自然通风对学生宿舍室内苯污染影响的数值模拟*

周健 王新伟 覃道枞 陈小开

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

人们的日常生活在室内度过的时间一般占到80%以上，室内空气品质与人们的健康状况息息相关[1]。室内空气苯污染不但影响人的眼睛、呼吸道及皮肤等器官，同时还会与臭氧反应生成二次气溶胶，造成更大的健康危害[2]。大量研究表明，苯污染可导致病态建筑综合症(SBS)、白血病、多发性骨髓瘤、细胞遗传损伤，还具有一定的致癌性[3-8]。室内空气苯污染主要来自建筑装饰装修材料、涂料、油漆与胶黏剂的挥发。当室内通风不畅时，会导致苯污染浓度的增加[9-10]。如何改善室内通风效果，降低室内空气苯污染浓度，对于减少对人体健康的危害具有重大意义。学生寝室是高校学生学习和生活的主要场所，寝室空气污染影响学生的睡眠与学习效率，危害学生的身体健康。因此，研究高校宿舍建筑室内空气品质，优化学生寝室自然通风，控制室内苯污染不可忽视。

本文以高校学生寝室作为研究对象，通过计算流体力学(CFD)模拟不同自然通风对学生寝室室内空气苯污染的影响，明确室内空气苯浓度分布、室内风速矢量分布以及室内空气龄分布，为改善学生宿舍建筑室内空气品质、保护学生身体健康提供参考。

1 材料和方法

研究对象为昆明市某高校带独立卫生间的学生寝室，正东方向，位于四楼，海拔1 960 m；该寝室处于建筑楼层中间位置，仅外窗所在墙面为外墙(四周均有宿舍楼遮挡)，寝室门所在墙面为过道。采用的数值模拟软件为ANSYS 2020 R2：分别由SpaceClaim 2020 R2建模、Fluent 2020 R2 Meshing划分模型网格及Fluent 2020 R2 Solution求解；后处理中的图片及数据处理为Tecplot 360 EX 2015 R1和Origin 2018 64Bit。

1.1 数学模型

寝室空气污染物的扩散为湍流扩散，本文室内空气流速较低，可视为不可压缩流体，流动为湍流流动，因此采用标准k-ε模型求解室内苯的扩散规律。描述室内空气流动、传热与污染物扩散传质现象的微分方程包含连续方程、动量方程、能量方程、气体组分方程等，可统一写成以下标准形式[11]：

式中，cs为微分方程的因变量，取1时代表连续方程，取ui、T、k、ε、m时分别对应于速度、温度、湍流动能、湍动耗散率、气体组分方程；Ds为扩散系数；Ss为广义源项。

1.2 物理模型

物理模型建筑面积约32 m2，在保证一定精度的情况下，对寝室房间模型作相应简化，如图1所示。

图1 建筑几何模型

该房间模型有2个进风口和2个出风口，分别是卫生间窗、外窗、门和门头窗，几何模型尺寸如表1所示。室内空气污染物散发源定义为书桌桌面、床面和柜子。

表1 房间及室内设施尺寸 单位：m

1.3 网格划分及无关性验证

采用非结构网格划分模型网格，对进风口、出风口与污染物散发源处的网格进行适当加密，以保证更好的计算精度。寝室模拟的网格信息如表2所示，选取127万、190万、370万3种不同数量的网格进行计算，选取点(7.8,2,1.2)与点(0,2,1.2)之间的线段，比较3种不同数量的网格在该线段上的苯浓度差异，其中190万与370万这两种网格的计算结果误差较小，相对误差在5%以内，可认为190万的网格数量已经满足网格无关性验证要求，考虑到190万的网格数量对计算资源占用较少，故选取190万网格作为计算网格，如图2所示。模拟对象选取计算域的网格总个数为1 900 975个，所有网格扭曲度均小于0.90，该模型中所划分网格的最大扭曲度为0.575 5，网格质量较好，可作为本次模拟的计算网格。

表2 寝室模拟的网格信息

图2 建筑网格划分示意

1.4 边界条件

依据昆明的气候条件，夏季房间内初始压力为80 820 Pa，室内与室外温度分别为297、300 K。外窗和卫生间窗设置速度入口(velocity-inlet)，当房间处于自然通风时，自然通风平均风速为0.4 m/s，室外空气沿X方向由室外进入室内，且不含其他污染物。门和门头窗为出风口，出风口设为自由流出口(outflow)。室内柜子、书桌面和床面为苯的散发源，边界条件为质量入口(mass-flow-inlet)。苯气体在污染源表面为匀速释放，释放强度为7.2×10-11kg/m3[12]，初始时刻室内污染物苯的质量浓度为0 mg/m3。常温常压下，苯的相对密度为0.879 4，沸点为80.1 ℃，极易挥发，材料与空气中苯的扩散系数分别为Dm=1.73×10-10m2/s与Da=9.67×10-6m2/s[13]。本文中室内空气为低速流动且为不可压缩流体，符合Boussinesq假设，计算域的固体壁面边界为无滑移速度边界，四周壁面都不散发污染物，且散发过程中不存在化学反应，屋顶和墙壁作为绝热壁面处理。为分析不同自然通风方式对室内空气苯的影响，设置了4种不同模拟工况，如表3所示。

