隨著人們生活水平和生活質(zhì)量的不斷提高，現(xiàn)代建筑物內(nèi)部裝飾、裝修成為時(shí)尚。而20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)所引起的節(jié)能熱潮，使人們?cè)谄毡槭褂帽毓?jié)能材料的基礎(chǔ)上，將房屋盡可能密封。建筑物密閉程度的增加,新風(fēng)量的不足, 導(dǎo)致了室內(nèi)空氣污染物不容易擴(kuò)散,增加了室內(nèi)人群與污染物的接觸機(jī)會(huì)，因此室內(nèi)空氣的污染問(wèn)題引起人們的極大關(guān)注。研究室內(nèi)有害物產(chǎn)生-擴(kuò)散及分布的規(guī)律，以便對(duì)它們進(jìn)行有效控制，減少對(duì)居住者的危害，已經(jīng)成為環(huán)境衛(wèi)生學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱門課題。
1 室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)
研究發(fā)現(xiàn)，病態(tài)建筑物綜合癥（sick building syndrome，SBS）[1]及隨之產(chǎn)生的工作效率的下降等都直接或間接地與室內(nèi)空氣品質(zhì)（indoor air quality，IAQ）有關(guān)，所以對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)具有非常重要的意義。室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)可以做到：①掌握室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況和變化趨勢(shì)，以便有效預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣的污染程度；②評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣污染對(duì)人體健康的影響以及室內(nèi)人員的接受程度，為制訂室內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)；③弄清污染源與室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)系，為建筑設(shè)計(jì)、衛(wèi)生防疫、污染控制提供依據(jù)。
室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)是人們認(rèn)識(shí)室內(nèi)環(huán)境的一種科學(xué)方法，它是隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境重要性認(rèn)識(shí)不斷加深而提出的新概念。國(guó)際上通常選用CO2、CO、甲醛、可吸入性微粒、NOx、SO2、室內(nèi)細(xì)菌總數(shù)、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、照度以及噪聲共12個(gè)指標(biāo)[2]來(lái)定量地反映室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。我國(guó)則選用溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、新風(fēng)量、SO2、NO2、CO、CO2、NH3、O3、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、苯并[a]芘B(a)P、可吸入顆粒物、總揮發(fā)性有機(jī)物、菌落總數(shù)、氡共19項(xiàng)指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外普遍運(yùn)用的室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)方法有主觀評(píng)價(jià)法、客觀評(píng)價(jià)法和主客觀相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)法[3]。其中較為成熟的客觀評(píng)價(jià)法有室內(nèi)空氣污染物的檢測(cè)評(píng)價(jià)法和CFD數(shù)值模擬法。污染物檢測(cè)評(píng)價(jià)法是指選擇具有代表性的污染物作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)采樣分析測(cè)定該污染物濃度，后對(duì)照室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)做出檢測(cè)報(bào)告，得出室內(nèi)環(huán)境是否達(dá)標(biāo)。這種方法非常直觀，從檢測(cè)報(bào)告中可以看出室內(nèi)污染物的超標(biāo)倍數(shù)。但是該方法的分析測(cè)定結(jié)果只能反映室內(nèi)污染物在極限狀態(tài)下的平均濃度，而不能反映通風(fēng)狀況下空間各點(diǎn)污染物的濃度分布。
CFD (Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué))數(shù)值模擬法是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。它可以模擬室內(nèi)空氣中氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和污染物在空氣中的分布狀況。簡(jiǎn)單地說(shuō),該方法就是在計(jì)算機(jī)上虛擬地做實(shí)驗(yàn)，依據(jù)室內(nèi)空氣流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型,將房間劃分為小的控制體,把控制空氣流動(dòng)的連續(xù)的微分方程組離散為非連續(xù)的代數(shù)方程組,然后結(jié)合實(shí)際的邊界條件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值求解。只要?jiǎng)澐值目刂企w足夠小就可認(rèn)為離散區(qū)域上的離散值代表整個(gè)房間內(nèi)空氣分布情況[4]。其理論依據(jù)是質(zhì)量、動(dòng)量以及能量三大守恒定律[5~7]
2 CFD計(jì)算方法及模型
