超高层建筑施工中氨气抑制的数值模拟.pdf

第 卷第期 年 月 建筑科学与工程学报 文章编号 收稿日期 基金项目 湖北省自然科学基金青年基金项目 作者简介 何亚伯 男 湖南临湘人 教授 博士研究生导师 超高层建筑施工中氨气抑制的数值模拟 何亚伯 王洪涛 滕秀秀 周颖 汪洋 武汉大学 土木建筑工程学院 湖北 武汉 中建三局集团有限公司工程总承包公司 湖北 武汉 摘要 针对超高层建筑施工中典型空气污染物氨气 运用 方法构建武汉中心三维立体模型 模 拟标准 条件下自然通风和机械通风种抑制措施对氨气浓度整体影响效果并确定其影响进 深结果表明 稳态下机械通风对降低模型整体氨气浓度效果有限 单个送风口沿送风方向影响进 深约为 垂直于风速方向约为 且送风口影响进深随风速变化极小 自然通风对降低 模型整体氨气浓度效果明显 进风口对氨气浓度影响进深约为 随高度增加逐渐递增的进 风速度在通风前 对氨气浓度影响明显 稳态时风速增加自然通风影响进深增加有限 施工中 可主要采用自然通风抑制氨污染 幕墙封闭后可利用机械通风并辅以导风板等设施提高机械通风 影响效果 关键词 超高层建筑 氨气 抑制 数值模拟 中图分类号 文献标志码 引言 近年来 建筑物室内空气污染问题引起人们广 泛关注 其主要集中在装修过程中的甲醛 挥发性有 机物和氨气等污染物氨气主要来自于施工中混凝 土的外加剂 现代超高层建筑钢筋混凝土和钢管混 凝土大规模使用 尤其幕墙结构封闭后混凝土构件 长期缓慢释放氨气 使得氨气集中积累 氨气是 一种无色而有强烈刺激性气味的气体 长时间接触 氨气 部分人可能会出现皮肤色素沉淀或手指溃疡 等症状 亦可引起中毒 为减少氨气对人的健康 危害 中国制定的一系列有关室内空气质量标准和 规范中均将氨气浓度作为一项重要的控制指标 目前 各国对空气污染物抑制措施进行了大量 研究 包括自然通风 机械通风 改性吸附剂净化法 膜吸收法净化法 纳米材料光催化净化法 热催化氧 化法 上述措施主要是关于装修和使用过程中 单个空间和单体小空间抑制措施的研究 而对超高 层建筑施工中氨污染物抑制的研究还很少 等 提出通风是抑制室内空气污染物的有效 措施另外结合超高层建筑施工的特点 考虑抑制 措施可操作性 低能耗性 本文选择自然通风和机械 通风种措施 采用国际上使用最广泛的 软 件 运用 模拟 采用 分析施工 中超高层建筑采用自然通风和机械通风对氨气浓度 抑制的整体效果并确定其影响进深 模型环境设定 几何模型条件 目前 中国大陆地区高度超过 在建及已 建的建筑达 个 正在筹建的近百个 中国高 层建筑多采用矩形平面结构 而在超高层建筑中多 采用圆形 椭圆形 三角形形 月牙形等平面设计 以减少风阻 此外 超高层建筑平面多随高度增 加呈阶梯缩进 核心筒多采用中心筒式 且仲量联行 要求甲级写字楼进深不小于 而国际甲级写字 楼的进深不小于 混凝土工程主要集中在楼 板和核心筒部分 是工程施工中氨气的主要污染源 物理模型条件 建筑物室内通风采用湍流模型 忽略对室内流 场影响较小的次要因素 并作如下假设室内空气 是粘性不可压缩的 满足 假设 不 考虑透过幕墙的太阳辐射以及内部各传热表面的辐 射影响建筑各墙壁为等温壁面 利用 软件作为仿真平台 湍流模型 采用标准 模型及组分运输模型 求解采用 算法耦合压力与速度场 方程的离散采用二阶迎 风格式流场 温度场满足能量守恒方程 质量守恒 方程和动量守恒方程 分别表示如下 式中 为静压 为应力 分别为方向上的 重力体积力和外部体积力 为比热容为温度 为流体的传热系数 为粘性耗散项 为密度 为时间 均为空间坐标的分量 为速度 为 方向的速度 为方向的速度为源项 表示从分散的二级相中加入到连续相的质量 氨气扩散原则 白志鹏等 采用环境舱模拟研究了随温度 相 对湿度和空气交换率变化混凝土试块中氨的释放规 律 结果与实际测试结论基本一致 表 工程中 一般选取 条件下释放年限为 年的氨气释放 速率 结合污染源面积确定污 染源释放速率 模型边界条件 由于地表摩擦而使风速降低 一般情况下地面 以上范围风速才不受地表影响近地面层风 速随高度递增 服从指数分布 如下式所示 式中 为高度处的水平方向风速 为空旷地 貌下高 处的平均风速 为由地形粗糙度所决 定的幂指数 可按建筑所处的地形条件取 具体相关边界条件设置见表 超高层建筑 