建筑物室内污染控制模型的建立和应用（一）IAQ模型的建立

1 引言
　　
　　室内空气品质近年来得到人们广泛关注。室内空气品质是用来指室内空气的一种特征参数，要求能满足人体的热舒适、与呼吸有关的气体如二氧化碳和氧气的正常浓度及可接受的室内污染物浓度^[1]。室内空气污染分为有机污染如甲醛、挥发性有机物及无机污染如可吸入颗粒物、氮氧化物等^[2]。文献^[3，4，5]分别给出几种用于分析室内污染的模型，但这些模型过于简单，有的只能用来分析有机物，有的只能分析无机物，且都只能在最简单情况下应用。本文旨在建立一个通用的室内空气品质模型，能够分析各种发种情况下室内空气的污染状况。
　　
2 模型的建立
　　
　　一个房间可以分为工作区和非工作区，两个区的污染状况不同。房间内污染源可以分为两部分：一部分为与浓度无关的恒定发源如人呼吸产生的二氧化碳，只与房间内的人数有关，另一部分为非恒定源如房间内装修材料毯子等散发的挥发性有机物与房间内浓度有关。房间内也可能含有污染的汇即对污染先吸收以后房间浓度低时再释放。工作区和非工作区还可放置净化
器。
　　对无机污染和有机污染假定工作区和非工作区内浓度均匀。无机污染为恒定污染源，即与房间内散发源与浓度无关。有机污染为恒定污染源与非恒定污染源并存。对非恒定污染源如材料散发挥发性有机物作如下假定；
　　（1） 材料内组成均匀，挥发性有机物初始浓度相同。
　　（2）材料扩散系数与浓度无关。
　　（3） 忽略温度差、电场或磁场等导致的分子扩散。
　　（4） 对于空气层与固体界面，挥发性有机物传递过程始终处于平衡状态^[6]。
　　（5）房间有多个材料散发多种VOC时，认为各种VOC不互相化学反应或影响。
　　（6）对于象毯子这样的厚材料，认为VOC的散发或吸收在材料内部的传递动力是浓度差，且为一唯扩散传质^[7，8，9]。
　　（7）对于象窗帘这样的薄材料，认为VOC或无机污染物的散发或吸收在表面发生，且遵循朗格缪尔方程^[10，11]。
　　（8） 材料与围护结构接触的一面没有质量传递，与室内空气之间为对流传传质。
　　（9）材料内挥发性有机物散发过程中，不存在化学反应。
　　（10）房间工作区及非工作区中空气中污染物浓度均匀。
　　
　　2．1 质量守恒方程的建立
　　对某一区域有如下质量守恒方程
　　 　　　　　 （1）
　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 （2）
　　式中：V----表示区域有效体积
　　　C----表示区域浓度；
　　　h_m----表示厚材料m表面片的对流传质系数；
　　　A_sm----表示厚材料m的表面积；
　　　C_fm----表示厚材料m与空气界在处的空气浓度；
　　　A_sn----表示薄材料n的吸附面积；
　　　K_an----表示薄材料n对污染的当量传质系数；
　　　C_sn----表示薄材料n的表面浓度；
　　　Q_i----第I股气流的风量；
　　　C_ai----进入该区域的第I股气流的浓度；
　　　C₀----表示该区域的初始浓度；
　　　S_pl----表示第l个恒定污染源的产生量。
　　
　　2.2 C_ai的几种形式
　　方程（1）中与Q_i相对应的C_ai有以下几种形式：
　　（1）自相邻区域流入，则有下式成立：

　　　　　　C_ai= C_aj 　　　　　　　　　　　（3）

　　式中：C_ai----表示相邻区域的浓度。
　　（2）经过风道时入此区域，当气流进入风道的浓度为C_ao时，则有下式成立：

　　　　　　　C_ai=EC_a0 　　　　　　　　　　　　（4）
　　
　　式中： E----为第i路气流风道的沉降率。
　　
　　（3）通过窗户等孔隙直接进入该区域，则有下式成立：