室內(nèi)大部分氣流屬于湍流，數(shù)值計(jì)算中湍流粘性占主導(dǎo)地位，僅在壁面附近為層流。由于室內(nèi)空氣流動(dòng)雷諾數(shù)（Re）較大，故通風(fēng)房間可模擬為一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的三維湍流問(wèn)題，一般采用標(biāo)準(zhǔn)的K-ε兩方程模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。CFD計(jì)算方法主要有三種：差分法、有限元法、有限體積法。
描述室內(nèi)空氣環(huán)境氣流的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象以及污染物的擴(kuò)散傳質(zhì)現(xiàn)象的微分方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、氣體組分方程等,它們可統(tǒng)一寫成如下的標(biāo)準(zhǔn)形式 ：
式中，φ為微分方程的因變量，它取1時(shí)代表連續(xù)方程，取ui, T, k, ε, m,分別對(duì)應(yīng)于速度、溫度、湍流動(dòng)能、湍流動(dòng)能和氣體組分方程，Γφ為擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。
通常采用有限差分法進(jìn)行離散,再用某種離散算法，比如SIMPLE方法求解。具體求解時(shí)，可借助于功能強(qiáng)大的商用CFD軟件(如FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDAP等) [9]，利用它們直觀而便捷的操作迅速完成計(jì)算,而讓專業(yè)人員專注于所探討的問(wèn)題本身。
3 CFD在室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用
目前國(guó)外所從事的室內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)工作主要集中在病態(tài)建筑物綜合癥(SBS)的成因及預(yù)防、氡(Rn)輻射的控制、室內(nèi)環(huán)境污染與人類健康等方面。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，由于呈病態(tài)建筑物綜合癥狀（SBS）的人數(shù)急劇增加，因此，各國(guó)投入了大量的人力和財(cái)力從事室內(nèi)環(huán)境問(wèn)題的研究和開(kāi)發(fā)工作。近年來(lái)CFD 技術(shù)已成為對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)（如空氣溫度、濕度、空氣速度、污染物濃度）進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)的重要工具。由于室內(nèi)污染物的多樣性、微量性和累積性,許多研究機(jī)構(gòu)投巨資建立了專門用于室內(nèi)環(huán)境研究的受控環(huán)境艙(Controlled Environment Chamber, CEC)，如美國(guó)勞倫斯·伯克利實(shí)驗(yàn)室(LBNL)的室內(nèi)環(huán)境系和丹麥理工大學(xué)的室內(nèi)環(huán)境和能源國(guó)際中心(ICIEE)等，因而占據(jù)著此領(lǐng)域的地位。目前，勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在使用埃施朗公司的LonWorks技術(shù)開(kāi)發(fā)一個(gè)供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的原型，以改善加州85000個(gè)可移動(dòng)教室(portable classroom)的室內(nèi)空氣質(zhì)量。丹麥理工大學(xué)的室內(nèi)環(huán)境和能源國(guó)際中心的研究主要集中在人體熱舒適、室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)對(duì)人體健康、舒適和工作效率的影響以及個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。他們正在用CFD技術(shù)模擬室內(nèi)暖體假人（thermal manikin）周圍的流場(chǎng)分布，從事人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境的感知機(jī)理，人體與環(huán)境之間的對(duì)流、輻射等熱交換形式的理論和實(shí)驗(yàn)研究，期待得到室內(nèi)尤其是人體周圍的溫度和污染物濃度分布。
我國(guó)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的研究的深度和廣度上還很有限，大多數(shù)研究集中在對(duì)燃料燃燒、吸煙以及不同場(chǎng)合的VOC的排放、室內(nèi)裝修及家具帶來(lái)的污染、室內(nèi)環(huán)境污染的治理、對(duì)人體的健康效應(yīng)的評(píng)價(jià)以及對(duì)氡的檢測(cè)等幾個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)研究上。對(duì)室內(nèi)空氣氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和污染物在空氣中的分布的研究正處于剛剛起步的階段。目前國(guó)內(nèi)只有幾家科研單位和大專院校做了有關(guān)室內(nèi)環(huán)境CFD方面的研究工作。通過(guò)使用CFD技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：結(jié)合室內(nèi)污染源釋放擴(kuò)散模型，利用室內(nèi)建材和裝飾材料源釋放數(shù)據(jù)庫(kù)，可以掌握室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況和變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣的污染程度，評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)，指導(dǎo)建材和裝飾材料的使用，減少由于室內(nèi)空氣品質(zhì)低劣導(dǎo)致病態(tài)建筑出現(xiàn)的可能性；結(jié)合空氣凈化器模型，優(yōu)化送回風(fēng)方式和空氣凈化器擺放位置，使空氣凈化器效率達(dá)到高[10]。