核心筒多采用中心筒式 各种辅助服务性空间向平 面中央集中 主功能空间绕四周布置并利用走道空 间布置主通风管道 因此 施工过程中可利用中 央空调主管系统实现机械通风公共建筑通风机入 口的空气流速为 出口的空气流速为 第期何亚伯 等 超高层建筑施工中氨气抑制的数值模拟 表温度对氨气释放速率的影响 年 注 为环境仓内氨气最大质量浓度 为达到 的时间为环境仓内氨气平均质量浓度为达到的时间为氨气释放速 率 为完全释放时间 表边界条件 通风方式机械通风自然通风 污染源来源混凝土楼板 核心筒混凝土楼板 核心筒 污染源设置类型质量进口质量进口 入口设置类型速度进口速度进口 入口风速中央空调送风 编辑指数风速 出口设置类型压力出口压力出口 温度设置 初始压强 干管的空气流速为 超高层建筑施工电梯的布置包括室外电梯和室 内电梯 室外电梯一般选择建筑立面比较规则且场 地开阔 材料运输通道畅通的位置 室外电梯部位的 玻璃幕墙无法收口因此 施工过程中可利用施工 电梯处未收口幕墙实现自然通风 案例模型和边界条件 几何模型 武汉中心建筑高度 地上层数 层 风 速随高度增加呈指数增加建筑平面选择由片圆 弧形构成的类圆形几何平面结构核心筒采用典型 中心筒式 进深约 是典型超高层建筑武汉 中心整体简化为四部分 由转折层依次收缩 标准层 高 利用 建立武汉中心三维模型 如图所示 网格划分 采用 作为前处理软件 选择非结构化网 格对计算区域进行划分运用 数值模 拟 首先进行网格无关性验证本文主要模拟自然 通风和机械通风影响进深 因此分别取自然通风 人呼吸高度和机械通风 送风 口轴线方向影响进深进行网格无关性验证 如图 所示 从图可以看出 当网格边长从 变至 图机械通风主管道布置 图自然通风网格无关性 图机械通风网格无关性 时 随网格数量的增加 影响进深值变化很 小 说明网格尺寸从 对计算结果影响 很小 已达到网格无关 并结合图确定自然通风和 建筑科学与工程学报 年 机械通风计算网格边长为 物理模型 武汉中心几何模型满足质量守恒定律 动量守 恒方程 能量守恒方程 在不考虑用户自定义源项的 情况下连续性方程 质量守恒方程 可简化为 物理模型主要系数为湍动能和湍动耗散率 分别取 其他材料参数设置默 认值 边界条件 模型设定混凝土楼板为主要污染源 垂直于楼 板向上 向下释放氨气 取模型标准层尺寸为 故扩散速度为 室内初始氨气质量浓度超过规定氨气质量浓度限值 倍 即空气中氨气的质量分数为 机械通风边界条件设置 结合武汉中心案例 主 体结构施工中主送风口 回风口数量和位置如图 所示设定机械通风各送风口送风速率恒定 整个 标准层模型假设保持密封状态结合空气调节系统 风管内空气流速标准 运用 分析送风轴 线处氨气浓度分布 从而确定机械通风影 响进深 自然通风边界条件设置 根据武汉气象部门的 监测数据 该工程所处地区 高的平均风速为 取 选取第 层作 为分析对象模拟案例施工中实际自然通风方式 另外为探究相同面积下穿堂风对超高层建筑通风 效果设置自然通风方式 如图所示 其他边界条 件设定见表取人呼吸高度 处氨气浓 度分布和影响进深为研究对象 通风对氨污染抑制效果研究 模型有效性分析 为了验证计算模型的可靠性 对某住宅室内污 图自然通风示意 染物的扩散进行模拟 结果如图所示 从图 图计算模型有效性 可看出 污染物浓度的数值模拟值与文献算例浓度 值吻合很好 说明通过该方法对超高层建筑室内氨 气抑制效果进行模拟分析是可行的 机械通风对氨污染影响 本文选择标准层平面为研究对象 研 究机械通风对氨气浓度影响的效果表给出了不 同送风速度下机械通风沿平行风速方向和垂直风速 方向的影响进深由表可知 稳态下机械通风速 度对机械通风影响进深的影响较小限于篇幅 仅 给出风速 稳态时机械通风影响效果 如图所示 通过对图和表分析 可得出以下结论 内层氨气质量分数下降至 外层区域氨气 质量分数为 机械通风后氨气质量分数 由内向外逐渐升高 且沿平行风速方向对氨气质量 分数影响进深大于垂直于风速方向的影响进深 随着风速增加 送风口沿平行于风速 方向影响进深变化均较小相同风速下送风口和 表不同风速下机械通风影响进深 风速 平行风速方向的影响进深垂直风速方向的影响进深 送风口送风口送风口平均值送风口送风口送风口平均值 第期何亚伯 等 超高层建筑施工中氨气抑制的数值模拟 