室内空气品质评价及CFD技术

室内空气品质评价及CFD技术

王圣1王小逸屈伟

(北京工业大学环境与能源工程学院，北京100022)

摘要室内空气品质与人的感知及个体差异紧密相连，是空气的温度、湿度、气流速度、洁净度等空气指标的综合效应。不好的室内空气品质将对人的身心健康和工作效率造成巨大的不利影响。综述了室内空气品质与舒适性、通风效率的关系，总结了国内外的室内空气品质评价方法，并对不同国家地区的室内空气品质评价标准进行了归纳比较。最后，介绍了CFD（计算流体力学）在室内空气品质研究中的应用。

关键词室内空气品质评价标准计算流体力学

I ndoor air quality evaluation and CFD technology Wang Sheng, Wang Xiaoyi, Qu Wei. (College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology，Beijing 100022) Abstract: IAQ (Indoor Air Quality) has much to do with people’s feeling and individual differences and is the integrated effect of temperature, humidity, airflow velocity, lustration of air. Poor IAQ will have great harm to people’s health and working efficiency. This paper summarizes the relationship between indoor air quality and comfort and Ventilation Efficiency, introduces the kinds of IAQ evaluation methods in the world and points out the differences of the standards in different countries and areas. At last, the trends regarding to the CFD application in indoor air quality and the instance using CFD technology on indoor air quality have been addressed.

Keywords:Indoor air quality Evaluation Standard CFD

室内是城市中大多数人工作与生活的场所,人们在室内的时间约占总时间的80%以上,所以人们的日常生活、身心健康、工作效率等均与室内环境状况有关。随着人们生活水平的提高，居住环境的改善，家庭装修变得异常火热。根据中国建筑装饰协会的统计数据,我国新建住宅装修率达到了95%以上。而有机合成材料在室内装饰及设备用具方面的广泛应用,致使室内挥发性有机化合物(VOC)气体大量散发,严重恶化了室内空气品质。此外，由于20世纪70年代的全球能源危机，能源消耗面临严峻的考验，现代建筑物密闭程度增加,新风量不足,使室内空气污染物不容易扩散,增加了室内人群与污染物的接触机会，出现了由于建筑本身不环保不卫生而导致的“病态建筑综合症”(Sick Building Syndrome, SBS)。世界卫生组织(WHO)估计[1],世界上有将近30%的新建和整修的建筑物受到SBS的影响,大约有20%~30%的办公室人员常被SBS症状所困扰。因此，继“煤烟型”、“光化学烟雾型”污染后,现代人正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。

1 室内空气品质与舒适性

空气品质是描述空气质量好坏的概念,它是指空气的温度、湿度、气流速度、洁净度等空气指标的综合效应。舒适性是指人在温和环境中的热感觉，当感觉不冷不热时，这个环境就是舒适的环境；反之当感觉到热或者冷时，这个环境就是不舒适的。人的健康、自身感觉及工作能力在很大程度上取决于室内的舒适状况。换句话说，舒适性是人体对空气1第一作者：王圣，女，1982年生，硕士研究生，主要从事室内环境分析与评价的研究。

环境的满意程度,是人体对空气品质的主观反映。室内的气流直接影响室内的温度场、速度场和污染物的分布[2]，这些量关系到室内人员的舒适感，随着人们生活水平的日益提高，如何创造舒适的室内环境越来越受到人们的重视。

通过室内舒适性和空气品质的研究，可看出它们有着本质的、密切的联系。如影响舒适性的主要因素——空气温、湿度影响着人对室内空气品质的感觉。丹麦技术大学新的综合性研究证明[3],感知的空气品质受到空气湿度和温度的强烈影响。实验表明,保持适当低的湿度以及全身热舒适性中所要求温度范围下限的温度是有利的,这样可以减少病态建筑综合症的发生。气流组织形式不仅对舒适性有作用，而且可提供高品质的室内空气。合理的空气流动有助于创造舒适的室内环境，同时还能稀释室内空气中的污染物浓度，或及时排除室内污染物。较高的洁净度，即污染物(尘、菌、CO2、NH3、氡、甲醛等)对舒适性也有着至关重要的影响，而且这种影响在一定程度上超出了温、湿度的影响。舒适性和空气品质的研究往往是同时展开的。