由于數(shù)值模擬相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),比如成本低,周期短,能獲得完整的數(shù)據(jù),能模擬出實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各種所測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)，對(duì)于設(shè)計(jì)、改造等商業(yè)或?qū)嶒?yàn)室應(yīng)用起到重要的指導(dǎo)作用,因而CFD技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[11~14]。在環(huán)境方面的應(yīng)用主要包括以下幾部分：河流中污染物的擴(kuò)散規(guī)律的研究；汽車尾氣對(duì)街道環(huán)境污染的分析以及室內(nèi)空氣氣流及污染物的分布[15~17]。
3.1 室內(nèi)空氣質(zhì)量與熱舒適
從20世紀(jì)20年代起，由人們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)引起的吹風(fēng)感的抱怨開(kāi)始，產(chǎn)生了空氣流動(dòng)對(duì)熱舒適影響的研究。50年代末，對(duì)熱舒適的研究進(jìn)入高潮。從研究空氣平均速度對(duì)熱舒適性的影響到研究氣流脈動(dòng)強(qiáng)度、氣流脈動(dòng)頻率對(duì)人體熱感覺(jué)的影響。而對(duì)吹風(fēng)感的研究多基于實(shí)驗(yàn)研究，這給CFD的理論研究積累了大量的數(shù)據(jù)?；诖?，CFD學(xué)者們可以對(duì)不同的置換通風(fēng)系統(tǒng)中的氣流平均速度、脈動(dòng)強(qiáng)度及脈動(dòng)頻率特性進(jìn)行模擬，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，提出可以有效評(píng)價(jià)吹風(fēng)感的參數(shù)及其數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的吹風(fēng)感的預(yù)測(cè)。
置換通風(fēng)是建筑通風(fēng)常用的形式，包含兩種不同的對(duì)流方式：一種是由離散熱源與污染源浮升力作用引起的自然對(duì)流；另一種是由外界機(jī)械通風(fēng)引起的強(qiáng)迫對(duì)流。因此，室內(nèi)實(shí)際的空氣流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)特性應(yīng)該由上述兩種對(duì)流之間的相互作用來(lái)決定。
日本東京大學(xué)的Marahami[20]利用低雷諾數(shù)K-ε湍流模型和Gagge的人體兩節(jié)點(diǎn)模型，模擬計(jì)算了人體與環(huán)境熱濕傳遞過(guò)程中人體周圍的空氣溫度、濕度、空氣流速分布，模擬計(jì)算結(jié)果與對(duì)真人和暖體假人的實(shí)測(cè)結(jié)果相近。利用模擬計(jì)算結(jié)果可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各種室內(nèi)熱環(huán)境下人體的熱感覺(jué)。日本開(kāi)發(fā)了用于人體熱舒適評(píng)價(jià)和室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)的軟件，并將PMV、空氣齡等指標(biāo)的計(jì)算問(wèn)題編入CFD軟件[21]。
美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT) [22]開(kāi)發(fā)了幾個(gè)雷諾平均納維-斯托克斯RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程模型(如雙層K-ε紊流模型和零方程模型的CFD程序)和大渦模擬LES(Large Eddy Simulation)程序，用于模擬計(jì)算帶有置換通風(fēng)的辦公建筑室內(nèi)空氣流速和溫度，進(jìn)行建筑物能量分析和室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)建筑物自然通風(fēng)效果，研究建筑材料的揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC釋放和室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)題。
徐玉黨和張莉[23]通過(guò)模擬計(jì)算某房間各個(gè)截面上溫度、速度和湍流強(qiáng)度的分布，來(lái)預(yù)測(cè)出整個(gè)房間的熱舒適度。在數(shù)值模擬可視圖中，可以看到房間內(nèi)的溫度場(chǎng)沒(méi)有熱分層現(xiàn)象，且溫度梯度變化不大。計(jì)算方法表明，在相同的空氣強(qiáng)度和流速條件下，高湍流強(qiáng)度的氣流比低湍流強(qiáng)度的氣流更容易產(chǎn)生冷吹風(fēng)感，從而引發(fā)人體舒適性問(wèn)題。
3.2 室內(nèi)空氣質(zhì)量與建筑通風(fēng)
通風(fēng)房間內(nèi)，新風(fēng)量和風(fēng)口位置決定著室內(nèi)空氣的溫度、相對(duì)濕度以及污染物的分布。因此有效的通風(fēng)和合理的氣流組織對(duì)于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，控制室 內(nèi)空氣污染物水平，保證實(shí)現(xiàn)健康建筑有著重要的意義。
目前對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的CFD模擬較好地考慮了熱源浮升力對(duì)室內(nèi)氣流的驅(qū)動(dòng)作用，而很少考慮室內(nèi)污染物濃度差對(duì)空氣流動(dòng)的影響。盡管前者的影響比后者更為明顯，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)室內(nèi)污染物濃度近一半超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人體健康產(chǎn)生了重要影響的事實(shí)，使人們意識(shí)到污染物濃度差對(duì)室內(nèi)氣流的影響與驅(qū)動(dòng)作用已是不容忽視的。特別是，隨著近年來(lái)地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)或置換通風(fēng)系統(tǒng)的廣泛采用，熱與污染物浮升力作用相當(dāng)，必須同時(shí)給予考慮。
