基于空間流動影響因子的室內(nèi)有機(jī)揮發(fā)物優(yōu)化布置

室內(nèi)污染及其“病因?qū)W綜合征”是當(dāng)前世界上最常見的問題，也是中國社會關(guān)注的焦點。目前，中國室內(nèi)污染的主要原因是化學(xué)污染，主要是由于室外材料中有機(jī)污染物的大量分布。這些污染物在空氣中存在，并隨著空氣的運(yùn)動而降低空氣的質(zhì)量，從而損害人們的舒適度、健康和工作效率。室內(nèi)污染的控制可概括為以下三種方式：水源控制、通風(fēng)控制和凈化。要控制污染，我們必須強(qiáng)調(diào)以人為本的理念。如何利用以人為本的理念，優(yōu)化水源控制、通風(fēng)控制和凈化，使其達(dá)到內(nèi)部員工活動的空氣高質(zhì)量，是控制室內(nèi)污染的重要課題。目前,一些研究者對通風(fēng)和氣流組織對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響開展了大量研究.Sandberg等人提出了空氣年齡概念,空氣空間某點的空氣年齡為離開送風(fēng)口到達(dá)該點的空氣微團(tuán)中所有分子所用的平均時間,它的大小被用來表征空氣的新鮮程度和排污能力:某點的空氣年齡越小,說明該點的空氣越新鮮,空氣品質(zhì)越好[1～3].一般認(rèn)為,理想活塞流的房間換氣效果最好,房間的平均空氣年齡τ和房間的名義時間常數(shù)τn間存在以下關(guān)系1):τ=2τn,其中,τn為V(房間體積,m3)/Q(房間通風(fēng)換氣量,m3/s).在實際房間中,換氣效率ε被定義為新鮮空氣置換原有空氣的快慢與活塞通風(fēng)下置換快慢的比例,ε=2ττn,可以看出,在風(fēng)口送新鮮空氣且污染物散發(fā)源均勻布置的前提下,換氣效率表征了整個房間送風(fēng)的有效性:平均空氣年齡小,換氣效率高,送風(fēng)去除污染物的能力就強(qiáng).在活塞流情況下,換氣效率為100%,理想的混合通風(fēng)換氣效率為50%.當(dāng)送風(fēng)來自多個風(fēng)口時為了區(qū)分它們各自的作用,Kato等人于1994年提出了SAV4指標(biāo),它反映了穩(wěn)態(tài)情況下風(fēng)口送風(fēng)對房間任一點空氣品質(zhì)的貢獻(xiàn).Yang等人提出了送風(fēng)可及性和污染可及性指標(biāo),從空間和時間兩個角度描述了送風(fēng)和污染物對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響情況,為潔凈空氣的送入、污染物有效排除等提供了理論指導(dǎo).但上述研究在以下方面存在一些不足:空氣年齡、換氣效率、SAV4指標(biāo)、送風(fēng)可及性和污染可及性等難以對室內(nèi)VOC源、匯和人員活動區(qū)域布置方便地進(jìn)行優(yōu)化,難以揭示流場的一些本質(zhì)特征:不同位置間空氣流動的相互影響和流場對污染的免疫度.此外,我們認(rèn)為,送風(fēng)可及性和污染物可及性從本質(zhì)上是一回事,均反映流場結(jié)構(gòu)和流動次序?qū)λ惋L(fēng)和污染對空間污染物濃度的影響,是只與流場有關(guān)的物理量,可以統(tǒng)一.本文基于實際情況中,室內(nèi)空氣流場影響濃度場而濃度場不影響流場的特點以及流場的本質(zhì)特征——流線空間單向特性,提出了空間流動影響因子概念,用于分析流場的流動次序和結(jié)構(gòu),發(fā)展了室內(nèi)穩(wěn)態(tài)流場情況下利用此概念優(yōu)化流動、VOC源和人員活動區(qū)域布置的方法,具體為:(ⅰ)在給定流動情況下,確定使房間或特定區(qū)域污染物濃度最小的污染源的最優(yōu)布置;(ⅱ)在給定污染源情況下,優(yōu)化氣流組織;(ⅲ)給出評價流場污染危險性或免疫性判據(jù)的方法.