基于場(chǎng)-網(wǎng)絡(luò)耦合模型建筑內(nèi)區(qū)會(huì)議室CO2分析

王 雷, 王硯玲, 王 芳, 王海燕

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院,黑龍江哈爾濱150090;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱150090)

1 概述

目前,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)將CO2作為重點(diǎn)控制污染物,其含量已成為評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。Shendell等人通過研究指出教室空氣中CO2等含量過高對(duì)學(xué)生完成作業(yè)效果、學(xué)習(xí)效率有明顯的抑制作用,室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)超過標(biāo)準(zhǔn)限值會(huì)導(dǎo)致學(xué)生注意力下降[2]?，F(xiàn)有CO2研究中主要針對(duì)某種類型建筑中特定房間的CO2體積分?jǐn)?shù)變化,沒有考慮建筑中其他參數(shù)變化對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)變化的影響。

場(chǎng)模型是分析室內(nèi)空氣流動(dòng)對(duì)污染物擴(kuò)散作用的常用方法,對(duì)復(fù)雜建筑整體進(jìn)行場(chǎng)模型計(jì)算分析,存在網(wǎng)格劃分復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的限制,場(chǎng)模型并不適用。較合理的研究方法是采用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型CONTAM[3],并對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行CFD建模并分析。為此,Wang等人[4]用CFD0-CONTAM耦合模型(簡(jiǎn)稱耦合模型)對(duì)建筑中空氣流動(dòng)進(jìn)行了分析,其中CFD0是一種CFD程序,最初由Srebric等人[5]開發(fā),由Wang[6]改進(jìn)。Barbosa等人[7]應(yīng)用耦合模型在實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)院進(jìn)行了污染物擴(kuò)散分析。張旭濤等人[8]應(yīng)用耦合模型對(duì)高層建筑火災(zāi)中電梯豎井煙氣流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7-8]都體現(xiàn)出耦合模型具有一定可靠度和優(yōu)越性。

本研究中考慮復(fù)雜建筑中空氣流動(dòng)對(duì)某內(nèi)區(qū)會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)變化的影響情況,該會(huì)議室無與室外相連的外窗。此會(huì)議室會(huì)存在短時(shí)間內(nèi)大量人員聚集導(dǎo)致室內(nèi)人員因高CO2體積分?jǐn)?shù)而效率降低的情況,通風(fēng)效果較差,人員長(zhǎng)期處于高CO2體積分?jǐn)?shù)的場(chǎng)所,健康會(huì)遭受累積性的損害,故有必要對(duì)此問題進(jìn)行研究。因此,本文采用CFD0-CONTAM耦合模型(場(chǎng)-網(wǎng)絡(luò)耦合模型)對(duì)哈爾濱某綜合建筑進(jìn)行空氣流動(dòng)分析,并以建筑3層某內(nèi)區(qū)會(huì)議室為例,對(duì)空氣流動(dòng)和CO2體積分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行分析。

2 建筑模型

本研究中的綜合辦公樓位于哈爾濱市,共5層,總建筑面積為10 600 m2,層高為3 m,包含一個(gè)3層高的中庭。運(yùn)用CONTAM對(duì)整體建筑進(jìn)行建模,建筑內(nèi)各房間門窗等開關(guān)狀態(tài)均考慮,建筑第3層平面見圖1,呈“T”形。本文研究關(guān)注的對(duì)象是位于建筑第3層的會(huì)議室,會(huì)議室建模見圖2,該會(huì)議室緊鄰中庭,無與室外相通的外窗,會(huì)議室不使用時(shí)門窗均保持關(guān)閉狀態(tài),并考慮建筑物其他房間門窗對(duì)研究對(duì)象的影響。會(huì)議室體積為90 m3,長(zhǎng)、寬分別為10 m、3 m,高3 m,會(huì)議室門窗各2個(gè)。門的中心點(diǎn)坐標(biāo)分別為(1.25 m,0 m,1 m)和(8.75 m,0 m,1 m);窗的中心點(diǎn)坐標(biāo)分別為(1.25 m,3 m,1.5 m)和(8.75 m,3 m,1.5 m)。

圖1 建筑第3層平面(軟件截圖)