图单个送风口机械通风质量分数分布 送风口影响进深约为 送风口影响进深 为 随着风速增加 送风口垂直于风速方 向影响进深变化均较小相同风速下送风口 影响进深约为 自然通风对氨污染的影响 选择不同楼层进风口处相同 坐标位置的 个观测点 为研究对象 研究风速和时间对氨 气的抑制效果图 分别为第 和第 楼层的通风时间和自然通风影响进深关系图 为不同楼层影响进深 图第 楼层通风时间影响进深关系 通风时间与影响进深的关系为 时 第 楼层观 测点 影响进深全部呈现增加趋势且增加效果 显著相同通风时间下观测点影响进深最大 观 测点次之 观测点最小 时 第 楼层 观测点 影响进深几乎不变相同通风时间下 观测点影响进深最大 观测点次之 观测点最 小 主要因为观测点位于通风较中心位置 观测点 临近送风边缘位置 风速与影响进深的关系为 图第 楼层通风时间影响进深关系 图不同楼层影响进深 时 随着楼层高度增加 通风风速增 加 观测点 影响进深均增加明显 且影响进深 增加速率呈现先增大后减小的趋势 时 观测点影响进深均在第 层增加较大 第 层增加缓慢第 层观测点影响进深最小 最大影响进深约 其他层的影响进深较接近 最大影响进深约为 时 观测点随楼层增加影响 进深和 几乎相等 由上述可知 稳态下自然通风风速对影响进深 产生的影响有限 限于篇幅 仅给出 环 境下种自然通风方式对氨气质量分数抑制效果 如图 所示表为不同高度种自然通风方式 下氨气平均质量分数 由图 可知 低浓度氨气主要分布在进风口 处 由于进风口距出风口进深大 自然通风方式没 有形成穿堂风效果 由表可知 同一高度自然通风方式氨气平 均质量分数均低于自然通风方式氨气平均质量分 数 说明自然通风方式较自然通风方式效果好 建筑科学与工程学报 年 图 不同通风方式下氨气质量分数 高度处氨气质量分数最大 主要是因为氨气 密度小于空气 和高度处氨气质量 分数次之 高度处氨气质量分数最小 机械通风和自然通风比较 稳态时不同速度对机械通风抑制范围影响较 小 自然通风初始阶段风速对其进深影响明显 楼层 越高 风速越大 影响进深越大 稳态时风速越小 影 响进深越小 但风速增加到一定数值 影响进深增加 越来越小施工中可选取最经济有效风速降低氨 污染 自然通风沿平行于风速方向和垂直于风速方向 影响进深均明显大于机械通风机械通风仅对出风 口处小范围内氨气浓度抑制有效果 主要是由于机 械通风送风口面积小 数量少 相比于施工中超高层 建筑大空间 对降低整体氨浓度效果有限自然通 风进风口面积大 是超高层建筑施工中降低氨污染 较为经济有效的通风方式 为降低超高层建筑施工中氨污染的危害 结合 以上对机械通风和自然通风种抑制措施的比较 表自然通风方式下不同高度氨气平均质量分数 自然通风方式 方式 方式 施工初期可主要采用自然通风抑制氨污染 幕墙封 闭后可利用机械通风降低氨气浓度 并可通过安装 导风板 增加送风口数量等方式提高机械通风效果 结语 针对超高层建筑施工中氨污染问题 结合武 汉中心案例 利用 建立三维模型 使用国 际上应用最广泛的 软件 模拟 依据 软件设置原则设定边界条件 选择计算模型 确保了 模拟结果的可靠性 得到了机械通风和自然通风种抑制措施 对超高层施工中氨抑制整体效果并确定影响进深 依据研究结论提出相应施工意见 研究结果有助于 进一步编制超高层建筑施工中氨污染抑制方法施工 导则 下一步研究可结合超高层建筑不同平面形 状 圆形 椭圆形 三角形形 月牙形 探究最有 效降低室内氨气浓度的平面形式 同时结合施工进 度 开展超高层建筑工程装饰装修过程中和使用过 程中氨气扩散及抑制的模拟研究 进一步探究超高 层建筑施工过程中中央空调系统送风主管 回风主 管大小 数量对氨气抑制效果的影响 参考文献 要栋梁硅胶和活性炭对氨气的吸附研究北京 首都经济贸易大学 刘伟 翟德华 于洋 等装修室内空气污染现状 分析及控制途径城市环境与城市生态 赵红 例氨气吸入反应的护理与对策中国 社区医师 混凝土外加剂中释放氨的限量 第期何亚伯 等 超高层建筑施工中氨气抑制的数值模拟 室内空气质量标准 民用建筑工程室内环境污染控制规 范 姚志良 叶宇 曹鑫悦 等膜吸收法净化低浓度甲 醛和氨气环境工程学报 古政荣 陈爱平 戴智铭 等活性炭纳米二氧化钛复 合光催化空气净化网的研制华东理工大学学报