健身房室内空气质量数值模拟分析.pdf

年 月第卷 第 期沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:郝红()女教授主要从事室内空气品质改善与供热系统节能等方面研究文章编号:():./.:.健身房室内空气质量数值模拟分析郝 红罗 雯石贵文董洪君徐 丽(沈阳建筑大学市政与环境工程学院辽宁 沈阳)摘 要 目的 研究健身房内的空气质量分析健身房环境的影响因素为打造健康锻炼环境提供设计参考 方法 实测健身房室内的温度、相对湿度、风速、污染物质量浓度使用 软件对夏季开馆初期以及人员高峰期时健身房室内的污染物质量浓度、温度、风速等分布进行模拟 结果 模拟得到开馆初期室内 存在明显的堆积为 /与实测值相差 人员高峰期时操厅及私教室区域 堆积严重体积分数平均体积分数约 与实测值差 同时室内温度明显升高 结论 健身房开馆初期空调系统难以在短时间内排出室内堆积的 人员高峰期时通风系统难以将 及时排出或稀释同时人员的密集使得室内温度不断升高室内气流存在死角关键词 室内空气质量数值模拟污染物中图分类号 文献标志码 ():./.沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷 .:健身房在装修过程中使用大量的防震胶垫、复合地板以及橡胶制品等装饰装修材料这些材料会释放出甲醛、苯等含挥发性有机化合物的有害气体 健身房一般设置在商场内室内空气不通畅换气次数不足导致大量有害气体无法及时排出严重污染了健身房的空气环境 空气污染可降低有氧运动爱好者心肺功能储备和最大有氧代谢能力机体吸入的有毒物质会更多更容易诱发呼吸、心血管及神经系统疾病 在受污染的环境中锻炼人的身体会因吸入有毒物质而受到损害健身环境与健身效果之间存在着微妙而复杂的关系 只有在健康的环境中锻炼才能达到良好的健身效果 等在建筑物室内空气中共测到 种物质其中有 种被确定 为 优 先 污 染 物.研究得出长期接触颗粒物与患支气管炎、肺功能丧失、肺癌以及其他呼吸系统疾病有关增加健康风险和疾病发生率陆大江等提出健身房室内温度、湿度、二氧化碳浓度、空气细菌总数等随运动时间的延长呈现上升趋势 周波等通过实地测量和问卷调查调研了长沙 所健身房发现普遍存在严重的室内空气与噪声的污染 基于此笔者对健身房空气品质进行调查研究利用 软件对夏季开馆初期以及人员高峰期时健身房室内的污染物质量浓度、温度、风速等分布进行模拟得出、以及温度、风速等在室内的分布规律经与实测值比较准确性得到了验证为建设良好的大众健身环境提供参考 健身房空气品质调查与分析 测 试选取位于沈阳市某商场 楼的健身房作为研究对象 测试时间为营业时间从到 测试期间建筑内部无装修装饰翻新工作室内无人员吸烟在健身房内选取休息区、有氧区、器械区、力量区、操厅、私教室设置测试点 空气品质测试参数为 个:温度、相对湿度、风速、甲醛、总挥发性有机物、可吸入颗粒物 和 测试时间为冬季、春季、夏季、秋季 个季节每个季节选取 个工作日、个休息日作为测试日将每天测试时间分为 个时间段从上午 开始至结束在每个时间段内测试室内的 个测试点的 个参数 由于健身房属于类民用建筑工程根据室内空气质量标准(/)和民用建筑工程室内环境污染控制规范()设定污染物的限值(标准值)现场实地测试共收集 组数据 表 为健身房室内污染物水平表 为不同季节室内热湿参数和空气污染物测试结果表 室内污染物水平 指标()/()(甲醛)/()()/()/()最小值 最大值 平均值 标准值 第 期郝 红等:健身房室内空气质量数值模拟分析 表 不同季节室内热湿参数和空气污染物测试结果 季节温度/相对湿度/风速/()()/()(甲醛)/()()/()/()冬季 春季 夏季 秋季 测试结果分析对健身房空气污染物与舒适性进行分析从表、表 可以看出 质量浓度在 /年 平 均 值 达 到 