圖2 會(huì)議室建模

門窗采用了CONTAM內(nèi)的泄漏面積模型和孔口模型,樓梯等選取相應(yīng)模型。由于我國(guó)關(guān)于墻體泄漏特性的數(shù)據(jù)較少,而且建筑墻體具有較強(qiáng)的密封性,故本研究忽略墻體泄漏。參照相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)測(cè)研究,空氣流通路徑泄漏特征值見表1。門窗開啟時(shí),有效泄漏面積等于門窗的實(shí)際面積。整個(gè)建筑物中的窗戶尺寸均相同。

表1 空氣流通路徑泄漏特征值

內(nèi)區(qū)會(huì)議室不與室外相通,易存在開會(huì)時(shí)室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)超過標(biāo)準(zhǔn)限值(1 000×10-6)的情況,耦合模型將其定義為CFD區(qū)域,采用湍流零方程模型進(jìn)行計(jì)算,網(wǎng)格數(shù)為9×104,網(wǎng)格已經(jīng)進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證,無需進(jìn)一步細(xì)化。內(nèi)區(qū)空氣流通路徑采用的模型設(shè)置同建筑物其他房間。

本研究選擇CONTAM為CFD0提供壓力邊界條件的耦合方法,因?yàn)樵擇詈戏椒ㄌ峁┝朔€(wěn)定收斂的耦合解[7]。選擇均質(zhì)多組分流動(dòng)模型進(jìn)行污染物擴(kuò)散預(yù)測(cè)[7]。在連接CFD0和CONTAM中氣流路徑形成的邊界上進(jìn)行信息傳遞,信息傳遞內(nèi)容包括流量、壓差和污染物體積分?jǐn)?shù),Wang等人[9]詳細(xì)描述了耦合過程。CFD0-CONTAM耦合收斂因子設(shè)置為0.001。

3 CFD0-CONTAM耦合下會(huì)議室CO2分析

3.1 會(huì)議室空氣流動(dòng)及CO2體積分?jǐn)?shù)模擬分析

8:00—9:00在會(huì)議室舉行時(shí)間為1 h的會(huì)議,共20人參會(huì),會(huì)議期間門窗保持關(guān)閉狀態(tài),在會(huì)議結(jié)束后,人員離開,將會(huì)議室門窗開啟30 min,至此本次研究結(jié)束。對(duì)于每個(gè)參會(huì)者,按實(shí)際會(huì)議室的位置進(jìn)行建模,將人理想化成為一個(gè)正六面體,即散發(fā)CO2的污染源,六面體邊長(zhǎng)均為0.1 m。圖2 中參會(huì)者(正六面體)的中心均在z=1.05 m 平面上,構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)方形。長(zhǎng)方形的長(zhǎng)邊上,相鄰參會(huì)者中心距0.6 m,長(zhǎng)方形的短邊上,相鄰參會(huì)者中心距0.55 m。CO2的產(chǎn)生速率為0.005 2 L/s[10],由六面體的6個(gè)面均勻向外釋放。模擬時(shí)考慮了熱壓和風(fēng)壓的共同作用。在過渡季,室外溫度為3 ℃,風(fēng)向?yàn)镾E,風(fēng)速為3 m/s,大氣壓為101 325 Pa,會(huì)議室室內(nèi)溫度為18 ℃。初始室外環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)、室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)取400×10-6。室內(nèi)外溫度在模擬期間保持不變。

過渡季會(huì)議室空氣速度矢量圖見圖3,圖中紅點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。在過渡季,在x=8.55 m截面(該截面體現(xiàn)會(huì)議室的門和窗),室內(nèi)空氣流動(dòng)的方向從窗戶流向門;在y=2.05 m截面(該截面體現(xiàn)CO2污染源),在參會(huì)者附近,空氣流速小;在z=1.05 m截面(該截面也體現(xiàn)CO2污染源),可以看到2個(gè)旋渦,x=0～5 m,空氣旋渦呈逆時(shí)針,x=5～10 m,空氣旋渦呈順時(shí)針,空氣流動(dòng)呈對(duì)稱分布,是由于2個(gè)門窗物理參數(shù)和壓強(qiáng)相同導(dǎo)致的。

圖3 過渡季會(huì)議室空氣速度矢量圖(軟件截圖)

