健康建筑室内PM2.5浓度研究

健康建筑室内PM2.5浓度研究

陈忠海孟佳杰杨鹏张含芝郭焕丽刘忠峰孙

河北建筑工程学院

摘要：本文依据我国《健康建筑评价标准》中关于室内PM2.5浓度的限值要求，以某办公建筑为例，采用数值模拟的方法，分析了空调作用的不同新风过滤器对室内空气质量的影响。结果表明：室外空气质量对室内PM2.5浓度有较大影响，且室内PM2.5颗粒基本随着空气流场而变，安装中高效空气过滤装置可以有效的降低室内PM2.5颗粒浓度。

关键词：健康建筑；PM2.5；数值模拟

引言

随着社会的快速发展，人们对于生活质量的要求逐步提高，同时也更加关注自身健康，关注室内空气品质。对于建筑的要求也从以“节能、环保”为特征的“绿色建筑”提高到更加关注人体身心健康的“健康建筑”。我国《健康建筑评价标准》中关于空气指标项指出：允许全年不保证18天条件下，PM2.5日平均浓度不高于37．5μg／m3，PM10日平均浓度不高于75μg／m3，评价分值为10分。相比而言，美国WELL标准中则规定PM2．5浓度不高于25μg／m3，对于铂金级认证的建筑，则要求不高于15μg／m3。[1]室内PM2.5的主要来源包括室内污染源散发和室外空气携带。研究表明，对于一些没有明显室内污染源的建筑，室内环境中75%的PM2.5颗粒来自于室外；对于一些存在室内污染源的建筑，仍然会有55%~60%的PM2.5颗粒来自室外[2]。在空调作用下，室外PM2.5颗粒主要通过空调的新风系统进入室内。

本文以某办公建筑为例，通过数值模拟的方式，研究分析不同效率新风过滤装置情况下室外颗粒物对室内PM2.5浓度分布特性的影响。

模拟仿真模型的建立

1、物理模型

本文以某办公室作为模拟对象，采用安装有空气过滤器的新风系统，既可满足住宅内人员对新风的需求，又能降低室内颗粒物浓度，保证良好的空气品质。为节省运算时间，同时保证模拟结果的精确性，本文将办公室简化，办公室中放置两张桌子与四名办公人员，人体作为室内污染源，送风方式为顶送顶回，此次分别模拟不安装过滤装置、安装中效过滤装置（过滤效率取60%）、安装中高效过滤装置（过滤效率取90%）时室内PM2.5颗粒的浓度分布情况，其他条件均一致。模型中各种物体的参数见表1。

表1.模型基本参数

2、数值模拟方法

本文的数值模拟过程分为连续相模拟和离散相模拟两部分。FLuent中的离散相模型（DPM）要求分散相的体积分数要小于10％，而PM2.5在空气中非常稀薄，体积分数远小于10％，因而颗粒与颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响可忽略不计[3]。模拟选用四面体的网格类型，采用有限容积法计算。为了简化问题，假设室内颗粒之间既无碰撞也无化学反应，不发生相变，颗粒所受力仅考虑重力、布朗力和Saffman升力。

3、控制方程

此次模拟选用标准模型。标准模型假设流动为完全湍流，分子黏性的影响可以忽略，适用于高Re湍流模型。将模型中的耗散率由下列公式表示：

4、边界条件

连续相的边界条件详见表1，房间的墙面、顶部的表面均设为无滑移的壁面条件。对于颗粒相，不考虑其他因素，假设PM2.5由空调送风口进入，PM2.5颗粒的粒径设为2.5um，随空气流动，进入室内的PM2.5颗粒浓度设为200ug/m3，人体作为室内污染源，其散发量为1500μg／h。[4]离散相的边界条件设置如下：入口和出口的边界条件均设置为trap；考虑颗粒碰到壁面即沉降，不发生二次悬浮，室内的墙面、屋顶表面的离散边界条件均设置为escape。设置完各项参数，通过模拟计算，达到稳定后，将PM2.5颗粒浓度分布的模拟结果输出。

模拟结果分析

为了更加直观对比室内空气与PM2.5颗粒的分布结果，选取具有代表性的平面加以分析：1）选取房间的中轴面Y=2m；2）由于办公室内人员经常处于坐姿状态，因此重点分析横切面Z=1m处的PM2.5浓度分布特点。模拟结果如下：

由图中模拟结果可发现，室外空气对室内PM2.5颗粒浓度有较大影响，在Y=2m处的纵平面上，可明显看出室内PM2.5颗粒是基本随着室内空气流动而分布，颗粒物浓度越高，该流场越明显，这是由于颗粒物质量较轻，粒径较小，易随着空气的流动方向漂浮。并且可发现在远离送风口一端PM2.5颗粒较为集中，浓度较高。其次，由于室内人体散发的原因，可发现在人体周围PM2.5颗粒物浓度较高。从图中整体分析，由于颗粒物随送风大量进入室内，室内PM2.5颗粒的平均浓度随之增加，由图1和图2对比可发现，无安装过滤装置时的室内PM2.5颗粒浓度明显大于加装过滤器时的颗粒物浓度，由图3可知，随着过滤效率的提高，室内PM2.5颗粒浓度有明显减少。为了达到健康的室内环境，一方面可以安装中高效的过滤装置，有效阻止室外污染物的进入，另一方面要减少室内污染源的散发，从而整体降低室内PM2.5颗粒浓度。

结论

建筑室内PM2.5浓度主要受室外空气和室内污染源影响。本文通过数值模拟发现，PM2.5颗粒因其粒径小，重量轻，容易随空气流动。在空调作用下，室内PM2.5颗粒随空气流场分布，浓度越高，流场分布越明显。在无安装过滤装置时，更多室外颗粒物进入室内空气当中，造成一定量的室内颗粒浓度增加，通过安装中高效过滤效率的过滤装置可以有效阻止室

外颗粒物的进入，对于改善室内空气品质有显著效果。室内空气品质不仅影响人体舒适，更会危害身体健康，通过安装中高效空气过滤装置，减少室内污染源的散发，可以有效降低室内PM2.5颗粒浓度，达到一个健康的生活环境。

参考文献：

[1]张颖.中美健康建筑评价标准之对比[J].绿色建筑，2018，10（05）：5-6.

[2]熊志明，张国强，彭建国，周军莉.室内可吸入颗粒物污染研究现状[J].暖通空调，2004（04）：32-36.

[3]李先庭，赵彬.室内空气流动数值模拟[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]王欢欢.空调房间PM2.5浓度分布及控制[D].山东建筑大学，2017.

作者简介：孟佳杰（1994-），男，在读研究生，河北建筑工程学院，研究方向：室内空气品质

河北省教育厅在读研究生创新能力培养资助项目（项目编号：XA201820）