通過算例,說明了此方法的應(yīng)用.1氣流場的影響當(dāng)室內(nèi)邊界處或空氣中存在污染源時(室內(nèi)送風(fēng)中存在污染也可當(dāng)做室內(nèi)邊界處的污染),污染物濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后滿足以下濃度方程:其中,v是速度矢量;Si是第i個污染源的污染強(qiáng)度密度(i=1,2,3,…),單位kg·m-3·s-1;Ca和Γa分別是污染物濃度和污染物在空氣中的擴(kuò)散系數(shù),對層流或靜止流體中的擴(kuò)散系數(shù);Γa為污染物在空氣中的層流擴(kuò)散系數(shù)Da,對湍流,Γa為有效擴(kuò)散系數(shù)(即層流擴(kuò)散系數(shù)加湍流擴(kuò)散系數(shù)),其表達(dá)式為其中,μt為湍流黏性系數(shù),σc為與濃度場相關(guān)湍流Plant數(shù).由于室內(nèi)污染物濃度一般不高,其存在對空氣流動的影響可忽略不計.換言之,流場會影響濃度場而濃度場不影響流場.因此,對給定的室內(nèi)空間穩(wěn)定空氣流動,可以看出存在以下關(guān)系:(ⅰ)Ca僅是v、擴(kuò)散系數(shù)Γa和Si的函數(shù),對室內(nèi)空間中常見的湍流流動,有效擴(kuò)散系數(shù)Γa中湍流擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于層流擴(kuò)散系數(shù),因此,可近似認(rèn)為Γa只與流動狀態(tài)有關(guān);(ⅱ)濃度場與Si呈線性關(guān)系,滿足疊加原理,即成立.邊界條件為注意,這里,室內(nèi)和邊界上的污染源假設(shè)為恒流源,這對大多數(shù)建材散發(fā)的有機(jī)揮發(fā)物污染是成立的,參見文獻(xiàn)[7～10]和附錄A.設(shè)空間中污染源的位置為M(x,y,z),所關(guān)心的目標(biāo)位置M(x0,y0,z0),則有顯然,BM0M(x0,y0,z0,x,y,z)是流場、污染物物性、污染源和目標(biāo)位置的函數(shù).對給定的污染物,它僅是流場、污染源和目標(biāo)位置的函數(shù),反映了由于流動,源位置(M)對目標(biāo)位置(M0)的一種影響,為此,我們定義BM0M(x0,y0,z0,x,y,z)為M對M0的空間流動影響因子(spatial-flow-influence-factor,簡稱SFIF,今后用SFIF表示B,SFIF(m,n)表示n點對m點的影響因子).它本質(zhì)上反映的是流場流動結(jié)構(gòu)與次序特征,由流場惟一確定,其物理意義可通過活塞流流場的SFIF分布一目了然.如圖1所示,將活塞流通道劃分為M個子空間時,設(shè)污染源在第i個小格,它對上游沒有影響,即SFIF(i,k)=0(k=1,2,…,i-1),S對下游有影響,即SFIF(k,i)=S/Q(k=i,i+1,…,M),其中,Q為活塞流的流量,單位為m3/s.2空間流動影響因子矩陣對圖1所示的一維活塞流,根據(jù)空間流動影響因子的定義,可得出空間流動影響因子矩陣SFIF為如下的上三角陣:對二維或三維流場,空間流動影響因子矩陣求解較一維復(fù)雜,下面以一般的二維矩形穩(wěn)態(tài)流場為例說明如何求得SFIF.方法對一般二維和三維穩(wěn)態(tài)流場都適用.下面通過算例,說明二維流場SFIF的求解.圖2為一房間,高3m,寬4.5m,左側(cè)上方有一條形送風(fēng)口,左側(cè)下方有一條形回風(fēng)口(開口高度均為0.3m).對計算區(qū)域進(jìn)行空間離散,離散網(wǎng)格數(shù)目應(yīng)保證利用CFD方法計算得到的速度場結(jié)果與網(wǎng)格劃分無關(guān).將網(wǎng)格按某種排序規(guī)則編號,由此,可求出空間流動影響因子矩陣SFIF,具體求解方法見附錄B.