自然通风下室内甲醛浓度数值模拟与试验研究

夏侯炳　申君　姜娅

摘 要：采用湍流模型结合组份传输模型，模拟某办公室在自然通风条件下的室内甲醛浓度数值，通过对比分析监测点的实测值与仿真值，并用配对样本T检验方法验证仿真模型的正确性。另通过正交试验的方法，对办公室的结构进行了优化设计，结果表明，调整窗口、门口、办公桌位置，可进一步将办公室甲醛浓度降低40%。文章通过CFD数模拟计算方法研究室内甲醛浓度变化规律对进一步研究有效的技术措施降低室内甲醛浓度提供参考。

关键词：数值模拟；自然通风；甲醛浓度；试验研究

中图分类号：X503 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）04-0045-02

Abstract： By using turbulence model and component transport model， the indoor formaldehyde concentration in an office under natural ventilation is simulated， and the measured and simulated values at the monitoring point are compared and analyzed. The validity of the simulation model is verified by paired sample T-test. In addition， the structure of the office was optimized by orthogonal test. The results showed that the formaldehyde concentration of the office could be further reduced by 40% by adjusting the position of the window， the door and the desk. The paper studies the indoor formaldehyde concentration change rule through the CFD number simulation computation method. It provides the reference for further research effective technical measure to reduce the indoor formaldehyde concentration.

Keywords： numerical simulation； natural ventilation； formaldehyde concentration； experimental study

1 概述

劣質的家具等造成的室内空气污染严重威胁职工的身体健康，根据《民用建筑工程室内环境污染控制规范》（GB50325-2010）规定，办公室等Ⅱ类民用建筑工程甲醛浓度应小于等于0.1mg/m3。但经调查发现，办公室甲醛浓度常高于上述标准。宫菁、刘敏等研究指出室内空气甲醛污染将严重危害人体健康甚至致癌[1]。因此对如何有效降低室内甲醛浓度进行研究显得尤为重要。

目前，在自然风条件下对室内的甲醛浓度的CFD模拟分析及试验验证方面的研究相对较少[2-3]，所选取研究案也各不相同。本文主要利用数值模拟的方法，通过k-ε模型方程结合组分传输模型的CFD方法实现计算区域的数值模拟。在建立办公室内景三维模型的基础上，仿真分析办公家具甲醛浓度的分布规律，并通过试验测定评价模型的可信性。在可信模型的基础上，通过正交试验的方法，为进一步研究如何提高办公室内空气质量提供一种便捷有效的仿真方法。

2 物理、数学模型及边界条件

2.1 物理模型

以某办公室作为研究对象，办公室的尺寸为5.8*3.4*2.7m。污染源为新购置的办公家具：办公台1.6*0.7*0.8m、书柜1.8*0.4*2m、茶几0.8*0.4*0.8m。另外门2.1*0.95m，窗1.3*0.9m。

按办公室及家具的实际尺寸建立三维网格模型如图1所示。将不规则的区域划分为几个规则区域并分别划分结构性网格。

2.2 数学模型

在进行数值模拟计算中，进行了如下假设：（1）室内的污染物只有甲醛，无其他污染物；（2）室内空气流速较低，可以视为不可压缩流体；（3）家具的材料组成均匀，甲醛按恒定的速率释放挥发；（4）室内空气及甲醛的物理性质为定值，且不发生化学反应。（5）室外新风不含污染物。根据经验及前期进行的预试验，结合实际情况，采用标准稳态的k-ε模型湍流模型及组份传输模型，启动能量方程，考虑重力加速度的影响，压力速度耦合问题采用SIMPLE算法。

3 CFD模型的验证试验

本次试验的目的在于精准测量办公室内甲醛的实际浓度，与数值模拟值进行对比，从而验证计算模型的正确性，为接下来进一步优化办公室的结构设计提供参考。本次测量甲醛所使用的仪器为阿格瑞斯WP6300甲醛检测仪，检测范围为0.000-1.999mg/m3，适用环境温度为：-10℃-45℃。风速仪为德图testo425风速计热敏式风速仪，量程为0m-20m/s，分辨率为0.01m/s，适用环境温度为：-20℃-50℃。