Tatsuya等[24]利用ｋ-ε湍流模型，模擬呈站立、仰臥和坐姿三種狀態(tài)的個(gè)體人群周圍的氣流及污染物濃度的分布情況。由于人體呼出的空氣量很少，不足以影響室內(nèi)空氣流場(chǎng)，因此，在邊界條件的設(shè)置中把人嘴設(shè)置為排風(fēng)口（exhaust fan），并且考慮到呼吸區(qū)的氣流受到由人體新陳代謝產(chǎn)生熱量而呈上升狀態(tài)的影響，設(shè)人體熱流分別為站立：20.0 W/m2, 坐姿：20.3 W/m2,仰臥：30.1 W/m2。此物理模型考慮到了人體的呼吸及其自身代謝的熱量，與實(shí)際情況更相符。得到存在污染源（地板）的情況下，人體周圍污染物濃度的分布。另外，研究過(guò)程中Tatsuya等定義了更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的污染物吸入效應(yīng)指數(shù)（IECI），用來(lái)評(píng)價(jià)污染物的擴(kuò)散對(duì)人體的危害效應(yīng)。
山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院的劉玉峰，徐永清[25]利用CFD商用程序，對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兩種常用氣流組織方式(上送上回式以及上送下回式氣流組織方式)的室內(nèi)復(fù)合型木制裝飾材料所釋放的揮發(fā)性有機(jī)物(以甲醛為評(píng)價(jià)指標(biāo))的濃度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：不同氣流組織方式下，室內(nèi)污染物的分布特性、空氣交換效率相差較大。比較而言，上送下回氣流組織方式優(yōu)于上送上回氣流組織方式，其工作區(qū)污染物濃度和空氣交換效率較高。
上海大學(xué)的徐麗等[26]采用雷諾平均的N-S方程與RNG的κ–ε渦粘性湍流模型，針對(duì)三種不同通風(fēng)方案對(duì)內(nèi)設(shè)障礙物、污染源和集中熱源的房間內(nèi)的三維速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及污染物CO2的濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。并給出了x=1m，x=1.8m和x=2.7m三個(gè)剖面上沿房間高度方向的CO2濃度分布圖。得出結(jié)論：在相同的條件下,置換通風(fēng)方式可獲得好的IAQ。因?yàn)樯线M(jìn)上出通風(fēng)房間內(nèi)的CO2濃度達(dá)到幾萬(wàn)ppm,已遠(yuǎn)超出IAQ評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。上側(cè)進(jìn)上側(cè)出通風(fēng)方式則介于二者之間，但也超標(biāo)。
另外，文獻(xiàn)[26]還給出了污染物的質(zhì)量組份的對(duì)流-擴(kuò)散方程,介紹了通風(fēng)效率的概念。通過(guò)對(duì)三種通風(fēng)方式的氣流組織和室內(nèi)空氣品質(zhì)的比較得出,置換通風(fēng)可使室內(nèi)工作區(qū)得到較高的空氣品質(zhì)、較高的熱舒適性,并具有較高的通風(fēng)效率。
4 展 望
自從1974年,丹麥的Nilsen首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程，模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)情況后，近年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在建筑環(huán)境模擬中的應(yīng)用日趨廣泛與成熟，并逐步成為人們認(rèn)識(shí)與評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣環(huán)境的重要手段與工具。因?yàn)镃FD數(shù)值模擬得到的微觀數(shù)據(jù)分布，如空氣流速、溫度與污染物濃度等，是設(shè)計(jì)與控制健康舒適室內(nèi)空氣環(huán)境的依據(jù)[27]。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，可以形象、直觀、快捷地對(duì)室內(nèi)氣流流動(dòng)形成的微環(huán)境做出分析和評(píng)價(jià)，這不僅便于讓各類技術(shù)人員了解和把握室內(nèi)空氣及其污染物的分布規(guī)律，同時(shí)也是優(yōu)化建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)的有力工具[28]。
目前用CFD模擬室內(nèi)空氣狀況還存在以下問(wèn)題：（1）無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，用CFD技術(shù)模擬的室內(nèi)空氣污染物分布情況大都是針對(duì)甲醛和二氧化碳，對(duì)于苯、甲苯等室內(nèi)空氣濃度中危害較大的致癌性污染物進(jìn)行模擬測(cè)定的還很少；（2）在模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定相比較的基礎(chǔ)上，為了得到更優(yōu)化的模型，還要注重不同模型所得結(jié)果之間的對(duì)比； （3）由于現(xiàn)階段對(duì)室內(nèi)空氣污染物的檢測(cè)是在房間密閉的情況下進(jìn)行的，因此，對(duì)密閉房間的模擬也有一定的現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)今，多數(shù)學(xué)者都在研究通風(fēng)房間的氣流及污染物狀況，對(duì)于密閉房間研究甚少。
綜上所述， CFD技術(shù)可以對(duì)室內(nèi)氣流組織特性和污染物傳播規(guī)律進(jìn)行模擬，為評(píng)估室內(nèi)空氣品質(zhì)和研究人體舒適性提供有力依據(jù)。但是需要選擇合理的數(shù)學(xué)模型和離散方法，設(shè)置符合實(shí)際的邊界條件，模擬結(jié)果才能與實(shí)際相符。它減少了研究者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng)，可以將更多的精力和時(shí)間投入到考慮問(wèn)題的本質(zhì)，優(yōu)化算法的選用，參數(shù)的設(shè)定等方面。因此，作為一種新學(xué)科，CFD將會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展而日趨成熟，并且將在環(huán)境領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。