2 室内空气品质与通风效率

室内通风或空气调节的意义主要体现在以下两个方面：（1）为室内人员提供呼吸所需要的新鲜空气、稀释和去除室内气味、污染物，改善和维持良好的室内空气品质。（2）除去室内的余热余湿，为室内人员创造舒适宜人的室内环境。随着人们对室内空气品质要求的不断提高，通过通风来改善室内空气品质已成为一个重要的手段。

通风效率(Ventilation Efficiency)表示送风排除室内余热及有害物的迅速程度，它从整体上反映一个通风系统新风的有效利用情况，是衡量通风系统有效性的主要指标[4,5]，对保证室内空气品质满足舒适性要求有重要的使用价值。通风的有效性主要是指：供给足够的新风量，恰当的送风量，理想的送排风布局，提高通风效率[6]。发挥通风有效性，既要注重新风的量，更要注重新风的质。合理确定新风口的位置，采集高品质的新风，尽量减少或者消除新风处理、传递和扩散中的污染。然而，在有关空气品质的研究中,国内大多数的工作是以整个房间为控制体,忽略了通风效率与室内污染物浓度的关系。

在通风房间内，新风量和风口位置、送风特性决定着室内空气的温度、相对湿度以及污染物的分布。因此有效的通风和合理的气流组织对于改善室内空气品质，控制室内空气污染物水平，保证实现健康建筑有着重要的意义。

3 室内空气品质评价方法及标准

室内空气品质的定义在近20年中经历了许多变化，最初，人们把空气品质几乎等价为一系列污染物浓度的指标。1989年，丹麦科技大学的FANGER 教授在空气品质会议上提出了室内空气品质的定义：品质反映了满足人们要求的程度,如果人们对空气满意就是高品质,反之就是低品质[7]；英国的CIBSE（Chartered Institute of Building Services Engineers）认为如果室内50%以下的人能感觉到任何气味,20%以下的人感觉到不舒服,10%以下的人感觉到粘膜刺激,而且5%以下的人在不足2%的时间内感到烦躁,则可认为此时的室内空气

品质是可接受的[8]。这两种定义都将室内空气品质完全变成了人们的主观感受。

近年来，美国ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating, Air-Conditioning Engineers) 标准62-1989R中，提出了“可接受的室内空气品质”（Acceptable Indoor Air Quality）和“感受到的可接受的室内空气品质”（Acceptable Perceived Indoor Air Quality）等概念[9]。可接受的室内空气品质是：空调房间中绝大多数人没有对室内空气不满意,并且空气中没有已知的污染物达到了可能对人体健康产生严重威胁的浓度。感受到的可接受的室内空气品质是：空调房间中绝大多数人没有因为气味或刺激而表示不满。在这一标准中,考虑到客观指标和人的主观感受两方面的内容，从而使该标准,较为科学和全面。

2003年我国实施了“GB/T 18883—2002室内空气质量标准”，将室内空气质量定义为：室内空气应无毒、无害、无异常嗅味，并规定了一系列与人体健康有关的物理、化学、生物、放射性等污染物的限量值。

3.1 室内空气品质标准

随着室内空气品质定义的不断完善，各国也相应的出台了一些室内空气品质标准。

3.1.1 我国的IAQ标准

要对室内空气品质进行评价，必须建立相应的评价标准。通过近20年的努力，我国初步建立起一套关于IAQ的评价系统。表1大体总结了我国政府公布并实施的相关法规。

表1 我国IAQ评价标准

GB 50325—2001、GB/T 18883—2002等国标提出了一套室内空气质量的控制指标,对于进行室内空气质量评价,改善室内环境具有重要的意义。

3.1.2 国内外IAQ标准的比较

世界各国对IAQ已有深入研究，但目前除我国外，还没有一个国家系统地制订出IAQ 标准，主要原因在于IAQ管理及实际操作中的困难性。部分国家和地区制订的IAQ相关标准有：加拿大的居民室内质量指引、办公楼空气质量技术指南、公共楼房过滤细菌污染认识与管理指南；日本的楼房卫生保养法、楼房卫生条例、办公楼卫生条例[10]；新加坡的办公楼良好室内空气质量指引、楼房控制法规、机械通风工作守则；韩国的公共卫生法；美国的可接受的IAQ通风标准[11]；中国香港的办公室及公共场所室内空气质量管理指引等。

