用于降低SVOC浓度的室内通风优化策略胡康

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1、传热传质学编号：143381中国丁•程热物理学会学术会议论文用于降低SVOC浓度的室内通风优化策略胡康，陈群清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部匝点实验室，北京，100084（Tel:010-62781610E-mail:chenqun@tsinghua.edu.cn）摘要：室内半挥发性冇机物（SVOC）是引发肺癌、哮喘等疾病的主要因素Z—，严重影响人类健康。本文基于IIU等人建立的SVOC在含尘空间中的传质模型，利用拉格朗日乘数法和变分原理，提出了一利I用于降低SVOC浓度的室内通风优化方案：在连续方程

2、、气和SVOC、颗粒相SVOC.颗粒物数密度方程等约束条件下，取室内SVOC总浓度平均值的条件极值。利川该方案，本文就一个简单室内坏境进行了通风优化，使其内DEHP总浓度山未优化时的6.57pg/n?降至优化后的2.75p0nA关键词：半挥发性有机物（SVOC）；颗粒物；传质;通风优化;变分0前言室内半挥发性有机物（SVOC,女IIDEHP、Pyrene）是引发肺癌、哮喘等疾病的主耍因索之一，严重影响人类健康⑴。50年来，各类复合化学材料及其制品（如含有增塑剂的PVC塑料制品、含有阻燃剂的各类家具建材等）在室内

3、环境中被越来越广泛的使用，其中含有大量SVOC,而人群的哮喘病发病率持续上升与此有紧密联系⑵。对于室内SVOC污染，人们从20年前才开始认识到其危害⑶，随着测量手段的进步,研究者们逐渐对具传递机理展开研究，建立了其传质模型⑷。在此前的研究中，人们发现颗粒物的存在会对室内SVOC的污染情况产生较大影响：室内悬浮颗粒物对SVOC具有较强的吸附性（被吸附前的SVOC称为气和SVOC；被吸附的SVOC称为颗粒相SVOC）,其存在会使室内的SVOC总量将明显上升。值得指出，微小颗粒物（PM2.5）会携带颗粒相SVOC通过

4、人体的肺部进入血液，对人的健康造成更严重危害。对于降低室内SVOC浓度，改善室内空气质量，目前还缺乏优化理论的指导。木文将基于Hu等人⑷建立的SVOC在含尘空间中的传质模型，利用拉格朗LI乘数法和变分原理，提出一种可行的室内通风优化方案，并进行初步应用。1优化模型的建立在建筑设计中，存在一类优化问题：在给定的室内空间中进行通风优化设计，通过改变送风方式，改造室内流场，达到降低室内污染物浓度的H的。该问题町模型化为对空间屮附加力场的设计问题，这里附加力场即代表导流设备的作用。于是，室内空气流场的动量方程为（考虑湍

5、流、稳态问题）：pUVU=-VP+V•（//t#VC/）+F（1）基金项H：国家自然科学基金（资助号：51136002）式中U是空气运动速度向量，"是空气密度，戶是压力，“/是空气的冇效动力粘度，F是待设计的附加力场。此外，空气的流动还必须满足连续方程(考虑室内空气不可压)：V-U=O(2)另一方而，在室内SVOC传质问题屮，空间内的各个纟F1分还需满足气札ISVOC浓度方程叫SVCg"・(％VCj—町g—長］(3)P/颗粒相SVOC浓度方程：(c)U7C产川C»hApNpC厂说(4)P7以及颗粒物数密度应

6、方程：式中Cg是气相SVOC浓度，q是颗粒$11SVOC浓度，饰是颗粒物数密度，Dg旬、Dp.研分别是气相SVOC有效扩散系数、颗粒物有效布朗扩散系数，力是SVOC在颗粒物表面的对流传质系数，外和％分别是颗粒物的表而积和体积，K是SVOC浓度在颗粒物内外的平衡系数。另一方面，在室内加设导流设备的成木口J7IJ全场总粘性耗散进行衡量，当给定成本时，其为定值，表示为：=const式中□〃讪是粘性耗散率,表达式为:Korn=(du1^72/-v2)+2史+23vdwdz(dudv+1&dx)dudwY1dzdx丿

7、2'dvdw+1(dzdyy(7)式中x,y,z是直角坐标系中的坐标分量，",v,w是三个速度分量。在优化问题中，优化目标是室内SVOC的平均总浓度达到最低，其表达式为:式中Q代表整个室内求解域，乙讪为房间容积。一般來说，定,于是该通风优化问题被转化为了一个体积分量(式(8)右边分数线上的部分)取极值的问题，因此可直接应用拉格朗日乘子法和变分原理，即：在式（2）46）的约束下，求上述积分量的条件极值。首先构造泛函：（Cg+C；）+g+人VP+入V-（P^VCj-£/.VCg-/^NpCg-啓）F丿式屮人括号内

8、的第1项为日标函数，第2〜6项为约朿条件，心九均为拉格朗LI乘子，其中久0为待定常数，小~九为待定场。将式（9）对C/取变分为零，冇（考虑牛顿流体木构关系，引入压力P）：-2入V•（轴切）-V&-入VC&-洋Cp卄-入VA；=0（10）几（2入P+人）5"・dS=0（11）式中「代表求解域边界；同理，将式⑼对"Q取变分为零，有：-〃•陀".（％訂入）+［1-（心一入）阿的］（⑵止［卜2