1 室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)
研究發(fā)現(xiàn)，病態(tài)建筑物綜合癥（sick building syndrome，SBS）[1]及隨之產(chǎn)生的工作效率的下降等都直接或間接地與室內(nèi)空氣品質(zhì)（indoor air quality，IAQ）有關(guān)，所以對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)具有非常重要的意義。室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)可以做到：①掌握室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況和變化趨勢(shì)，以便有效預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣的污染程度；②評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣污染對(duì)人體健康的影響以及室內(nèi)人員的接受程度，為制訂室內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)；③弄清污染源與室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)系，為建筑設(shè)計(jì)、衛(wèi)生防疫、污染控制提供依據(jù)。
室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)是人們認(rèn)識(shí)室內(nèi)環(huán)境的一種科學(xué)方法，它是隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境重要性認(rèn)識(shí)不斷加深而提出的新概念。國(guó)際上通常選用CO2、CO、甲醛、可吸入性微粒、NOx、SO2、室內(nèi)細(xì)菌總數(shù)、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、照度以及噪聲共12個(gè)指標(biāo)[2]來(lái)定量地反映室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。我國(guó)則選用溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、新風(fēng)量、SO2、NO2、CO、CO2、NH3、O3、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、苯并[a]芘B(a)P、可吸入顆粒物、總揮發(fā)性有機(jī)物、菌落總數(shù)、氡共19項(xiàng)指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外普遍運(yùn)用的室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)方法有主觀評(píng)價(jià)法、客觀評(píng)價(jià)法和主客觀相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)法[3]。其中較為成熟的客觀評(píng)價(jià)法有室內(nèi)空氣污染物的檢測(cè)評(píng)價(jià)法和CFD數(shù)值模擬法。污染物檢測(cè)評(píng)價(jià)法是指選擇具有代表性的污染物作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)采樣分析測(cè)定該污染物濃度，后對(duì)照室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)做出檢測(cè)報(bào)告，得出室內(nèi)環(huán)境是否達(dá)標(biāo)。這種方法非常直觀，從檢測(cè)報(bào)告中可以看出室內(nèi)污染物的超標(biāo)倍數(shù)。但是該方法的分析測(cè)定結(jié)果只能反映室內(nèi)污染物在極限狀態(tài)下的平均濃度，而不能反映通風(fēng)狀況下空間各點(diǎn)污染物的濃度分布。
CFD (Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué))數(shù)值模擬法是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。它可以模擬室內(nèi)空氣中氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和污染物在空氣中的分布狀況。簡(jiǎn)單地說(shuō),該方法就是在計(jì)算機(jī)上虛擬地做實(shí)驗(yàn)，依據(jù)室內(nèi)空氣流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型,將房間劃分為小的控制體,把控制空氣流動(dòng)的連續(xù)的微分方程組離散為非連續(xù)的代數(shù)方程組,然后結(jié)合實(shí)際的邊界條件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值求解。只要?jiǎng)澐值目刂企w足夠小就可認(rèn)為離散區(qū)域上的離散值代表整個(gè)房間內(nèi)空氣分布情況[4]。其理論依據(jù)是質(zhì)量、動(dòng)量以及能量三大守恒定律[5~7]
2 CFD計(jì)算方法及模型
室內(nèi)大部分氣流屬于湍流，數(shù)值計(jì)算中湍流粘性占主導(dǎo)地位，僅在壁面附近為層流。由于室內(nèi)空氣流動(dòng)雷諾數(shù)（Re）較大，故通風(fēng)房間可模擬為一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的三維湍流問(wèn)題，一般采用標(biāo)準(zhǔn)的K-ε兩方程模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。CFD計(jì)算方法主要有三種：差分法、有限元法、有限體積法。
