别墅建筑室内空气品质的多区模拟分析研究.docx
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别墅建筑室内空气品质的多区模拟分析研究
硕士学位论文
别墅建筑室内空气品质的多区模拟
分析研究
MULTI-ZONEMODELINGOFINDOORAIR
QUALITYINSINGLEFAMILYHOUSES
唐启富
哈尔滨工业大学
2011年6月
国内图书分类号：
TU834.51
国际图书分类号：
628.8
学校代码：
10213
密级：
公开
工学硕士学位论文
别墅建筑室内空气品质的多区模拟
分析研究
硕士研究生：
唐启富
导
师：
王芳副教授
申请学位：
工学硕士
学科、专业：
供热、供燃气、通风及空调工
程
所在单位：
市政环境工程学院
答辩日期：
2011年6月
授予学位单位：
哈尔滨工业大学
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
ClassifiedIndex：
TU834.51
U.D.C：
628.8
DissertationfortheMasterDegreeinEngineering
MULTI-ZONEMODELINGOFINDOORAIR
QUALITYINSINGLEFAMILYHOUSES
Candidate：
Supervisor：
TangQifu
Assoc.Prof.WangFang
AcademicDegreeAppliedfor：
Master
of
Engineering
Speciality：
HeatingVentilating&AirConditions
Affiliation：
Schoolof
Municipal&
Environmental
Engineering
DateofDefence：
June,2011
Degree-Conferring-Institution：
Harbin
Institute
of
Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
采用模拟分析的方式预测室内空气品质是以科学为依据，以预防和治理
评价为目标的室内环境设计新理念。
论文采用多区域网络模型，针对别墅建
筑室内空气品质进行多区动态网络模拟分析和预测。
第一研究了建筑结构类
型、围护结构特征、热压、风压作用下的别墅建筑自然通风状况，归纳总结
了别墅建筑主要污染源种类及散发模型，在此基础上深切分析了厨房炊事、
抽烟、建筑装修装饰材料等污染源对于建筑各功能房间室内空气品质的影响
和预测结果，并对开关门窗、机械通风等污染控制办法效果予以量化对比分
析，最后按照建筑内人员活动模式进行初步暴露量计算。
论文工作为别墅建
筑在设计、施工和装修装饰设计阶段，对室内空气品质的影响和预测分析提
供了有效模拟手腕，对于别墅建筑工程设计和施工具有必然参考价值。
本论文主要展开了以下方面的研究：
（1）系统总结别墅建筑中主要污染源/汇的各类经验模型和传质理论模
型，归纳国内外最新研究功效，为室内空气品质模拟成立污染源特征数据
库。
（2）详细解读多区域网络模型空气流动和污染物传播理论内核，针对某
独栋别墅建筑依照不同结构空间设计别离建模，研究不同类型别墅建筑自然
通风状况，包括围护结构构件空气渗漏特征、热压、风压等因素影响。
（3）深切研究分析别墅建筑内厨房炊事、抽烟、建筑装修装饰材料等主
要污染源单独存在和多种污染源共存时，建筑内各房间TVOC、甲醛、
PM2.5、CO、NO2等主要污染物浓度转变规律。
结合我国现行室内空气质量
标准，对室内空气品质予以评价。
（4）针对开、关门窗，机械通风等污染控制方式进行模拟，提供切实有
效的污染控制方案。
（5）考虑建筑物内人员行为模式后，针对设定场景进行人员暴露初步分
析，为暴露风险评估提供量化依据。
关键词：
别墅建筑；室内空气品质；多区模型；人员暴露
-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Theuseofsimulationmethodstopredictindoorairqualitybasedon
scientificbasis,isanewconceptofindoorenvironmentdesigntotarget
contaminantpreventionandtreatmentevaluation.ThispaperusesMulti-zone
networkmodelforindoorairqualityinsinglefamilyhousestocarryoutmulti-
zonedynamicnetworksimulationanalysisandforecasting.Firstthetypeof
buildingstructures,buildingenvelopeleakagecharacteristics,naturalventilation
ofsinglefamilyhousesunderthermal,windpressureeffectwerestudied.Then
themaincontaminantsourcesmodelinsinglefamilyhousesweresummarized,
furthermorein-depthanalysisofIAQimpactsofsomescenariossuchaskitchen
cooking,smoking,buildingdecorationmaterials,andothercontaminantsources
werecarriedouttohavesomepredictionresults.Atthesametimequantitative
comparinganalysisoftheeffectofswitchwindows,mechanicalventilationand
otherpollutioncontrolmeasureswerecompleted.Atlastpreliminaryoccupant
exposurecalculationsaccordingtooccupantactivitypatternsinthehouseswere
finished.Theeffortsofthispaperprovidesaneffectivesimulationmethodfor
forecastingtheimpactofsinglehousebuildingsdesign,constructionand
decorationdesignonindoorairquality,ithascertainvalueforsinglefamily
housesdesignandconstruction.
