有关室内颗粒运动和分布的模拟方法

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1、室内颗粒运动和分布的模拟方法赵彬（清华大学建筑学院建筑技术科学系，北京市，100084）摘要：本文论述了模拟室内颗粒运动和分布规律的不同方法，包括集总参数模型、区域模型以及基于计算流体力学的模型。结合一些相关的实例，文中分别阐述了这些方法的特点、适合的应用对象和使用策略等。关键词：颗粒；IAQ；分布；模拟中图分类号：TU834文献标识码：AMethodsforsimulationofIndoorparticlesdispersionanddistributionZhaoBin(TsinghuaUniv

2、ersity,Beijing,100084)Abstract:Thedifferentmethodsforsimulationofindoorparticledispersionanddistributionarediscussed,includinglumpedparametermodel,zonalmodelandmodelsbasedoncomputationalfluiddynamics.Togetherwithsomeexamples,theadvantageanddisadvantageo

3、fthesemethodsarediscussed.Keywords:Particle;Indoorairquality(IAQ);Distribution;Simulation1．背景近年来，随着经济的发展、人们生活水平的提高，人们对建筑环境的要求也越来越高。人们对人居环境的要求，已经不仅仅限于对传统的温度、速度、湿度的要求，而提升到对与室内可挥发有机物、颗粒物质等密切相关的室内空气品质（IAQ：IndoorAirQuality）的要求上来。颗粒物质广泛存在于城市与乡村环境中。空气动力学当量直径小于

4、10μm的颗粒称为可吸入颗粒物（记做PM10），可通过呼吸进入人体的上下呼吸道。尤其是空气动力学直径小于2.5μm的颗粒（PM2.5，称为细颗粒物），可以通过上下呼吸道和支气管，到达肺部沉积，甚至通过肺泡，进入人体血液。加之细颗粒物上富集了重金属、酸性氧化物、有机污染物（如多环芳烃、农药等），并且是细菌、病毒和真菌的载体，是对人体危害最大的污染物，已引起世界各国的广泛关注[1-2]。近年来众多学者的研究表明，长期暴露在颗粒物质中，对人体呼吸道疾病、眼睛和皮肤过敏等健康问题影响很大[3-5]，也导致死亡

5、率和发病率有所增加[6-7]，尤其对于具有慢性肺部疾病和心血管疾病的人而言，影响更大[8]。统计数据表明，绝大多数人的70-90%的时间是在室内度过的[9]，而一些老弱病残人士在室内停留时间则会更长。由此可见室内空气污染暴露对人体健康影响的重要性。室外的颗粒物质可以通过自然渗风、机械通风、人员进出带入室内，对于大气颗粒含量多的地区，由此引起的室内颗粒污染尤为严重。文献[2]中列出的中国广州、武汉、重庆、兰州四个城市与纽约、洛杉矶、伦敦、东京、米兰、柏林等世界上的19个主要城市的污染物年平均浓度值对比表

6、明，这四个城市的大气污染，尤其是颗粒污染非常严重，而这四个城市又基本代表了中国不同地域的城市特点，因此研究室内颗粒分布问题对于我国的建筑环境更具有重要意义。另外，室内的人员活动如吸烟、取暖、做饭等，均可能增加室内的颗粒物含量。鉴于颗粒物质对人体健康可能造成不利影响，室内颗粒分布作为影响IAQ的一个重要因素，正日益受到人们的关注[3]。因此，为便于对IAQ进行控制和评测，很多研究者开始关注室内颗粒运动和分布规律。而借助模拟手段，可以快速、低成本地预测室内颗粒污染的水平，从而进行相关的控制，如通风、过滤和

7、净化等；同时，也可对IAQ进行评价。本文将结合实例，就目前常用的室内颗粒运动和分布的模拟方法进行论述。1．集总参数模型2.1基本原理集总参数方法基于室内空气完全混合、颗粒浓度均匀的假设，从颗粒质量平衡的角度出发，建立室内颗粒浓度的方程。对于图1所示的最常见的通风房间而言，可得到如下形式的集总参数模型：(1)其中，a为渗风量对房间体积的换气率(h–1)；n为新风量对房间体积的换气率(h–1)；nr为回风量对房间体积的换气率(h–1)；Afl为地板面积(m2)；Ci为室内颗粒浓度(μg/m3)；Co为室外

8、颗粒浓度(μg/m3)；K为颗粒沉降率(h–1)；Lfl为地板颗粒质量负载(μg/m2)；P为颗粒穿透系数；R为颗粒的二次悬浮率(h–1)；t为时间(h)；V为房间体积(m3)；为室内颗粒发生源强度(μg/s)；为送风过滤效率，为回风过滤效率。图1.通风房间系统示意图2.2应用实例本节给出一个室内主要颗粒源为复印机的办公室作为上述方法的应用实例。基本参数如下表所示：表1基本参数（针对PM10而言）参数取值a0.1Afl15´8mCo100μg/m3K1.