3.2 實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

為了驗(yàn)證CFD0-CONTAM耦合模擬的有效性,對(duì)會(huì)議室在上述模擬工況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),實(shí)測(cè)期間20個(gè)參會(huì)者,會(huì)議期間人員靜坐,有小聲交談情況。選用的實(shí)測(cè)儀器為室內(nèi)溫濕度及CO2體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)儀。

對(duì)于CO2的實(shí)測(cè)點(diǎn)布置,結(jié)合本地區(qū)實(shí)際因素和實(shí)驗(yàn)條件,保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且具有代表性的條件下,選取3個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)。實(shí)測(cè)點(diǎn)A位于房間水平面中心桌子上,距地面1.05 m,實(shí)測(cè)點(diǎn)B位于會(huì)議室墻角處,距地面1.05 m。實(shí)測(cè)點(diǎn)A和實(shí)測(cè)點(diǎn)B用于采集室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的變化情況。另外一個(gè)儀器布置在外窗窗沿上,監(jiān)測(cè)室外CO2體積分?jǐn)?shù)和溫度,根據(jù)此儀器監(jiān)測(cè)數(shù)值定義模擬分析中室外環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù),此數(shù)值在監(jiān)測(cè)期間變化很小,室外環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)取400×10-6。

會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)的變化見圖4。圖4中所顯示的模擬值為CFD0-CONTAM耦合下室內(nèi)平均CO2體積分?jǐn)?shù)。從圖4可以看出,在進(jìn)行會(huì)議期間,會(huì)議室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值逐漸升高,在8:40時(shí),室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值可以達(dá)到1 400×10-6～1 500×10-6,這時(shí)參會(huì)者的注意力容易下降,到9:00時(shí)達(dá)到峰值1 817×10-6,超過標(biāo)準(zhǔn)限值817×10-6,這時(shí)參會(huì)者的工作效率將顯著下降并伴有困倦狀態(tài)。在會(huì)議結(jié)束后將門窗打開,30 min后室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值降到接近環(huán)境體積分?jǐn)?shù)。

圖4 會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)變化

由圖4發(fā)現(xiàn),實(shí)測(cè)點(diǎn)A、實(shí)測(cè)點(diǎn)B的CO2體積分?jǐn)?shù)與模擬值的變化趨勢(shì)相同,由此說明,CFD0-CONTAM耦合模擬的結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。實(shí)測(cè)點(diǎn)A的CO2體積分?jǐn)?shù)高于實(shí)測(cè)點(diǎn)B,是由于參會(huì)者坐的位置較集中導(dǎo)致。模擬值低于實(shí)測(cè)值,考慮可能是人員CO2產(chǎn)生速率設(shè)置有偏差,且模擬值為空間內(nèi)平均值等原因。

3.3 不同季節(jié)下門窗開關(guān)狀態(tài)對(duì)會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布影響

探究不同季節(jié)和門窗開關(guān)狀態(tài)條件下會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布情況。會(huì)議室內(nèi)無機(jī)械通風(fēng),在開會(huì)期間開啟門窗更符合實(shí)際。過渡季氣象參數(shù)同前,夏季室外溫度為35 ℃,會(huì)議室溫度為25 ℃;冬季室外溫度為-30 ℃,室內(nèi)溫度同過渡季一樣,為18 ℃。室內(nèi)外溫度在模擬期間保持不變。所有季節(jié)風(fēng)速都設(shè)為3 m/s,風(fēng)向?yàn)镾E。各工況基本信息見表2。

表2 模擬工況條件

工況1若干典型時(shí)刻會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布見圖5,在工況1下,過渡季會(huì)議室門窗全開啟時(shí),20名參會(huì)者在會(huì)議室進(jìn)行1 h會(huì)議。從z=1.05 m截面CO2體積分?jǐn)?shù)分布看,在8:10時(shí)刻,參會(huì)者周圍CO2體積分?jǐn)?shù)較高,室內(nèi)局部CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到近3 500×10-6,此時(shí)參會(huì)者會(huì)明顯感覺疲憊困倦,嚴(yán)重影響工作效率?；谶^渡季房間空氣流動(dòng)方向從窗戶到門,故靠近門的位置CO2體積分?jǐn)?shù)高于靠窗側(cè)。在9:00會(huì)議結(jié)束時(shí),參會(huì)人員周圍CO2較均勻分布。在會(huì)議結(jié)束10 min后,室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)普遍下降至1 000×10-6以下,會(huì)議結(jié)束30 min后,室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)已降至環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)。從y=2.05 m截面CO2體積分?jǐn)?shù)分布看,受室內(nèi)空氣流動(dòng)不均勻影響,在8:10時(shí),人員附近CO2體積分?jǐn)?shù)較高,且室內(nèi)下部區(qū)域CO2體積分?jǐn)?shù)高于上部區(qū)域。隨著會(huì)議進(jìn)行,室內(nèi)下部空間CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸變高,可達(dá)到2 000×10-6。在9:30時(shí),室內(nèi)CO2已擴(kuò)散至走廊和其他區(qū)域,室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)降至環(huán)境體積分?jǐn)?shù)。