描述室內(nèi)空氣環(huán)境氣流的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象以及污染物的擴(kuò)散傳質(zhì)現(xiàn)象的微分方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、氣體組分方程等,它們可統(tǒng)一寫成如下的標(biāo)準(zhǔn)形式 ：
式中，φ為微分方程的因變量，它取1時(shí)代表連續(xù)方程，取ui, T, k, ε, m,分別對(duì)應(yīng)于速度、溫度、湍流動(dòng)能、湍流動(dòng)能和氣體組分方程，Γφ為擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。
通常采用有限差分法進(jìn)行離散,再用某種離散算法，比如SIMPLE方法求解。具體求解時(shí)，可借助于功能強(qiáng)大的商用CFD軟件(如FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDAP等) [9]，利用它們直觀而便捷的操作迅速完成計(jì)算,而讓專業(yè)人員專注于所探討的問(wèn)題本身。
3 CFD在室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用
目前國(guó)外所從事的室內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)工作主要集中在病態(tài)建筑物綜合癥(SBS)的成因及預(yù)防、氡(Rn)輻射的控制、室內(nèi)環(huán)境污染與人類健康等方面。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，由于呈病態(tài)建筑物綜合癥狀（SBS）的人數(shù)急劇增加，因此，各國(guó)投入了大量的人力和財(cái)力從事室內(nèi)環(huán)境問(wèn)題的研究和開(kāi)發(fā)工作。近年來(lái)CFD 技術(shù)已成為對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)（如空氣溫度、濕度、空氣速度、污染物濃度）進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)的重要工具。由于室內(nèi)污染物的多樣性、微量性和累積性,許多研究機(jī)構(gòu)投巨資建立了專門用于室內(nèi)環(huán)境研究的受控環(huán)境艙(Controlled Environment Chamber, CEC)，如美國(guó)勞倫斯·伯克利實(shí)驗(yàn)室(LBNL)的室內(nèi)環(huán)境系和丹麥理工大學(xué)的室內(nèi)環(huán)境和能源國(guó)際中心(ICIEE)等，因而占據(jù)著此領(lǐng)域的地位。目前，勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在使用埃施朗公司的LonWorks技術(shù)開(kāi)發(fā)一個(gè)供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的原型，以改善加州85000個(gè)可移動(dòng)教室(portable classroom)的室內(nèi)空氣質(zhì)量。丹麥理工大學(xué)的室內(nèi)環(huán)境和能源國(guó)際中心的研究主要集中在人體熱舒適、室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)對(duì)人體健康、舒適和工作效率的影響以及個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。他們正在用CFD技術(shù)模擬室內(nèi)暖體假人（thermal manikin）周圍的流場(chǎng)分布，從事人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境的感知機(jī)理，人體與環(huán)境之間的對(duì)流、輻射等熱交換形式的理論和實(shí)驗(yàn)研究，期待得到室內(nèi)尤其是人體周圍的溫度和污染物濃度分布。
我國(guó)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的研究的深度和廣度上還很有限，大多數(shù)研究集中在對(duì)燃料燃燒、吸煙以及不同場(chǎng)合的VOC的排放、室內(nèi)裝修及家具帶來(lái)的污染、室內(nèi)環(huán)境污染的治理、對(duì)人體的健康效應(yīng)的評(píng)價(jià)以及對(duì)氡的檢測(cè)等幾個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)研究上。對(duì)室內(nèi)空氣氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和污染物在空氣中的分布的研究正處于剛剛起步的階段。目前國(guó)內(nèi)只有幾家科研單位和大專院校做了有關(guān)室內(nèi)環(huán)境CFD方面的研究工作。通過(guò)使用CFD技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：結(jié)合室內(nèi)污染源釋放擴(kuò)散模型，利用室內(nèi)建材和裝飾材料源釋放數(shù)據(jù)庫(kù)，可以掌握室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況和變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣的污染程度，評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)，指導(dǎo)建材和裝飾材料的使用，減少由于室內(nèi)空氣品質(zhì)低劣導(dǎo)致病態(tài)建筑出現(xiàn)的可能性；結(jié)合空氣凈化器模型，優(yōu)化送回風(fēng)方式和空氣凈化器擺放位置，使空氣凈化器效率達(dá)到高[10]。
