室内空气分析

打开文本图片集

【摘 要】经研究发现，越来越多的人因长时间处在空气品质不佳的室内，而出现体质下降和工作状态懒散。为解决空气品质不佳，建筑通常会采用自然通风或机械通风来改善室内的空气环境。但室内通风效果没办法直观计算。本文应用CFD模块模拟建筑室内通风人呼出的CO2流动图及通风空气流线，结果直观、清晰，从而得知室内的通风效果，扩展分析室内的空气品质。为建筑通风设计提供直接、有效的参考依据，进而得到较优室内空气品质，改善室内居住环境。

【关键词】空气品质，通风效果，CFD

【Abstract】The research found that more and more people because of a long time in the air quality of the poor indoor， and physical decline and work lazy state. To address poor air quality， buildings often use natural or mechanical ventilation to improve the indoor air environment. But indoor ventilated effect cannot be calculated intuitively. In this paper， CFD module is applied to simulate the CO2 flow diagram and ventilation air flow line of the building"s indoor ventilation， and the result is intuitive and clear， so as to know the indoor ventilation effect and expand the analysis of indoor air quality. It provides direct and effective reference basis for building ventilation design， thus obtaining better indoor air quality and improving indoor living environment.

【Keywords】Air quality， Ventilation effect， CFD

一、室内空气问题概述

随着科技水平的发展，人们对建筑的要求，从最开始单一居住功能到现在追舒适性、美观性及智能性。因此建筑需要引入空调系统、新型合成材料等才能满足现代人们对建筑的要求。越来越多的新型材料被选择、建筑密闭性增强等因素，导致建筑内存在众多污染物，因此产生了许多与建筑相关的病症，许多人出现了不适应等症状，甚至有的人患上了某种疾病，例如癌症和白血病等[1]。因此建筑室内空气的问题引起了人们的关注。随着人口增长、城市化进程加快，用地需求量的增加，采取紧缩能耗政策，因此加大了建筑物的密集度。随着全球气候的变暖，采用减小新风量和通风量等一系列措施减少能耗，建筑的室内通风问题造成了病态建筑综合症。室内的空气问题也因此得到了关注。

二、CFD技术简介

Computational Fluid Dynamics，简称CFD是计算机技术成熟的表现。计算机技术的发展下，模拟技术以模块进一步深入，其中CFD是求解流动、传热、传值的各种守恒控制偏微分方程组。在流体力学中，模拟流体在室内的气流组织和流动扩散，通过模拟数值计算的方法计算不同的工况下分析室内的流体流动情况，从而扩展分析室内的空气品质。

三、传统方法与CFD技术的对比

传统的建筑在早期人们通过肉眼去考察采光面积、通风情况和周围环境等来分析该建筑。随后在建筑学的基础上一步步深化，通过对实际建筑的考察记录各种参数，然后在通过对参数的分析，从而确定对该建筑的评价。随着科技的发展，CFD模拟技术的成熟，越来越多的建筑开发商花费大量的人力、财力和物力去研究CFD技术。在当代建筑甚至未来建筑设计中能够合理准确的应用CFD技术模拟分析室内空气受到了人们广泛的认可[6]。传统方法与CFD技术的对比，详见表 1。

近年来，CFD技術在民用建筑的置换通风、空调舒适性、空气对流等问题上取得了显著成绩。随着CFD技术的发展，计算流体力学由简单的二维模型发展至现在的三维立体模型。室内的送风口由单个发展至多个，由简单的数值计算至图形影像的生成，模拟室内空气对流更加真实可靠。

四、研究对象

某办公室三维立体图如图1所示，该办公室坐北朝南。办公室内的设置为办公桌、沙发、茶几及空调各一件。办公室设窗户800mm×1800mm一个和门1000mm×1800mm一个，模型从窗户进风从门出风。假设办公室有两人正在办公，分析人呼出的CO2流动图和室内空气流线图。

五、计算和分析

根据CFD软件模拟CO2呼出后的流线分析室内空气品质。建立了人体呼出CO2后从室内流出室外的理论模型。如图2（CO2呼出后12S时刻）和图 3（CO2呼出后40S时刻）以及图4室内流速场显示：

六、结论

由图可以清晰看出人体呼出CO212S，CO2在人头部上方处。CO2呼出后40S，CO2快达到门口处。从室内流速分布图可以看出在室内通存在死角区，在办公桌和门的连线位置上流线相对均匀。门口和窗口气流速度较急速，尽量不要把办公桌设置在门口或者窗口附近。利用CFD软件计算流体力学，分析各工况下的气流组织形式的数学模型，采用К-ε湍流模型在各种自然通风的情况下分析室内的二氧化碳及其他污染物的扩散能够接近实际情况，提前分析并设计好建筑图纸从而减少后期的建筑设计变更，减少成本。

七、展望

利用CFD软件能够很好的分析室内的气体流动。通过模拟仿真计算并不断修正系数直至达到仿真所需的要求;在空调系统中，分析室内气流的合理性，能够减少空调系统的负荷和空调系统的效率。在新节能的时代，合理高效的节能技术饱受人们的追捧;在光辐射中也能够很好的模拟出室内的采光效果。利用CFD软件一步步模拟不同的工况，直达最终达到为居者所需要的最佳条件。

参考文献：

[1]王振.夏热冬冷地区双层皮玻璃幕墙的气候适应性研究[D];华中科技大学建筑与城市规划学院;2005.

[2]张国强，喻李葵编著.室内装修谨防人类健康杀手[M].中国建筑工业出版社，2003：52-54.

[3]沈晋明等，室内空气品质的定义与新风直接入室内的实验测试[J].暖通空调，1995，25（6）;30-33

[4]方修睦，姜永成，张建利编著.中国建筑工业出版社，建筑环境测试技术.2015：276-277.

[5]Bjarne W Olsen.International development of standards for standards for ventilation of building [J].ASHRAE，1997，39（4）：31-39.

[6]Chen Qingyan.Using computationals tools to factor wind into architectural environment design [J]. Energy and Buildings，2004，36（12）：1197-1209.

基金项目：

“绿色建筑施工与技术福建省高校工程研究中心”（项目编号：闽教科〔2017〕13号）。

作者简介：

王凤华（1989-），助教，本科，从事通风工程以及流体流场CFD领域研究。