1、图书馆阅览室空气流动规律与污染物分布特性研究The Research of Air Flow Law and Pollutant Distribution Characteristics in the Reading Room of the Library研 究 生：指导教师： 学科专业：供热、供燃气、通风及空调工程年 月硕士研究生学位论文 Abstract III摘 要随着现代经济的高速发展和科学技术的日益进步，人们对于生活品质和生存环境的要求逐渐提高，公共空间空气质量已经成为近年来建筑领域的一个研究热点。目前，我国图书馆现已实行藏阅一体化的开架管理模式，阅览室内人员密集，空气混浊，导致读者
2、昏昏欲睡。一些研究人员采用主观调查问卷和实测等方式对图书馆室内的空气品质进行研究，其主要研究对象为温度、风速、人体热舒适性等指标，对人体呼吸产生的污染物在室内的扩散规律及浓度分布研究甚少。本文以北方严寒地区某图书馆为例，利用 Swema 3000 多功能测量仪等仪器对图书馆室内温湿度、风速、CO 2 浓度及颗粒物浓度等环境参数进行实测，采用调查问卷的方式对人体感觉进行主观调研，研究客观环境参数与人体感觉不满意率之间的拟合关系。建立图书馆阅览室的数学模型和物理模型，通过改变送风方向、送风速度和送风温度等送风条件，研究人体释放污染物浓度分布与空调送风参数之间的关系，对各工况空气分布均匀系数、能量利
3、用系数及通风有效率等指标进行分析与评价，提出室内污染物控制的有效措施。图书馆阅览室客观实测和主观调研结果表明：室内环境温度、相对湿度、风速和 pm10 符合国家空气质量标准，CO 2 浓度和 pm2.5 浓度超过国家标准限值；读者对图书馆室内的相对湿度和空气新鲜度的不满意率较高，多数读者都出现烦躁、压抑、眼睛疲倦、等不良感觉，导致学习效率下降。分析测试结果得出以下结论：人对所处环境的感觉与其自身的生理（身高、体重等）、从事的活动和心理因素有关；人体感知环境温湿度及气味的能力较高，对室内气溶胶类的污染物浓度变化的敏感度较低。为深入研究气流组织对污染物分布的影响，采用 CFD 软件对阅览室内污染物
4、浓度场进行模拟发现：图书馆阅览室采用自然通风的排污效率高于机械通风系统的排污效率；自然通风的污染物浓度场高度依赖于室外风速和风向，具有季节性、瞬时性与不确定性。送风温度对污染物浓度分布无明显影响；送风速度与室内污染物浓度成反比；斜向下 60送风与垂直送风和斜向下 30相比，在空气分布不均匀系数、能量利用系数、空气分布特性和通风系统排污效率等方面都具有优越性。因此，自然通风、增加换气量及改变送风方向都可以有效改善阅览室内空气质量。其中，自然通风对室内颗粒物的浓度变化有很大影响，开启门窗增加室内的换气量，能够增加或者稀释室内颗粒物的浓度，需要结合一天之中室外污染物浓度波动情况，控制开窗时段，使得自
5、然通风既能有效降低室内其他污染物浓度，又不会引起颗粒物污染。改变送风方向在一定程度上可以与提高换气量达到相同甚至更高的排污效率，避免高速送风带来的强烈吹风感，减轻空调系统负荷，有利于建筑节能。提出一种新型需求控制通风系统的设计构想，有效抑制污染物在室内的传播扩散，减少人员暴露危险。IV Abstract 硕士研究生学位论文关键词：图书馆；空气品质；污染物浓度分布；送风参数；数值模拟硕士研究生学位论文 Abstract VAbstractWith the rapid development of modern economy and the progress of science and tec
6、hnology, people gradually to the requirement of the quality of life and survival environment, indoor air quality has become a nearly 30 years a research hotspot in the field of architecture. Hidden reading integration at present, the library open management mode, service personnel in the reading roo
7、m, air turbidity, readers drowsy. Some researchers used subjective testing methods such as questionnaire and experiment to the library to study indoor air quality, the main research object as, such as temperature, wind speed, the human body thermal comfort index, to human breath inside the pollutant
8、s diffusion law and concentration distribution study very little.In northern cold region a library as an example, using Swema 3000 multi-function meter instruments to library indoor temperature and humidity, wind speed, CO2 concentration and particle concentration environment parameters, such as tes
9、ting, with the method of questionnaire to subjective body feeling. By comparison with test data and quantitative data of the questionnaire analysis, the research objective environmental parameters and the fitting relationship between the human body didnt feel satisfaction. Establish mathematical mod
10、el and physical model of library reading room, by changing the direction of air supply, supply air velocity and supply air temperature, air supply conditions, such as study the body to release pollutants concentration distribution and the relationship between the air conditioning supply parameters,
11、on the condition of air distribution uniformity coefficient, energy utilization coefficient and ventilation efficiency index analysis and evaluation, puts forward effective measure to control the indoor pollutants.The library reading room objective testing and subjective research results show that t
12、he indoor temperature, relative humidity, wind speed and pm10 in accordance with national standards for air quality, CO2 concentration and pm2.5 concentrations exceed the national standard limit; Readers of the library of indoor relative humidity and the determination of the freshness of the air is