Themaincontentsofthepaperfocusesonthefollowingareas:
（1）Systematicsummaryofthemaincontaminantsources/sinksofempirical
modelsandmasstransfermodelinsinglefamilyhouses,summarizedthelatest
researchresultsathomeandabroad,toestablishcontaminantsources
characteristicsdatabaseforindoorairqualitymodeling.
（2）DetailedexplanationoftheMulti-zonenetworkmodelofairflowand
pollutantpropagationtheorykernel,forasinglefamilyhousesofdifferent
constructiontypes,establisheddifferentmodels,studiedtheirnatureventilation
condition,includebuildingenvelopeleakagecharacteristic，thermal,wind
pressureandotherfactors.
（3）In-depthresearchandanalysisofcooking,smoking,buildingdecoration
materials,andothermajorcontaminatesourcesexistaloneortogether,TVOC,
-II-
formaldehyde,PM2.5,CO,NO2andothermajorpollutantsconcentration
variationinsinglefamilyhouses.Comparingwithcurrentindoorairquality
standards,indoorairqualityevaluationcouldbeconducted.
（4）Thesituationofopening/closingdoorsandwindows,mechanical
ventilationandotherpollutioncontrolmethodsweremodeled,thenprovides
effectivepollutioncontrolmeasures.
（5）Preliminarilycalculatedtheoccupantexposuresaccordingtooccupant
activitypattern,providesquantitativebasisforexposureriskassessment.
Keywords:
singlefamilyhouses,indoorairquality,Multi-zonemodel,occupant
exposure
-III-
摘要.......................................................................................................................I
Abstract................................................................................................................II
第1章绪论.........................................................................................................1
1.1论文研究目的和意义................................................................................1
1.2国内外在该方向的研究现状及分析.........................................................2
1.2.1室内空气品质概念..............................................................................2
1.2.2室内空气品质研究现状及进展..........................................................2
1.2.3室内空气污染来源及污染现状..........................................................4
1.2.4室内空气品质模拟研究现状..............................................................5
1.3论文主要研究内容....................................................................................7
第2章CONTAM理论背景和污染源/汇模型总结...........................................9
2.1软件理论背景............................................................................................9
2.1.1CONTAM软件介绍.............................................................................9
2.1.2模型假设...........................................................................................10
2.1.3理论依据...........................................................................................11
2.2污染源/汇模型总结.................................................................................13
2.2.1建筑及装饰材料VOC散发源/汇模型.............................................13
2.2.2CONTAM中污染源/汇模型..............................................................18
2.3本章小结..................................................................................................20
第3章别墅建筑模型描述及自然通风模拟....................................................21
3.1别墅CONTAM模型的成立....................................................................21
