1991 The Interaction of vapor phase organic compounds with indoor sinks Indoor Air 1 1 23 35 6 Helmut E Feustel COMIS an international multizone airflow and contaminant transport model Energy and Buildings 1999 30 1 3 18 7 Jing Liu Fusheng Gao Hiroshi Yoshino et al 2005 Evaluation of the ventilation performance of 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