比较我国与其他国家地区的IAQ标准，可以总结出如下特点：

（1）目前世界各国制订IAQ相关标准的目的不同，内容不统一，而且多为推荐标准，总体上可以归纳为5类：空气污染卫生基准、职业安全标准、公共场所IAQ标准、居民住宅IAQ指导标准、暖通空调的行业标准(HVAC)。

（2）与发达国家相比，我国IAQ标准基于我国室内空气的特点包含的指标较多。

（3）发达国家的机械通风行业标准一般包括IAQ标准，而我国则在IAQ标准中包含一些暖通方面的指标。

（4）由于各国国情不同，室内污染特点不同，人种、体质特性不同，因此，各国IAQ 标准值是有差别的。

3.2 室内空气品质评价

随着人们对室内空气品质认识的逐渐深入，对室内空气品质的评价也越来越科学全面。室内空气品质评价是人们认识室内环境的一种科学方法,它是随着人们对室内环境重要性认识不断加深而提出的新概念。

室内空气品质评价是对某个具体环境的各环境要素进行比较分析,分析其室内空气质量的主要影响因素，预测其在一定时期内的变化趋势，评价其对人群工作、生活的适宜程度，并提出经济可行的控制治理措施。室内空气品质评价的目的在于：（1）掌握室内空气品质的状况及其变化趋势，以便展开室内污染的预测工作；（2）评价室内空气污染对健康的影响，以及室内人员接受的程度，为制订室内空气品质标准提供依据；（3）弄清污染源（如建材、涂料等）与室内空气品质状况的关系，为建筑设计、卫生防疫、控制污染提供有力依据。

当前,室内空气品质评价一般采用量化监测和主观调查相结合的手段[12-13]，而评价标准也从单纯的客观标准逐渐发展到与主观感受相结合。现将国内外评价室内空气品质一些较为成熟的评价方法和评价指标做一简要介绍。

3.2.1 主观评价和客观评价相结合的综合评价方法

这一评价过程主要有3条路径,即客观评价、主观评价和个人背景资料[13,14]。

客观评价就是直接用室内污染物指标来评价室内空气品质的方法,即选择具有代表性的污染物作为评价指标,全面、公正地反映室内空气品质的状况。国际上通常选用CO2、CO、HCHO、可吸入性微粒、NO X、SO2、室内细菌总数,加上温度、相对湿度、风速、照度以及噪声共12个指标来定量地反映室内环境质量。这些指标可以根据具体对象适当增减,我国国标中有19个评价指标。

主观评价主要是通过对室内人员的询问得到的,即利用人自身的感觉器官进行描述和评判工作。这些评价用国际通用的调查表方法来规范和量化，主要归纳为4个方面的内容：在室者和来访者对室内空气不接受率，对不佳空气的感受程度，在室者受环境影响而出现的症状及其程度。

个人背景调查中一部分是排他性调查，另一部分是个人资料调查，主要用以排除非室内空气品质因素所引起的干扰以及潜意识对评价的影响，以有助于作出正确判断。

最后综合以上3条路径的资料，通过统计分析，来评价室内空气品质。根据要求，可评定室内空气品质的等级、作出仲裁、提出咨询意见或提供整改对策与措施。

3.2.2 olf-decipol定量空气污染指标

丹麦的Fanger 教授提出用感官法定量描述污染程度[15]。他采用olf（污染源强度）和decipol（空气品质感知值）作为评价室内空气品质的指标。该方法定义为：1 olf为一个“标准人”的污染物散发量，其他污染源也可用它来定量。并用decipol来定量空气品质。1 decipol表示用10 L/s未污染的空气稀释1 olf污染后所获得的室内空气品质。同时结合IAQ 主观评价指标PDA（预期不满意百分比）来评价室内空气品质。