表3 模拟工况参数

2 结果与讨论

2.1 室内苯浓度分布

通过CFD数值模拟，在房间密闭时间达到6 h后，得到工况一的模拟结果。随后基于工况一的模拟结果对房间进行开窗通风，通过改变房间的进出风口，分别将密闭房间通风若干分钟后，得到了通风工况下的模拟结果。学生寝室4个主要活动截面的室内空气苯浓度分布如图3所示，结果表明：苯浓度从地板到屋顶呈现递减趋势，靠近地面的污染源附近苯污染堆积严重。由于苯比空气密度大，所以当苯从污染源不断散发出来后逐渐下沉，导致靠近地面的苯浓度较高。通过图3的4种工况对比，自然通风工况下室内空气苯浓度均低于密闭状态；工况一和工况四污染源附近苯浓度明显高于其他两个工况，这是由于工况一为密闭工况，工况四仅开启门头窗，导致室内气流组织不畅，污染源散发的苯污染不能及时排出，堆积越来越严重。对于室内整体空间内苯的平均浓度而言，虽然工况四在进风口部分比工况三要好，但是在呼吸高度平面内，工况四的苯浓度要高于工况三，且堆积严重，仅次于工况一。因此，自然通风工况下的工况二和工况三要优于其他两个工况，这主要得益于工况二和工况三的出风口均为开启状态，室外的洁净空气进入室内后，能带走更多室内污染物，对降低室内苯浓度比较有利。

(a)工况一

人体坐立高度一般为1.2 m，分析自然通风对呼吸区高度(Z=1.2 m)的苯浓度分布影响，如图4所示。

(a)工况一

工况一处于密闭状态，导致呼吸区平面大部分区域苯污染浓度高于《民用建筑工程室内环境污染控制标准》(GB 50325—2020)中Ⅱ类民用建筑室内空气苯的质量浓度限值0.09 mg/m3，主要工作区苯的质量浓度均大于0.1 mg/m3。工况二、工况三和工况四为自然通风状态，随着室外洁净空气的进入，室内空气苯污染不断被稀释。在自然通风的3个工况下，呼吸区平面苯浓度均明显低于工况一，且工况二下苯污染去除效果较为明显，由于工况二进风口和出风口全部开启，室内自然通风良好，除一些通风死角外，室内空气苯浓度均低于国家标准限值。

为减少室内空气苯污染对学生的健康风险，选取了学生坐在寝室书桌旁的4个位置进行苯浓度对比分析，即A(5.5,1.5,1.2)、B(3.5,1.5,1.2)、C(3.5,2.5,1.2)和D(5.5,2.5,1.2)4个点，如图5所示。结果表明：工况一的4个监测点的苯浓度均超过了国家标准限值，平均质量浓度为0.125 0 mg/m3；工况四仅开启门头窗，4个监测点的平均质量浓度为0.105 9 mg/m3，仅C点浓度低于国家标准限值，其他3个监测点均为超标状态；工况二和工况三室内空气苯污染的通风净化效果均优于工况一和工况四，是由于这两个工况的门和门头窗为开启状态，有利于排出苯污染，导致苯的平均质量浓度分别为0.081 2、0.085 3 mg/m3，低于国家标准限值。

图5 4种工况监测点的苯浓度

通过CFD数值模拟发现，自然通风能有效降低学生宿舍室内空气苯污染浓度，降低苯污染对学生带来的健康风险。当学生寝室处于密闭状态时，室内气流稳定，室内局部空间的苯浓度差会引起室内空气微弱自然对流，污染物由柜子、桌面及床面等污染源逐渐向宿舍房间内自然扩散。对于处于自然通风的学生寝室，在开窗开门通风后，污染物逐渐扩散至室外和污染源附近的房间角落，污染物浓度在污染源附近的房间角落明显高于其他地方，在进风口和出风口附近污染物的浓度相对较低。

2.2 室内气流速度矢量分布

在自然通风工况下，进风口与出风口的位置和大小对室内气流组织产生一定程度的影响，良好的气流组织能及时有效排出室内污染物。空气流场在学生寝室墙角和障碍物周围形成了小尺度的涡流，气体阻力增加，影响了苯污染扩散，造成苯污染在室内墙角和障碍物周围浓度高，如图6所示。工况二的进风口和出风口均为开启状态，有足够的室外空气进入房间，出风口的气流速度依然很大，有利于排出室内污染物；工况三仅有外窗为进风口，进入房间的室外空气相对较少，出风口气流速度已经很小，不利于室内污染物的排出；工况四寝室门为关闭状态，仅有门头窗作为出风口，导致室内空气流通受限，室内气流有明显的回流，出风口的气流速度很小，室内污染物排出困难，这也是图5工况四中3个监测点的苯浓度均超出国家标准限值的原因。因此，进风口和出风口均对室内空气污染物的稀释起着关键作用，只有在良好的通风条件下，室内空气污染物才能及时有效排出。