　　　　　　　C_ai= C_a 　　　　　　　　　　（5）

　　式中：C_a----表示室外污染物浓度
　　（4）浓度为的C_a1空气经过净化装置，则有下式成立：

　　　　　　　C_ai= C_a1P_i 　　　　　　　　　　　（6）

　　式中：P_i----表示第i股气流净化装置的空透率。
　　（5）当回风经过回风道，再经过净化装置后，与新风混合，通过送风道送入该区域，则有下式成立：
　　　　　　　 　　　　 （7）
　　式中：r----表示回风比；
　　　E_hi----第I股气流回风道的沉降率；
　　　P_hi----表示第i股气流回风道上净化装置的穿透率；
　　　E_si----第I股气流送风道的沉降率。
　　
　　2．3 非恒定污染源方程
　　由模型假设可知：
　　厚材料m内的浓度方程如下：
　　　　　　　 　　　　　　　　 （8）
　　方程（8）的初始条件为：

　　　　　　　C_m= C_m0 　　　　　　　　　　　　　（9）
　　方程（8）的边界条件为： 　　　　　　　 （10）
　　　　　　　x_m=L_m时 　　　　　 （11）
　　　　　　　x_m=L_m C_m=K_vmC_fm 　　　　　　　　　　　（12）

　　薄材料（或表面材料）n表面由于吸附及解吸附而引起的浓度变化方程如下：
　　　　　　 　　　　　　　　（13）
　　方程（13）的初始条件为：

　　　　　　　C_sn= C_sn0 　　　　　　　　　　　　（14）

　　式中：C_m----表示厚材料m中的浓度；
　　　D_m----表示厚材料m的扩散系数；
　　 ----表示时间；
　　　x_m----表示厚材料m的扩散方向线性尺寸；
　　　L_m----表示厚材料m的厚度；
　　　K_vm----表示厚材料m表面处VOC的平衡常数；
　　　C_m0----表示厚材料m内VOC的初始浓度；
　　　L_n----表示薄材料n的当量厚度；
　　　C_sn0----表示薄材料n表面的VOC初始浓度。
　　室内污染物由多种成分组成，忽略各种污染物质之间的相互作用，则各种污染物质即可分别用上而一组方程描绘其变化。然而实际上空气中，可以认为各种污染物质不发生作用，但对净化装置如吸附器、过滤器和光触媒设备而言，它们会对几种污染物共同起作用，此时设备的穿透率则需要修正后才可真正反映这一相互影响。
　　
3 举例
　　
　　设某办公室尺寸5×4×3（m³），房间内有一个胶合板M1和一个窗帘M2组成。M1内有一种挥发性有机物苯，其尺寸为5×2×0.02(m³)，M1的物性如表1所示。窗帘作为表面材料，它的吸附表面积为1000m²，当量厚度为1m，对苯的当量传质数K_an为0.25m/h。假定空气流过材料时的对流传质系数为1.65m/h。室内人员分布如表2所示，假定室内每人活动所产生的可吸入颗粒物为10mg/h，每人送新风量为50m³/h。室内没有其污染源。
　　
　　　　　　　M1的物性参数 　　　　　　　　　　　　　表1

　　　　　　　　室内人员分布　　　　　　　　　　　　 表2

空气的物性参数为D=0.027m²/h，ρ=1193g/m³， μ=66.52g/(h·m)，v=0.056m²/h，S_c=2.065
　　室内污染包括无机污染和有机污染，无机污染中最主要的是可吸入颗粒物、二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等。而有机污染则是由于建筑装饰材料散发出的挥发性有机物颗粒物、二氧化硫及苯的浓度情况，及表3所列的各种情况下房间内可吸入颗粒物浓度与时间变化关系。当房间内有回风时，假设回风量与新风量相等，忽略风道的沉降率。
　　
　　　　　　　通风情况　　　　　　　　　　　　　　 表3

　　图1 7月1日房间内可吸入颗粒物浓度

　　图2 12月1日房间内可吸入颗粒物浓度

　　图3 7月1日房间内二氧化硫浓度

　　图4 12月1日房间内二氧化硫浓度

　　图5 房间内二氧化碳浓度

　　图6 房间内苯浓度

　　图7 情况1～情况12房间内可吸入颗粒物浓度

　　图8 情况2～情况23房间内可吸入颗粒物浓度