圖5 工況1若干典型時(shí)刻會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布(軟件截圖)

工況2、3、4若干典型時(shí)刻會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布見圖6。工況2下會(huì)議室門窗均處于關(guān)閉狀態(tài),室內(nèi)空氣流速較低。會(huì)議期間,在z=1.05 m截面上,工況2同工況1下CO2的擴(kuò)散趨勢(shì)相似,在參會(huì)者周圍CO2體積分?jǐn)?shù)較高。但與工況1下CO2擴(kuò)散范圍不同,會(huì)議室門窗關(guān)閉狀態(tài)下CO2體積分?jǐn)?shù)擴(kuò)散范圍更廣。

分析過渡季(工況1)、夏季(工況3)、冬季(工況4)3個(gè)不同氣候條件下會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布。3個(gè)工況下會(huì)議室門窗均處于開啟狀態(tài)。通過空氣流動(dòng)分析可知,在冬季和過渡季時(shí)空氣流動(dòng)方向是從窗戶到門,夏季的空氣流動(dòng)方向則是從門向窗。夏季時(shí),z=1.05 m截面CO2體積分?jǐn)?shù)顯著高于過渡季,且夏季CO2體積分?jǐn)?shù)衰減時(shí)間長(zhǎng)于過渡季,故在夏季時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注室內(nèi)的通風(fēng)問題,建議采取機(jī)械通風(fēng)措施。冬季時(shí),由于熱壓作用較強(qiáng),在z=1.05 m截面,CO2體積分?jǐn)?shù)均在1 200×10-6以下,會(huì)議結(jié)束后,CO2體積分?jǐn)?shù)衰減較快,在會(huì)議結(jié)束10 min后可降至環(huán)境體積分?jǐn)?shù)。

圖6 工況2、3、4若干典型時(shí)刻會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布(軟件截圖)

3.4 門窗開啟比例對(duì)會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布影響

從上述分析可知,室外氣象條件是影響室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的重要因素,處于夏季的工況3較工況1和工況4,室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)較高,且衰減時(shí)間較長(zhǎng)。建筑物第3層工作人員較多,門窗開啟頻繁,因此下文針對(duì)過渡季和夏季若干工況進(jìn)行研究,探究建筑第3層門窗開啟比例不同對(duì)會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布的影響。結(jié)合哈爾濱地區(qū)氣象條件及使用習(xí)慣,僅考慮建筑第3層門窗開啟比例為50%或80%。

會(huì)議室門窗空氣流通路徑參數(shù)不變,將建筑第3層所有房間的門窗數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),共110個(gè)外窗(與室外空氣連通),4個(gè)內(nèi)窗(不與室外空氣連通)和96個(gè)門。按照僅開窗、僅開門、既開門又開窗3種方式對(duì)建筑第3層所有房間的空氣流通路徑進(jìn)行整體調(diào)節(jié),門窗開啟的部位由建筑第3層“T”形的3個(gè)邊按比例進(jìn)行選取。會(huì)議室內(nèi)仍進(jìn)行1 h會(huì)議,選取的工況見表2。

工況5～8若干典型時(shí)刻會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布見圖7。工況5和工況6在會(huì)議期間CO2體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)與工況1相似。從z=1.05 m截面的模擬結(jié)果看,工況5在9:10時(shí),CO2體積分?jǐn)?shù)衰減較工況1更慢,在會(huì)議結(jié)束30 min后也未恢復(fù)至環(huán)境體積分?jǐn)?shù)。工況6在9:10時(shí),CO2體積分?jǐn)?shù)比工況5稍降低,但區(qū)別不明顯。

圖7 工況5～8若干典型時(shí)刻會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布(軟件截圖)