3.2.3 空气耗氧量COD

空气耗氧量是由前苏联学者于20世纪80年代提出的。空气耗氧量是指利用有机物的被氧化特性，通过一定的方法测定室内VOC（V olatile Organic Compound）被氧化的空气耗氧量，以表征室内VOC的总浓度。其原理是基于空气污染物中的有机物可被重铬酸钾—硫酸液完全氧化；根据有机物被氧化时消耗的氧气量即可推算出空气耗氧量的含量[16]。

据测定,COD随室外空气污染与室内污染来源如人群活动、吸烟、臭源的程度不同而变化,且与室内空气品质的其他指标如CO2、空气负离子、甲醛、微生物均有明显的相关性,说明它是综合性很强的室内空气污染指标,和其他指标既有联系,又具有本身的相对独立性(反映室内有机物的浓度),为VOC定量评估及室内空气品质的评价提供了有利条件。

3.2.4 CFD技术

随着计算机技术、数值模拟技术的发展，利用计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）对室内空气流动进行数值模拟的方法应运而生。CFD数值模拟法是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。它可以模拟室内空气中气流的运动状态和污染物在空气中的分布状况。简单地说,该方法就是在计算机上虚拟地做实验，依据室内空气流动的数学物理模型,将房间划分为小的控制体,把控制空气流动的连续的微分方程组离散为非连续的代数方程组,然后结合实际的边界条件在计算机上进行数值求解。只要划分的控制体足够小就可认为离散区域上的离散值代表整个房间内空气分布情况[17]。其理论依据是质量、动量以及能量三大守恒定律[18-20]。

4 CFD技术在室内空气研究中的应用

CFD在暖通空调工程中的应用始于1974年，由于数值模拟方法具有周期短、费用低、并且能够预先进行等特点，因此目前被看成是室内空气品质评价最有希望的一种有效工具。国外在这方面发展较快,目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。从国内

外研究动态来看，目前的相关研究还较多局限于边界形状比较规则的定常室内气流特性和气流品质问题。同时，对室内湍流流动的影响的研究还不深刻。

利用CFD技术研究室内空气品质问题,主要是通过求解偏微分方程,得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度、空气龄等参数,从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等[21]，并可结合人体舒适的评价标准,来考察舒适性在室内的分布情况，因此近10年来得到了长足的发展。随着计算机运算速度的提高、计算流体模型的完善，数值模拟方法将会成为室内空气客观评价的有效工具，并在模拟室内空气的流动特性方面发挥巨大的作用。

笔者认为，目前用CFD模拟室内空气状况还存在以下问题：

（1）目前，国内外对于室内空气的研究主要集中在对室内通风状况及气流分布情况的研究、热舒适度（温度场）等方面的研究，而对于室内相对湿度和洁净度即室内污染物浓度的研究则不够深入；

（2）现阶段对室内空气的研究大部分是对房间通风的研究，对带有净化器的房间的模拟还较少。随着人们生活水平的不断提高，净化器走进普通居民家中也将成为一种趋势，研究净化器的工作对室内空气的影响有实际意义。

屈伟等[22]应用FLUENT数值模拟法结合污染物检测评价法，模拟了某办公室（见图1）密闭若干小时和通风一定时间后，房间内甲醛浓度的变化。这是与《室内空气质量标准》（GB/T 18883—2002）中所要求的状况完全一致的模拟。

图1 办公室的几何模型

a房间密闭6 h b密闭12 h之后通风3 min

图2 距地板1.2 m处甲醛浓度分布图

图2为距地面高度1.2 m处的甲醛浓度分布图，a、b两图分别显示了房间密闭6、12 h 后通风3 min的甲醛浓度分布情况。

图3中a、b两图分别为房间内B点在密闭和密闭12 h后通风情况下的浓度随时间的变化趋势。

a 房间密闭工况b密闭12 h之后通风工况

图3 B点甲醛浓度随时间的变化

通过模拟室内甲醛浓度的变化情况，使实际监测工作者对室内污染物的分布、扩散、房屋密闭时间、采样不均匀性等诸多方面有了更进一步的认识。

由于污染物的浓度在房间内不是均匀分布的，因此要根据现场情况结合室内空气流体力学的模拟结果合理地选择采样点，并要严格遵守国标规定的房间密闭时间。本实验还探索建立了与实验检测相似的模型，数值模拟的结果可以从时间、空间的不同角度反映出一个先密闭后通风的办公室中污染物的变化规律，这是实验检测难以做到的，为实验研究提供了理论依据。