3.2自然通风状况模拟分析...........................................................................28
3.2.1仅考虑热压作用...............................................................................28
3.2.2热压和风压一路作用........................................................................33
3.3本章小结..................................................................................................35
第4章别墅建筑室内空气品质模拟分析........................................................36
4.1污染物传播模拟分析..............................................................................36
4.1.1单一污染源.......................................................................................36
4.1.2多污染源...........................................................................................47
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
4.2室内空气品质控制....................................................................................48
4.2.1开关门窗方案比较.............................................................................49
4.2.2机械排风.............................................................................................53
4.3人员暴露分析............................................................................................56
4.3.1暴露大体概念.....................................................................................56
4.3.2暴露模拟分析.....................................................................................58
4.4本章小结....................................................................................................60
结论和展望...........................................................................................................61
参考文献...............................................................................................................63
致谢.......................................................................................................................67
-V-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
第1章绪论
1.1论文研究目的和意义
按照美国环境保护属（EPA）调查表明：
在美国，室内空气品质（Indoor
AirQuality）问题是关系全民健康的首要问题之一，受室内空气品质问题影响
的美国人口多达3000万，由此造成的经济损失超过了$400亿/年[1]，这些数
字令人惊心动魄。
在我国虽然没有权威机构的统计，可是最近几年来随着城市化
进程加速，公共住宅面急剧增加，而且随着人们生活水平的提高，掀起了一
股室内装修热，装饰材料会散发大量有害气体，严峻要挟着人们的身体健
康，室内空气品质问题尤其突出，专门是对于别墅群体，业主追求更高品质
的居家方式，对装修要求高，利用大量的复合材料和现代化设备，这些都会
增加室内污染源，使室内空气品质恶化。
国内此刻多数是等装修好后再检测
室内污染物情形，若是没达标再采取相应的控制办法，这是典型的先污染后
治理方式。
如果在装修前就可以预测室内空气污染情形，就可以指导建筑设计、
室内装修设计和HVAC系统的设计。
最近，把整栋建筑物简化为多区域空
气流动网络模型（Multi-zonenetworkmodel）在通风和室内环境领域的研究中
日趋取得普遍应用，美国国家标准和技术研究所（NIST）开发了相应的模
拟软件CONTAM，用于多区域空气流通模拟研究[2]，而且对外分享其研究
功效，本文主要通过CONTAM来模拟别墅建筑的通风、污染物传播及人员
暴露情形，提出优化室内空气品质控制办法。
室内空气品质模拟技术是熟悉观念上的重要改变，此刻国内的建筑一般
是等装修好了后，再按照现场测量的室内污染物浓度对室内空气品质做评
价。
而CONTAM软件能使咱们在输入适当的参数后对室内污染物浓度等做
出预测，将室内空气品质视为进程的产物，要想有效地改善或解决室内空气
品质问题，必需重视其形成进程，在进程中予以控制，如优化建筑形式、通
风方式和各类净化办法；通过模拟预测，能提示建筑物的设计、施工、运行
和管理等有关人员注意自己的行为进程所产生的后果，从而自觉地采取技术
办法，规范自己的行为进程，以取得满意的结果。
-1-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
1.2国内外在该方向的研究现状及分析
1.2.1室内空气品质概念
室内空气品质问题出现于上世纪70年代左右，30连年来一直是世界关
注的热点。
第一分析什么是室内空气品质，随着研究的进展人们对其熟悉也
在转变。
刚开始只把各项污染物浓度指标以为是空气品质，此刻科学家提
出，不能只以这些纯客观的东西去概念空气品质，应当把主观因素也考虑进
去，综合概念室内空气品质。
在上世纪80年代的一次室内环境国际会议上，空气品质应当包括主观
判断标准就已经被Fanger教授提出，他指出“既然空气品质是反映居住者
的满意情形。
那么若是用户对其不满意，即便各项指标都达到，也是低品质
空气[3]。
而且他第一次开创性地将人们的主观感受引入到了室内空气评价中。
其实，这两种说法也都有各自的优缺点。
第一，若是室内空气品质只考虑客
观
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