了 /超出标准值 测试点超标数为 个(次)测点超标率为 其中夏季污染情况最为严重 甲醛质量浓度水平整体不高季节差异不大年平均值为 /未超出标准值但存在 个测试点(次)超标测点超标率为 体积分数与室内人数有关所以波动较大体积分 数 在 平 均 值 为 年平均值未超出标准值测点超标数为 次测点超标率为 在人员高峰期时室内 体积分数超标严重 质量浓度从测试数据上来看全年整体较好均在标准值 /以下符合民用建筑工程室内环境污染控制规范()要求 从表 可以看出只在夏季人员高峰期时出现室内偏热、在冬季人员较少时出现室内温度偏低、室内风速偏小现象除此之外室内温度和湿度基本能保持在室内空气质量标准(/)规定范围内 综上实际测得的数据显示相对湿度、甲醛、等指标没有超标在限值要求之内所以不进行模拟研究选取对室内空气质量影响较大的、温度和风速进行模拟研究 健身房数值模型 健身房模型建立依据健身房的建筑设计图纸笔者以 软件中的 平台建立健身房模型如图 所示图 健身房模型 健身房长 宽 高为 在建立模型的过程中去除了消防楼梯、男女浴室以及卫生间部分 整个房间内部有两道隔墙分别隔开了私教室和操厅内墙高度 操厅北侧落地窗和东侧落地窗长 宽为 健身房内共有 个承重柱横截面边长为 健身房内采用风机盘管加独立新风的空调系统在浴室内部设有排风口其余场所主要依靠门窗渗透排风入户门常年开启并与电梯间联通 建立模型过程对风口进行了下沉处理确保模型中风口高度与实际高度相同 房间内有新风送风口 个长 宽为 风机盘管机组 组送风口长 宽为 回风口长 宽为 边界条件设置健身房模型的边界条件如表 所示 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷表 边界条件设置 编号边界名称类型数量/个风机盘管送风口速度入口风机盘管回风口压力出口新风送风口速度入口外墙壁面内墙壁面承重柱壁面天花板壁面地面人体模型质量流量入口外窗 速度入口外窗 压力出口入户门压力出口 释放量的设定 的散发速率是以时间为变量的函数通过将地面的污染物散发速率拟合成指数曲线然后将()函数导入 设置界面中作为地面的释放污染物的边界条件这种非稳态释放速率的设定主要适用于密闭房间内 分布的模拟因此采用非稳态的释放源作为边界条件模拟健身房室内的 分布利用 数据处理软件将测得的 释放速率拟合成与时间 相关的指数函数得到 释放速率方程:(/)()式中:为释放速率/()为时间图 为室内 释放速率拟合曲线由图可见拟合效果很好图 室内 释放速率拟合曲线 释放量的设定健身房内的 主要来源于室内人员运动时的呼吸 人体在呼吸时的耗氧量和的排出量主要取决于人体的代谢率排出量与代谢率的关系:.()式中:为在 、条件下人体单位时间内产生 的速率/为代谢率/为人体表面积代谢率的实验回归式为().()式中:为呼吸熵单位时间内呼出的 和吸入的 物质的量比为在 、条件下人体单位时间消耗 的速率/人 体 表 面 积 的 计 算 方 法 是 由.在 年提出的 .()式中:为所求人员的身高为所求人员的体重根据该健身房室的实际情况模型中取室内人员身高为 体重为 由式()计算得到人体表面积的值为 根据室内人员的活动强度以及心律情况分析认定为高强度锻炼状态即健身房室内人员处于重劳动状态因此耗氧量取值 /一般成人在重劳动时呼吸熵取值为 由式()计算可得人员的代谢率为 /最后通过式()计算可得知健身房室内人员的释放速率为 /将通过式()计算所得的人员 释放速率 /进行单位换算得到室内人员的 释放速率为 /(人)介于中等和重度活动强度之间所得模拟计算结果与文献中给出的结果相近符合实际情况说明模拟方法可行 当室内温度为、气压为 时 理想气第 期郝 红等:健身房室内空气质量数值模拟分析 体的摩尔体积约为 /的摩尔质量是 /因此得到健身房室内每个人释放 的速率为 /求解器和收敛条件()求解器的参数设置在 