為了說明方便,采用10×10網(wǎng)格,編號后共有100個網(wǎng)格(如圖2(a)中網(wǎng)格按從左到右、從下到上編號,即編號k=10(i-1)+j,i=1,2,…,10,j=1,2,…,10).i和j表示原二維空間中的網(wǎng)格編號,用CFD方法求得速度分布,見圖2(b).在實際應(yīng)用中網(wǎng)格劃分應(yīng)足夠細(xì)致,以保證網(wǎng)格數(shù)目對計算結(jié)果的影響可忽略.此例的空間流動影響因子矩陣見表1.空間流動影響因子矩陣有如下特點:(ⅰ)Aij,i’j’所在行元素Aij,11,Aij,12,…,Aij,mn表示(i,j)網(wǎng)格受空間各單元的影響因子;(ⅱ)Aij,i’j’所在列元素A11,i’j’,A12,i’j’,…Amn,i’j’表示(i’,j’)網(wǎng)格對空間各單元的影響因子;(ⅲ)主對角線上元素最大,表明每一網(wǎng)格單元流體流動對自己影響最大;(ⅳ)送風(fēng)口(i=10,j=1)對各點的空間流動影響因子均一樣(本例中為0.3785),表明在穩(wěn)態(tài)流動場,若只有送風(fēng)口有污染源,經(jīng)過足夠長時間,濃度場達(dá)到穩(wěn)態(tài)時,整個空間污染物濃度均勻;(ⅴ)送風(fēng)口受各點的影響最小;(ⅵ)排風(fēng)口(i=1,j=1)受各點的空間流動影響因子均一樣(本例中為0.3785),表明在穩(wěn)態(tài)流動場,無論源的位置如何,只要其強(qiáng)度相同,則穩(wěn)態(tài)時排風(fēng)口的污染物濃度相同.在得到了離散流場空間流動影響因子矩陣后,離散流場的流動結(jié)構(gòu)和次序特征就一目了然了.可以說,空間流動影響因子矩陣是空間流場的“全息”矩陣?yán)迷摼仃嚳闪私饬鲌龅母鞣N信息,如:空氣年齡[1～3]、換氣效率1)、送風(fēng)可及性和污染可及性1)及CPR1,詳見后節(jié).因此,在得到空間流動影響因子矩陣后,可很方便地進(jìn)行室內(nèi)污染源和人員區(qū)布置的優(yōu)化,并為氣流組織的優(yōu)化提供了有力手段.3空間占用密度與空間區(qū)域關(guān)注度的關(guān)系楊建榮文1)引入“空間占用密度”概念,以區(qū)分控制不同空間區(qū)域污染的重要性:在空間中,若某個室內(nèi)人員(用i表征)停留總時間為Ti,而該使用者在空間某區(qū)域zonej處的停留時間為ti(zonej),則此區(qū)域內(nèi)使用者i的占用密度可表達(dá)如下:若對于房間內(nèi)的所有人群定義,房間的占用密度OD可表達(dá)如下:其中,K為房間內(nèi)的總?cè)藬?shù).我們認(rèn)為,空間占用密度是對空間區(qū)別對待的一種很好的方式,但不夠全面譬如,有些區(qū)域,雖然沒有人,但也需要較高的潔凈度,有些區(qū)域,由于人員的情況不同,對空間的潔凈要求也不一樣.如何表示這些因素對空間潔凈要求的影響呢?本文定義了空間關(guān)注度密度函數(shù)R(x,y,z),它反映從空氣品質(zhì)角度對空間中各點的關(guān)注程度,可以是空間連續(xù)分布函數(shù),可以是空間按區(qū)域分段函數(shù),且滿足以下關(guān)系:對空間離散網(wǎng)格或區(qū)域,可采用空間權(quán)重密度函數(shù)的離散形式Ri(x,y,z)(i=12,3,…),Ri(x,y,z)滿足以下關(guān)系:R(x,y,z)或Ri(x,y,z)的具體形式可視具體問題而定.對給定的空間區(qū)域?,對其的空間區(qū)域關(guān)注度可用下式得到:對空間離散網(wǎng)格或區(qū)域,R?