(a)工况二

2.3 室内空气龄分布

空气龄是衡量室内空气新鲜程度的指标[14]，其值越小，代表该处的空气越新鲜。把空气龄和室内污染物浓度的分布结合起来分析，可以更好地评价室内的空气污染状况。各工况下的空气龄在进风口处均为室内最小状态，室外洁净空气进入室内后，空气龄逐渐变大，如图7所示。3个工况下的室内空气龄在一些角落处和主流区域内明显高于其附近，是由于这部分区域在室内空气流场中形成了涡流，导致这部分区域气流组织较差，空气龄明显升高。由于进风口和出风口的差异，工况二的空气龄优于工况三和工况四；特别是工况三，由于卫生间窗处于关闭状态，该区域内最大空气龄达到780 s，超过了工况二中最大空气龄的2倍。

经过Tecplot后处理分析发现，工况二、工况三与工况四的室内平均空气龄分别为149.14、403.10、216.11 s，呼吸区高度平均空气龄依次为160.92、362.96、191.92 s，很显然工况三的空气龄已经远超过其他2个工况。在同样进风口的条件下，工况四的空气龄高于工况二。结果表明，出风口的大小对室内空气龄也会产生一定的影响，较小的出风口面积阻碍室内空气流通，降低了室内空气的新鲜程度，同时也不利于室内污染物的排出。

(a)工况二

不同通风工况对室内监测点的空气龄影响如图8所示。A点空气龄在3个工况下均较小，在靠近进风口的B点和C点空气龄状态不是很理想，靠近出风口的D点空气龄在3个工况下均最大。因为室外空气进入房间后，部分气流被室内两堵内墙阻碍，B点和C点空气流速降低，空气龄增大；D点所在的一侧存在气流流通死角，室外洁净空气难以到达，导致该点空气龄较大；A点在自然对流流场附近，且位置比较靠近出风口，因此该点的空气龄相对较小。通过对比各工况下的空气龄模拟结果发现，进风口面积对室内空气龄有很大的影响，提高进风口面积能有效改善室内空气的新鲜程度，也有利于室内空气污染物的排出。室内流场的涡流处空气龄较大，此处的苯污染浓度相对较高，而在自然通风工况下，当自然通风的风速比较小时，室内空气流场没有形成过多的涡流，室内污染物可以经过较短的路径被排出，有利于改善室内空气的洁净度。

图8 自然通风工况下4个监测点的空气龄对比

2.4 讨论

通过模拟结果对比分析可得，在4个模拟工况中，工况二的室内污染物排出效果最好，工况三和工况四次之，但工况三优于工况四，工况一较差。在工况二中，由于开启了所有进风口和出风口，室内气流组织较好，当室外洁净空气进入房间后，能及时排出污染源散发的苯；对于工况三和工况四，由于进出风口的不同，导致室内污染物分布存在差异，但总体上工况三比工况四要好，这是因为工况三的出风口为全开状态，有助于室内污染物的及时排出；对于工况一而言，由于室内处于密闭状态，室内气流组织不畅，污染源散发的苯不能及时排出，使室内污染物堆积严重。因此，对于生活在高校宿舍的学生而言，平时要多注意宿舍的开窗通风，特别是在宿舍密闭一段时间后，需同时开启宿舍门窗进行通风，通过室外洁净空气带走大部分的室内污染物。在条件允许的情况下，应该同时开启宿舍门与外窗；在门窗不便同时开启时，应该优先开启宿舍门以及门头窗，这样可以更快排出室内污染物。此外，平时需要多打开外窗，有利于降低室内空气龄，以此提高室内空气的新鲜程度，从而改善室内空气品质。

3 结论

本文通过CFD数值模拟软件，研究了不同自然通风对学生宿舍室内空气苯污染的影响，对比了4种工况的室内苯浓度、气流速度矢量与空气龄分布，得出以下结论：

(1)对比密闭状态下学生宿舍苯浓度分布，自然通风对室内苯污染的排出效果明显，在通风状态良好的情况下，净化效率可达到50%以上。

(2)相较于进风口，出风口的位置与大小对学生宿舍室内空气苯污染浓度分布的影响更大，增大出风口的面积，有利于降低室内空气苯污染浓度。

(3)在自然通风时，尽可能同时开启进风口与出风口，使进风口与出风口之间形成良好的气流组织，尽量避免室内流场中涡流的产生，可以更有效地去除室内空气苯污染。

(4)进风口对于室内空气龄的影响比较明显，当进风口面积较大时，室内空气龄相对较小，增大进风口面积能有效提高室内空气的新鲜程度，同时有利于室内苯污染的稀释与排出。