操作界面中求解器的参数具体设置情况如表 所示表 求解器参数设置 设置类别设置参数空间属性三维空间()时间属性稳态()、非稳态()解算方式压力基耦合求解器()差分方程隐式()速度方程绝对坐标()控制方程能量方程()、湍流方程(方程)、组分方程()()收敛条件设置为了使得模拟计算结果更加准确需要在残差监视中对计算项目的残差值进行设定以此来确定计算达到收敛条件代数方程的求解依此结束 在该健身房室内污染物模拟过程中各个项目的收敛残差设置如表 所示表 收敛条件的残差值 计算残差项目残差值连续性方程.方向速度.方向速度.方向速度.能量方程.湍流动能方程().湍流能量耗散率方程().模拟结果与分析采用 后处理软件对模拟计算结果进行处理 依据人口鼻的高度设定高度 水平面为人员坐姿呼吸平面、高度 水平面为站姿呼吸平面然后分析这两个参考平面上的各种污染物、温度和风速变化规律 根据生成的数据得到分布云图 开馆初期室内环境模拟分析现场测试发现该健身房在开馆初期室内的 超标严重 因此将 质量浓度、温度、风速作为评价指标对夏季健身房开馆初期室内空气环境进行模拟根据健身房开馆初期的实际测试结果设定新风的送风速度为 /送风温度为 风机盘管的送风速度为 /送风温度为 再利用 函数将 非稳态释放速率的方程导入 中作为地面的 释放边界条件 当模拟计算达到收敛后经后处理分别得到 和 两个参考平面的 质量浓度、温度、风速分布如图、图、图 所示图 开馆初期室内 分布 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷图 开馆初期室内温度分布 由图 可以看出经过了 的密闭使得室内的 质量浓度升高并且在力量区、器械区和私教室均有明显的堆积 模拟结果显示在 平面上 质量浓度值为 /在 平面上 质量浓度值为 /平面污染更为严重 在健身房入口处的休息区和邻近风口位置 质量浓度较低质量浓度为 /在靠近力量区和私教室的位置 的质量浓度达到 /接近标准值的 倍 可以看出空调系统难以将室内 稀释均匀或排出 从图 可以看出 室内 平 均 温 度 在 左右在操厅与私教室的隔墙附近温度略高达到了 由图 可明显看出两个参考平面的送风口处风速都较大但没有使得室内空气有效地流动起来送风口处风速过大局部风速过小这也是 在室内堆积以及部分区域温度略高的主要原因图 开馆初期室内风速分布 图 为开馆初期室内空气环境模拟结果与现场的测试值对比结果 从图()可以看出在健身房开馆初期室内 质量浓度的模拟值与实测值相差不大场馆的 和 平面上各个测点的实测值与模拟值相差不大误差在 图 开馆初期模拟值与实测值对比 第 期郝 红等:健身房室内空气质量数值模拟分析 从图()中发现在 平面上个别测点的模拟结果要比测试值偏低主要原因是室内人员流动较大并且测试过程中存在一定误差但整体温度分布基本相同 由图()可以看出模拟得出的室内风速值要比实际测试值大 /这主要是由于送风气流的复杂性以及测试过程中人员阻挡造成的影响 总体上模拟值与测试结果比较吻合所建立的模型可靠结果可信 人员高峰期室内环境模拟分析现场调查可知人员高峰期是室内污染最严重的时段此时伴随着人员增加、运动强度增大场馆内 堆积严重同时人体不断地散热散湿使得室温不断升高 选取作为人员高峰期时室内空气环境模拟分析指标 一是 体积分数与室内人数密切相关体积分数不仅能够代表室内空气的新鲜程度以及通风强弱而且在一定程度上能够反映室内可能存在的有害污染物的质量浓度水平二是室内的 与 的分布变化规律有相似之处在一定程度上模拟结果可以反映室内 分布的大致情况同时二者都是影响人员舒适性的重要因素三是相对 来说在室内的扩散所受影响因素较少因此在模拟过程中能够更准确地描述场馆内污染物的分布因为室内的 主要来自于人员呼吸过程所以根据各功能区人员数量的不同对释放量分别进行设定按照夏季高峰期设定人数总人数为 人 经计算可得到各个功能区的 释放量如表 所示表 各功能区 释放量 功能区人员/人散发量/()休息区.