可表示如下:4使用示例4.1確定傳統(tǒng)流場特征的評估參數(shù)4.1.1源項恒為密度空氣年齡的控制方程如下:比較方程(1)和(11)可知,當(dāng)濃度控制方程中的源項恒為密度ρ時,它就和空氣齡控制方程完全相同,故有其離散形式為4.1.2空氣動力學(xué)的影響因素用于確定屋頂效率其離散形式為4.1.3穩(wěn)態(tài)流動和濃度場文獻(xiàn)定義了送風(fēng)可及性As,i和污染物可及性Ac,i并導(dǎo)出,對穩(wěn)態(tài)流動和濃度場,室內(nèi)任意點濃度用可及性表示:比較方程(3)和方程(11)可以看出,空間流動影響因子很好地將送風(fēng)可及性As,i和污染物可及性Ac,i統(tǒng)一描述了.4.1.4污染源的釋放文獻(xiàn)引入CPR1概念,以表征空間某一位置M0受某一污染源散發(fā)污染M的份額:其中,qi為位置i處來自某污染源的污染量,Qi為該污染源釋放的污染量.利用空間流動影響因子,以xs,ys,zs表示污染源位置坐標(biāo),CPR1可表示為其離散形式為4.2在給定流量下，確定源和員工走廊的最佳配置當(dāng)空間流場確定后,對應(yīng)的空間流動影響因子也就確定了.藉空間流動影響因子,可方便地確定污染源和人員活動區(qū)的最優(yōu)布置.4.2.1空間流動影響因子室內(nèi)污染源位置給定時,假定污染源位置為M,人員活動區(qū)位置為Mo,則Mo應(yīng)選在使空間流動影響因子SFIF(Mo,M)最小的位置上.若人員活動區(qū)有限制(如人只能呆在地面上的某一特定區(qū)域),則Mo應(yīng)選所在可能區(qū)域內(nèi)使空間流動影響因子SFIF(Mo,M)最小的位置上.仍以圖2顯示的情況為例,假設(shè)地面上(i=1,j=5)點有1污染源,表2為該點對空間各點的空間流動影響因子.從中可以看出,人的位置應(yīng)靠右墻,至少人應(yīng)在污染源右側(cè)(即人盡量在污染源的“上游”).圖3顯示了污染源對房間下半部分(i=1～5)不同區(qū)域(j=1,2,…,10)的平均影響因子,可以看出,人在污染源左側(cè)污染物吸入量是人在污染源右側(cè)時的3倍之多.4.2.2地面污染源的布置仍以圖2顯示的情況為例,假設(shè)地面上(i=5,j=5)點為人呼吸區(qū)域,表3為空間各點對該點的空間流動影響因子.從中可以看出:地面污染源(譬如吸附了大量有機(jī)揮發(fā)物的地毯)應(yīng)盡量布置在地面左側(cè)(即人的“下游”),且盡量遠(yuǎn)離人的呼吸區(qū),布置在地板右側(cè)對人的污染是左側(cè)的20余倍;計算機(jī)、打印機(jī)或家具類污染源也應(yīng)盡量布置在人的左側(cè),且盡量遠(yuǎn)離人的呼吸區(qū),污染源在人右側(cè)對人的影響比其在人左側(cè)時明顯要高.應(yīng)用中,參照此例,根據(jù)人的位置、污染源的功能和性質(zhì),參照空間流動影響因子,可方便地定出人和污染源的最佳位置.4.3加權(quán)空間流動影響因子rsfif對一個給定的流場,可得SFIF矩陣.N個給定污染源(s1,s2,…,sN)的某種放置方式(設(shè)為方式j(luò)),對應(yīng)于空間的一個源分布列向量Sj,相應(yīng)的空間濃度場C可表述如下:考慮空間區(qū)域具有不同空間關(guān)注度時污染源源分布優(yōu)化布置問題的數(shù)學(xué)描述為:已知空間關(guān)注度函數(shù)R或空間區(qū)域關(guān)注度,尋求使R×(SFIF×Sj)取最小值的源分布列向量Sj(元素給定,排列次序可變).即求滿足下式的Sj列向量:min(R×C)=min(R×(SFIF×Sj)),R是一個行向量,表示各點的空間關(guān)注度.數(shù)學(xué)上有以下排序定理:設(shè)2N個非負(fù)實數(shù)a1,a2,…,aN及b1,b2,…,bN滿足a1≤a2≤…≤aN及b1≤b2≤…≤bN,則對1,2,…,N種任一不重復(fù)全排列k1,k2,…,kn,均有R×SFIF=R×[A1,A2,…Aj,…,AN]N是一行向量,S是一列向量.由排序定理可知:使S列向量中元素與R×SFIF中行向量中元素按大小呈逆序排列,則可使R×SFIF×S最小.仍以上述流場為例,說明上述方法的應(yīng)用.