由于數(shù)值模擬相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),比如成本低,周期短,能獲得完整的數(shù)據(jù),能模擬出實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各種所測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)，對(duì)于設(shè)計(jì)、改造等商業(yè)或?qū)嶒?yàn)室應(yīng)用起到重要的指導(dǎo)作用,因而CFD技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[11~14]。在環(huán)境方面的應(yīng)用主要包括以下幾部分：河流中污染物的擴(kuò)散規(guī)律的研究；汽車尾氣對(duì)街道環(huán)境污染的分析以及室內(nèi)空氣氣流及污染物的分布[15~17]。
3.1 室內(nèi)空氣質(zhì)量與熱舒適
從20世紀(jì)20年代起，由人們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)引起的吹風(fēng)感的抱怨開(kāi)始，產(chǎn)生了空氣流動(dòng)對(duì)熱舒適影響的研究。50年代末，對(duì)熱舒適的研究進(jìn)入高潮。從研究空氣平均速度對(duì)熱舒適性的影響到研究氣流脈動(dòng)強(qiáng)度、氣流脈動(dòng)頻率對(duì)人體熱感覺(jué)的影響。而對(duì)吹風(fēng)感的研究多基于實(shí)驗(yàn)研究，這給CFD的理論研究積累了大量的數(shù)據(jù)?；诖?，CFD學(xué)者們可以對(duì)不同的置換通風(fēng)系統(tǒng)中的氣流平均速度、脈動(dòng)強(qiáng)度及脈動(dòng)頻率特性進(jìn)行模擬，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，提出可以有效評(píng)價(jià)吹風(fēng)感的參數(shù)及其數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的吹風(fēng)感的預(yù)測(cè)。
置換通風(fēng)是建筑通風(fēng)常用的形式，包含兩種不同的對(duì)流方式：一種是由離散熱源與污染源浮升力作用引起的自然對(duì)流；另一種是由外界機(jī)械通風(fēng)引起的強(qiáng)迫對(duì)流。因此，室內(nèi)實(shí)際的空氣流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)特性應(yīng)該由上述兩種對(duì)流之間的相互作用來(lái)決定。
日本東京大學(xué)的Marahami[20]利用低雷諾數(shù)K-ε湍流模型和Gagge的人體兩節(jié)點(diǎn)模型，模擬計(jì)算了人體與環(huán)境熱濕傳遞過(guò)程中人體周圍的空氣溫度、濕度、空氣流速分布，模擬計(jì)算結(jié)果與對(duì)真人和暖體假人的實(shí)測(cè)結(jié)果相近。利用模擬計(jì)算結(jié)果可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各種室內(nèi)熱環(huán)境下人體的熱感覺(jué)。日本開(kāi)發(fā)了用于人體熱舒適評(píng)價(jià)和室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)的軟件，并將PMV、空氣齡等指標(biāo)的計(jì)算問(wèn)題編入CFD軟件[21]。
美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT) [22]開(kāi)發(fā)了幾個(gè)雷諾平均納維-斯托克斯RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程模型(如雙層K-ε紊流模型和零方程模型的CFD程序)和大渦模擬LES(Large Eddy Simulation)程序，用于模擬計(jì)算帶有置換通風(fēng)的辦公建筑室內(nèi)空氣流速和溫度，進(jìn)行建筑物能量分析和室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)建筑物自然通風(fēng)效果，研究建筑材料的揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC釋放和室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)題。
徐玉黨和張莉[23]通過(guò)模擬計(jì)算某房間各個(gè)截面上溫度、速度和湍流強(qiáng)度的分布，來(lái)預(yù)測(cè)出整個(gè)房間的熱舒適度。在數(shù)值模擬可視圖中，可以看到房間內(nèi)的溫度場(chǎng)沒(méi)有熱分層現(xiàn)象，且溫度梯度變化不大。計(jì)算方法表明，在相同的空氣強(qiáng)度和流速條件下，高湍流強(qiáng)度的氣流比低湍流強(qiáng)度的氣流更容易產(chǎn)生冷吹風(fēng)感，從而引發(fā)人體舒適性問(wèn)題。
3.2 室內(nèi)空氣質(zhì)量與建筑通風(fēng)
通風(fēng)房間內(nèi)，新風(fēng)量和風(fēng)口位置決定著室內(nèi)空氣的溫度、相對(duì)濕度以及污染物的分布。因此有效的通風(fēng)和合理的氣流組織對(duì)于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，控制室 內(nèi)空氣污染物水平，保證實(shí)現(xiàn)健康建筑有著重要的意義。
目前對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的CFD模擬較好地考慮了熱源浮升力對(duì)室內(nèi)氣流的驅(qū)動(dòng)作用，而很少考慮室內(nèi)污染物濃度差對(duì)空氣流動(dòng)的影響。盡管前者的影響比后者更為明顯，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)室內(nèi)污染物濃度近一半超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人體健康產(chǎn)生了重要影響的事實(shí)，使人們意識(shí)到污染物濃度差對(duì)室內(nèi)氣流的影響與驅(qū)動(dòng)作用已是不容忽視的。特別是，隨著近年來(lái)地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)或置換通風(fēng)系統(tǒng)的廣泛采用，熱與污染物浮升力作用相當(dāng)，必須同時(shí)給予考慮。