有氧区.器械区.力量区.操厅.私教室.模拟时间为夏季新风机组和风机盘管机组的送风温度均为 新风送风速度为 /风机盘管送风速度为 /通过模拟分别得到 和 水平面的 体积分数、温度、风速分布如图、图、图 所示图 人员高峰期室内 体积分数分布 图 人员高峰期室内温度分布 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷图 人员高峰期室内风速分布 由图 可以看出人员高峰期时健身房室内的 体积分数超标严重 在 平面上 体积分数为 平均体积分数为 在 平面上 体积分数为 平均体积分数为 并且在力量区、器械区以及操厅位置 堆积尤为严重 由图 可知夏季室内温度升高迅速尤其是在正处于团课阶段的操厅和私教室人员更为集中使得局部温度接近 力量区和器械区维持在 左右整个健身房只有入口处的休息区及有氧区温度基本可以达到舒适要求 图 中室内风速分布 表 明 此 时 室 内 风 速 过 低 整 体 在 /左右而且在近壁面以及转角处存在明显的死角室内空气流通效果很差 因此通过模拟结果分析可知人员高峰期时室内 体积分数不断升高使得部分区域污染物堆积严重空调系统的运行难以使得室内空气有效循环因此室内空气环境状况不佳室内人员的体验感极差图 为将人员高峰期时的模拟结果与现场测试值对比结果 从图()可以看出室内各个功能区的两个参考平面的 体积分数实测值与模拟值相差不多体积分数差值在 变化趋势基本相同总体上比较吻合 从图()可以看出测点的温度值与模拟值最大差值为 这是由于高峰期时室内人员具有一定的流动性且每个人的散热量有一定的差距进而对室内温度造成一定影响 从图()可以看出尽管模拟结果的风速已经过小但现场的实测值仍要比模拟值小 /主要原因是高峰期时室内人流量大并且室内人员对气流产生一定的阻挡加之送风口气流复杂所以实际风速相比稍小总体来说健身房室内人员高峰期时的模拟值与现场测试数据的差值较小在允许范围之内模拟结果可靠图 人员高峰期时模拟值与实测值对比 第 期郝 红等:健身房室内空气质量数值模拟分析 结 论()开馆初期室内 存在明显的堆积在力量区和私教区较为明显最高浓度达 /接近标准值 倍室内平均温度为 在操厅和私教室的隔墙附近温度略高达到 送风口风速过大局部风速过小导致 在室内堆积以及部分区域温度过高()人员高峰期时室内 体积分数不断升高室内空气流通效果很差室内气流存在死角人员密集使得室内温度不断升高大部分区域过高空调系统的运行难以使得室内空气有效循环因此室内空气环境状况不佳体验感极差()无论是健身房开馆初期还是人员高峰期模拟值与现场测试值的差值均很小在可控范围之内证明模拟方法准确可靠可为工程应用提供技术支持参考文献 张秋月.建筑材料对室内空气质量的影响及其评价.低碳世界():.(.():.).():.姜志勇.空气污染对于长时间有氧运动效果的影响研究.环境科学与管理():.(.():.)赵越.国内外室内空气质量相关标准比较研究山.科技与创新():.(.():.)邹慧芬岳志安彭辉等.控制室内甲醛和.的新风净化系统优设化计.沈阳建筑大学学报(自然科学版)():.(.()():.)鲍跃群冯璇.影响健身效果的室内空气品质指标的研究综述.福建体育科技():.(.():.).():.():.陆大江沈逸蕾.健身房运动环境的研究与分析.体育与科学():.(.():.)周波周超郑争良.长沙市经营性健身房空气质量与噪声的现状调查及对策研究.安徽体育科技():.(.():.)吕达林.哈尔滨市某高校教室 浓度监测分析及模拟研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.(.:.).():.():.李念平.建筑环境学.北京:化学工业出版社.(.:.)(责任编辑:王国业 英文审校:唐玉兰)