假定空間中存在應(yīng)關(guān)注的兩個區(qū)域分別為圖4中A與B區(qū),其空間區(qū)域關(guān)注度分別為RA=3/8和RB=5/8.空間其他網(wǎng)格的關(guān)注度為0.有若干個污染源,如何放置,可使兩區(qū)域以區(qū)域關(guān)注度為權(quán)的污染物濃度最小?即使C=RACA+RBCB取最小值.采用上述方法,將空間關(guān)注度向量與SFIF矩陣相乘后,得到的加權(quán)空間流動影響因子矩陣,由于矩陣為100×100,用表格形式難以表述,故用圖5表示.可以看出,排放口處的加權(quán)空間流動影響因子最小,因此污染源放置于出口附近最優(yōu).放置于A區(qū)附近稍優(yōu)于放置B區(qū)附近.如果污染源僅存在于y=0.8m平面上(即i=3)時,污染源放置在該平面各點(j=1,2,…,10)的加權(quán)空間流動影響因子如圖6所示.可以看出,在此高度處,源放置在最左側(cè)最好.因此,在空間關(guān)注程度確定時,利用SFIF矩陣可以迅速求解出加權(quán)空間流動影響因子矩陣,從而確定源的最優(yōu)分布:源應(yīng)按其強(qiáng)度從大到小的順序放置在加權(quán)空間流動影響因子從小到大排列的區(qū)域上.4.4不同工況下a和b點對c點的影響仍以前述空間為例,分別用CFD軟件PHOENICS模擬3種工況:等溫送風(fēng)方式為上送同側(cè)下回、上送異側(cè)上回和上送異側(cè)下回,流場和計算出的SFIF矩陣如圖7～9.如圖10,假定污染源位于A(2,6)和B(9,6)處,人呼吸區(qū)在C(6,6)處,3種工況下A和B點對C點的影響因子分別為:上送同側(cè)下回:SFIF(C,A)=2.172SFIF(C,B)=1.917;上送異側(cè)上回:SFIF(C,A)=5.332,SFIF(C,B)=8.225;上送異側(cè)下回:SFIF(C,A)=4.837,SFIF(C,B)=3.471.可見,上送同側(cè)下回的送風(fēng)方式最理想,上送異側(cè)上回最差.源位于A時,3種送風(fēng)方式下源對人員呼吸區(qū)的影響因子差別較小.源位于B時,3種送風(fēng)方式差別明顯.利用SFIF矩陣可方便地在源、人位置關(guān)系基本確定時優(yōu)選送風(fēng)方式.4.5流場的流場影響在一些恐怖活動中,有毒化學(xué)物質(zhì)往往從一些特殊位置(如新風(fēng)口)放入,如何評價流場對不同位置的污染造成的污染危險性和免疫性是值得關(guān)注的問題利用空間流動影響因子對此可做出評價.5結(jié)論:目的材料的散發(fā)本文提出的空間流動影響因子概念,深化了對流場結(jié)構(gòu)和流動次序的認(rèn)識為室內(nèi)污染控制提供了新概念、新角度和新方法.藉此概念,在送風(fēng)方式一定的情況下,可方便地對室內(nèi)優(yōu)化有機(jī)揮發(fā)物(VOC)源和人員活動區(qū)域布置進(jìn)行優(yōu)化;在給定污染源和目標(biāo)位置的情況下,利用空間流動影響因子可方便確定使房間或特定區(qū)域污染物濃度最小的氣流組織形式(空調(diào)送風(fēng)形式).空間流動影響因子本身提供了流場污染危險性或免疫性的評價指標(biāo).該方法可進(jìn)一步發(fā)展,如:考慮污染匯的分布與優(yōu)化,發(fā)展基于該方法地區(qū)域或網(wǎng)絡(luò)模型,拓寬到穩(wěn)態(tài)流場非穩(wěn)態(tài)濃度場,并在實際室內(nèi)空氣污染控制中發(fā)揮作用.這是近期值得研究的問題,我們希望感興趣的研究者能致力于上述問題的研究,當(dāng)然,我們自己也將繼續(xù)努力.一般室內(nèi)的建材中VOCs散發(fā)可視為一維單面散發(fā),基于傳質(zhì)理論的單層材料散發(fā)的物理模型如下所示:式中,Cm為材料內(nèi)有機(jī)揮發(fā)物的濃度,單位k