Tatsuya等[24]利用ｋ-ε湍流模型，模擬呈站立、仰臥和坐姿三種狀態(tài)的個(gè)體人群周圍的氣流及污染物濃度的分布情況。由于人體呼出的空氣量很少，不足以影響室內(nèi)空氣流場(chǎng)，因此，在邊界條件的設(shè)置中把人嘴設(shè)置為排風(fēng)口（exhaust fan），并且考慮到呼吸區(qū)的氣流受到由人體新陳代謝產(chǎn)生熱量而呈上升狀態(tài)的影響，設(shè)人體熱流分別為站立：20.0 W/m2, 坐姿：20.3 W/m2,仰臥：30.1 W/m2。此物理模型考慮到了人體的呼吸及其自身代謝的熱量，與實(shí)際情況更相符。得到存在污染源（地板）的情況下，人體周圍污染物濃度的分布。另外，研究過(guò)程中Tatsuya等定義了更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的污染物吸入效應(yīng)指數(shù)（IECI），用來(lái)評(píng)價(jià)污染物的擴(kuò)散對(duì)人體的危害效應(yīng)。
山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院的劉玉峰，徐永清[25]利用CFD商用程序，對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兩種常用氣流組織方式(上送上回式以及上送下回式氣流組織方式)的室內(nèi)復(fù)合型木制裝飾材料所釋放的揮發(fā)性有機(jī)物(以甲醛為評(píng)價(jià)指標(biāo))的濃度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：不同氣流組織方式下，室內(nèi)污染物的分布特性、空氣交換效率相差較大。比較而言，上送下回氣流組織方式優(yōu)于上送上回氣流組織方式，其工作區(qū)污染物濃度和空氣交換效率較高。
上海大學(xué)的徐麗等[26]采用雷諾平均的N-S方程與RNG的κ–ε渦粘性湍流模型，針對(duì)三種不同通風(fēng)方案對(duì)內(nèi)設(shè)障礙物、污染源和集中熱源的房間內(nèi)的三維速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及污染物CO2的濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。并給出了x=1m，x=1.8m和x=2.7m三個(gè)剖面上沿房間高度方向的CO2濃度分布圖。得出結(jié)論：在相同的條件下,置換通風(fēng)方式可獲得好的IAQ。因?yàn)樯线M(jìn)上出通風(fēng)房間內(nèi)的CO2濃度達(dá)到幾萬(wàn)ppm,已遠(yuǎn)超出IAQ評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。上側(cè)進(jìn)上側(cè)出通風(fēng)方式則介于二者之間，但也超標(biāo)。
另外，文獻(xiàn)[26]還給出了污染物的質(zhì)量組份的對(duì)流-擴(kuò)散方程,介紹了通風(fēng)效率的概念。通過(guò)對(duì)三種通風(fēng)方式的氣流組織和室內(nèi)空氣品質(zhì)的比較得出,置換通風(fēng)可使室內(nèi)工作區(qū)得到較高的空氣品質(zhì)、較高的熱舒適性,并具有較高的通風(fēng)效率。
4 展 望
自從1974年,丹麥的Nilsen首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程，模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)情況后，近年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在建筑環(huán)境模擬中的應(yīng)用日趨廣泛與成熟，并逐步成為人們認(rèn)識(shí)與評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣環(huán)境的重要手段與工具。因?yàn)镃FD數(shù)值模擬得到的微觀數(shù)據(jù)分布，如空氣流速、溫度與污染物濃度等，是設(shè)計(jì)與控制健康舒適室內(nèi)空氣環(huán)境的依據(jù)[27]。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，可以形象、直觀、快捷地對(duì)室內(nèi)氣流流動(dòng)形成的微環(huán)境做出分析和評(píng)價(jià)，這不僅便于讓各類技術(shù)人員了解和把握室內(nèi)空氣及其污染物的分布規(guī)律，同時(shí)也是優(yōu)化建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)的有力工具[28]。
目前用CFD模擬室內(nèi)空氣狀況還存在以下問(wèn)題：（1）無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，用CFD技術(shù)模擬的室內(nèi)空氣污染物分布情況大都是針對(duì)甲醛和二氧化碳，對(duì)于苯、甲苯等室內(nèi)空氣濃度中危害較大的致癌性污染物進(jìn)行模擬測(cè)定的還很少；（2）在模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定相比較的基礎(chǔ)上，為了得到更優(yōu)化的模型，還要注重不同模型所得結(jié)果之間的對(duì)比； （3）由于現(xiàn)階段對(duì)室內(nèi)空氣污染物的檢測(cè)是在房間密閉的情況下進(jìn)行的，因此，對(duì)密閉房間的模擬也有一定的現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)今，多數(shù)學(xué)者都在研究通風(fēng)房間的氣流及污染物狀況，對(duì)于密閉房間研究甚少。
綜上所述， CFD技術(shù)可以對(duì)室內(nèi)氣流組織特性和污染物傳播規(guī)律進(jìn)行模擬，為評(píng)估室內(nèi)空氣品質(zhì)和研究人體舒適性提供有力依據(jù)。但是需要選擇合理的數(shù)學(xué)模型和離散方法，設(shè)置符合實(shí)際的邊界條件，模擬結(jié)果才能與實(shí)際相符。它減少了研究者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng)，可以將更多的精力和時(shí)間投入到考慮問(wèn)題的本質(zhì)，優(yōu)化算法的選用，參數(shù)的設(shè)定等方面。因此，作為一種新學(xué)科，CFD將會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展而日趨成熟，并且將在環(huán)境領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。