在建筑第3層所有房間門均關(guān)閉的情況下,隨著建筑第3層窗開啟比例增大,從z=1.05 m截面看,會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸變小且衰減速度較快,在9:30時(shí),工況8條件下會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)可恢復(fù)至環(huán)境體積分?jǐn)?shù)。

工況9～12若干典型時(shí)刻會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布見圖8。由圖7和圖8可知,建筑第3層門窗開啟比例均為50%和均為80%時(shí),從z=1.05 m截面看,9:00時(shí)室內(nèi)高CO2體積分?jǐn)?shù)的范圍比工況1更小。根據(jù)工況5～10的規(guī)律,建筑第3層除會(huì)議室外的其余房間門窗開啟會(huì)影響會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)的變化,其余房間門窗同時(shí)開啟對(duì)會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)的影響最大。因此,再對(duì)工況3進(jìn)行分析。

在z=1.05 m截面,工況3與工況11和工況12相比,CO2體積分?jǐn)?shù)較高。根據(jù)模擬數(shù)據(jù),工況3實(shí)測(cè)點(diǎn)A CO2體積分?jǐn)?shù)約為1 200×10-6,實(shí)測(cè)點(diǎn)B CO2體積分?jǐn)?shù)約為800×10-6。工況11和工況12在z=1.05 m截面上CO2體積分?jǐn)?shù)低于1 200×10-6的范圍更大。從工況9、10來看,當(dāng)建筑第3層門窗開啟比例為80%時(shí),室內(nèi)高CO2體積分?jǐn)?shù)的范圍比建筑第3層門窗開啟比例為50%更小。但對(duì)于夏季,空氣流動(dòng)方向與過渡季不同,是從室外流向室內(nèi),因此工況11、12相比,室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)變化幅度不明顯。

圖8 工況9～12若干典型時(shí)刻會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)分布(軟件截圖)

選取會(huì)議室內(nèi)D點(diǎn)(2.4 m,1 m,1.1 m)作為分析點(diǎn),該點(diǎn)處于參會(huì)者周圍,CO2體積分?jǐn)?shù)變化較明顯。不同工況典型時(shí)刻下D點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)變化見圖9。可以發(fā)現(xiàn)在會(huì)議結(jié)束10 min內(nèi),僅開門工況(工況5、6)變化速率小于僅開窗工況(工況7、8),說明了僅將建筑第3層某些門打開對(duì)會(huì)議室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)影響效果小于某些開窗工況。在過渡季開門開窗(工況9、10)下,局部室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)低于其余工況,說明本建筑過渡季同層其余房間開門開窗可以保證內(nèi)區(qū)會(huì)議室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)處于較低范圍。但夏季開門開窗時(shí)(工況11、12),CO2體積分?jǐn)?shù)仍然較高,僅依靠自然通風(fēng)不能使CO2體積分?jǐn)?shù)降到較低水平,必要時(shí)應(yīng)采取機(jī)械通風(fēng)措施,才能夠保證室內(nèi)人員的良好工作狀態(tài)。

圖9 不同工況典型時(shí)刻下D點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)變化

4 結(jié)論

① 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有一致性,CFD0-CONTAM耦合模型可靠。如提高人員CO2產(chǎn)生速率、空氣泄漏特征的準(zhǔn)確性,那么耦合模型準(zhǔn)確性將進(jìn)一步提高。

② 夏季建筑外窗關(guān)閉條件下,建筑物整體空氣流通較弱,內(nèi)區(qū)會(huì)議室容易出現(xiàn)CO2體積分?jǐn)?shù)高的情況。因此,在必要時(shí),應(yīng)該對(duì)建筑內(nèi)區(qū)的會(huì)議室采取機(jī)械通風(fēng)的措施。

③ 不同季節(jié)下,建筑物熱壓、風(fēng)壓作用特征不同,對(duì)會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)水平影響較大。建筑物其他房間門窗關(guān)閉情況下,冬季和過渡季相比,會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)低且衰減快。

④ 僅將建筑第3層窗開啟對(duì)會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)的影響大于僅將建筑第3層門開啟。故建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上空氣流通面積比內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上空氣流通面積對(duì)會(huì)議室空氣流通影響大,進(jìn)而對(duì)會(huì)議室CO2體積分?jǐn)?shù)影響較大。