先初步设定办公家具的甲醛释放时的质量流量mass flow rate为7.2e-11kg/s，甲醛组分参数species mole fractions为1.57618e-07，经仿真计算距地面1.6m高度（约为人体活动时呼吸的面高度）的平面参考点的甲醛平均浓度为0.192mg/m3，而经实测，该参考点的甲醛的平均浓度值为0.113mg/m3，假定甲醛按恒定的速率挥发，则speciesmolefractions按比例应设为：1.09712e-07。经仿真计算，距地面1.6m高度平面甲醛浓度分布情况如图2所示（单位为kmol/m3），图2中均匀分布的点1至点12为甲醛浓度监测点，通过对比监测点5次实测均值与仿真计算均值从而确定仿真计算结果是否符合实际的分布。

图3为监测点实测均值与仿真均值对比曲线图，由图3可以看出，虽然点9、点12的甲醛实测值相对误差较大，但其在所观察平面的浓度分布变化規律与仿真值是一致的。用配对样本T检验法来验证实测数据是否与仿真数据有差异。利用SPSS统计软件计算得配对检验结果T=0.502，显著值0.625>0.05，表明实测均值、仿真均值两个数据样本无显著差异，即仿真均值是可信的。

4 办公室结构正交优化设计

为进一步提高办公室的通风对流效果，更有效地降低室内甲醛浓度，利用数值模拟及正交试验的方法，对办公室的结构进行了优化设计，根据前期单因素试验的结果，选择窗口的位置A、门口的位置B、办公桌位置C 3个因素，参照原办公室的结构尺寸及家具大小，设置了3个水平，进行正交试验，选取3因素3水平正交试验表L9（34），如表1所示。取窗口进风速度0.5m/s进行仿真计算，正交设计下的数值试验结果如表2所示。正交试验结果的统计分析如表3所示。表3中第1行数据？撞X1为因素A、B、C在第1水平下的3个甲醛浓度之和；同理得？撞X2～？撞X3；规定RD为极差。

由正交试验的结果可知：影响办公室1.6m站立呼吸面的甲醛浓度均值的因素大小顺序依次为窗口的位置A、办公桌位置C、门口的位置B。若寻求甲醛浓度均值最小，可选A2B3C3的因素水平组合；经仿真计算，A2B3C3的因素水平组合下，1.6m站立呼吸面的甲醛浓度均值D为0.027mg/m3，比优化前A1B1C1的因素水平组合下的D值0.045mg/m3降低40%。

5 结论与展望

（1）通过配对样本T检验验证了所观察平面甲醛浓度的实测值与仿真值两个数据样本无显著差异，即仿真值是可信的，说明采用k-ε模型方程结合组分传输模型的CFD方法能比较有效真实地还原室内甲醛的浓度分布。（2）数值模拟及正交试验的方法，对办公室结构及办公家具的位置进行了优化设计，优化后可将呼吸高度（1.6m高）所在平面的甲醛浓度降低40%（优化前后窗口进风速度均为0.5m/s），有效地提高办公室的空气质量。（3）通过数值模拟与试验的方法，能快速有效地预测室内的甲醛浓度，能为合理布置办公家具的位置，优化办公室门与窗的位置，为实现优化通风方面的建筑设计提供有益的参考。

参考文献：

[1]宫菁，刘敏.甲醛污染对人体健康影响及控制[J].环境与健康杂志，2001，18（6）：414-415.

[2]刘玉峰，徐永清.房间气流组织对污染物空间分布的影响[J].山东科技大学学报（自然科学版），2004，23（2）：104-107.

[3]孙丽颖，李岩.空调房间内污染物分布特性的模拟研究[J].流体机械，2010，38（3）：76-80.