5 展望

随着计算机技术的迅速发展和CFD软件的不断开发与完善，用CFD计算模拟室内任意一点的污染物浓度及室内空气整体的状态和趋势已经越来越受到人们的青睐。研究室内污染物分布规律对开发经济有效的技术措施,控制工作区空气品质具有重要的理论意义和实用价值。

参考文献

[1] 耿世彬,杨家宝．室内空气品质及相关研究[J]．建筑热能通风与空调,2001,20（2）：29-33．

[2] 吴喜平，朱喆．空调房间内气流的分析与研究[J]．制冷空调和电力机械，2001，4（22）：15-19．

[3] 羊爱平．室内空气品质及其主要影响因素[J]．制冷，2005,24(2)：33-36．

[4] 刘玉峰．改进空调房间空气品质提高室内舒适性的技术措施[J]．山东矿业学院学报(自然科学版)，

1999,18(1)：61-64．

[5] 韩海涛，张吉光．置换通风与室内空气品质[J]．制冷与空调，2004(4)：32-35．

[6] 马仁明．通风的有效性与室内空气品质[J]．暖通空调,2000,30（5）：20-23．

[7] 沈晋明．室内空气品质的新定义与新风直接入室的实验测试[J]．暖通空调,1995,25(6)：30-33．

[8] BJARNE W O．International development of standards for ventilation of building[J]．ASHRAEJ,1997(4)：

31-39．

[9] ASHRAE Standard 62—1989．Ventilation for acceptable indoor air quality[S]．

[10] 松下秀鹤．日本控制室内环境中烟尘的方法及其技术措施[C]//室内空气质量及相关政策专题国际

研讨会论文集(三)．北京：中国人类生态学会，1998：37-44．

[11] OLESEN B．International development of standards for ventilation of building[J]．ASHRAE，1997(4)：

31-39．

[12] 沈晋明．室内污染物与空气品质评价[J]．通风除尘,1995,(4)：10-13．

[13] 沈晋明．室内空气品质的评价[J]．暖通空调,1997,27(4)：22-25．

[14] 沈晋明．我国目前室内空气品质改善的对策与措施[J]．暖通与空调,2002,32（2）：34-37．

[15] WEI Qiang, CHEN Qigao．New function for indoor air quality evaluation[C]// Proceedings of the 3rd

International Symposium on Heating, Ventilation and Air Conditioning, 1999:207-213．

[16] 忻尚杰, 程宝义, 朱培根．影响室内空气品质的VOC 特性及其定量评估[J]．暖通与空调，

2002,32(3)：34-35．

[17] 赵彬，林波荣，李先庭,等．室内空气分布的预测方法及比较[J]．暖通空调HV&AC, 2001,31(4)：

82-86．

[18] CHEN Q, SUTER P, MOSER A．Influence of air supply parameters on indoor air diffusion[J]．Building and

Environment,1991, 26(5)：179-185．

[19] LI Z H, ZHANG J S, ZHIVOV A M, et al．Characteristics of diffuser air jets and airflow in the

occupied regions of mechanically ventilated rooms—a literature review[J]．ASHRAE Transaction ,1993,99(1)：19-26．

[20] YU Changzhao．Turbulence jets[M]．Beijing: Senior Education Press,1993：60-32．

[21] 师奇威，贾代勇，杜雁霞．CFD技术及其应用[J]．制冷与空调,2005,5(6)：14-17．

[22] 屈伟，王小逸，苑中显．应用数值模拟研究室内污染物浓度场的变化规律[C]//第三届工程计算流

体力学学术会议论文集，2006：58-64．

责任编辑：陈泽军（收到修改稿日期：2006-09-23）