13、not satisfaction is higher, most readers have be agitated, depressed, eye fatigue, feeling bad, resulting in a decline in the learning efficiency. Analysis of test results the following conclusions: the persons sense of the environment with its own physiological (height, weight, etc.), is engaged in
14、 the activity and psychological factors; Human perception and the ability to environmental temperature and humidity or smell is higher, indoor aerosol pollutants concentration change sensitivity is low.Simulation results show that the natural ventilation of the drainage efficiency is higher than the
15、 emission efficiency of mechanical ventilation system; Natural ventilation of the pollutant concentration field are highly dependent on outdoor wind speed and direction, is seasonal, instantaneity and uncertainty. Supply air temperature had no obvious effect on pollutants concentration distribution;
16、 Air supply velocity is inversely proportional to the concentration of indoor pollutants; Inclined down 60 supply compared with vertical air supply and 30 inclined downward, the uneven distribution of air coefficient, energy utilization coefficient, air distribution and ventilation system drainage e
17、fficiency has the superiority.The results show that the natural ventilation, increase in volume and change the direction of air supply can effectively improve the air quality in the reading room. Among them, the natural VI Abstract 硕士研究生学位论文ventilation has a great influence on the change of indoor p
18、articulate matter concentrations, open doors and windows to increase indoor ventilation, to increase or dilute the concentration of indoor particulate matter, need to combine a day outdoor pollutant concentration fluctuations, control window period, makes the natural ventilation can not only effecti
19、vely reduce the indoor concentration of other pollutants, and wont cause particulate matter pollution. Changing the direction to a certain extent, can achieve the same or even higher with the increase in gas drainage efficiency, to avoid the high speed brings a strong sense of blowing air supply, re
20、duce air conditioning load, is conducive to building energy efficiency. Put forward a new demand control of ventilation system design idea, effectively restrain the spread of pollutants in the indoor diffusion, reduce the workers exposed to danger.Keywords: Library；Air quality；Pollutant concentratio
21、n distribution； Air supply parameters； Numerical simulation硕士研究生学位论文 目次 I目 次摘要 IAbstractIII第一章 绪论 .11.1 课题研究背景 11.2 课题研究目的和意义 11.3 国内外研究现状 21.3.1 国外研究现状 .21.3.2 国内研究现状 .41.4 阅览室内空气污染特点 51.5 本文研究内容 6第二章 生物气溶胶的传播机理 .72.1 生物气溶胶简介 72.1.1 生物气溶胶定义 72.1.2 生物气溶胶来源 .72.1.3 生物气溶胶性质 .82.2 生物气溶胶的危害 92.3 生物气溶胶的传
22、播方式 92.4 生物气溶胶运动受力分析 102.4.1 拖拽力 .112.4.2 重力 .112.4.3 热泳力 .112.4.4 空气压力梯度力 .122.4.5 附加质量力 .122.4.6 Basset 力 .122.4.7 Saffman 力 132.4.8 布朗力 .132.4.9 受力综合分析 .132.5 生物气溶胶运动特性 142.5.1 生物气溶胶的弛豫时间 .142.5.2 生物气溶胶的制动距离 .142.6 本章小结 .14第三章 图书馆阅览室污染物的实测与评价 .15II 目次 硕士研究生学位论文3.1 图书馆概况 153.2 阅览室内污染物实测 153.2.1 实测
23、地点 .153.2.2 实测设备 .153.2.3 测点的布置与选取 .173.2.4 实验测试步骤 .173.3 实测结果分析与评价 173.3.1 温度、相对湿度和风速 .193.3.2 CO2 浓度分析 .193.3.3 pm2.5 与 pm10 浓度分析 203.4 图书馆空气质量的主观调研 203.5 本章小结 22第四章 阅览室内污染物分布的数值模拟 .234.1 气流组织 234.1.1 气流组织的含义 .234.1.2 公共空间的通风策略 .234.2 阅览室模型的建立 244.2.1 阅览室模型的假设与简化 .244.2.2 典型污染物的选择 .264.3 模拟相关参数设置
24、264.3.1 模拟工况 .264.3.2 边界条件 .284.3.3 数值控制 .304.4 本章小结 30第五章 阅览室污染物分布特性模拟分析 .315.1 阅览室内污染物自由扩散特性 315.2 阅览室内自然通风污染物分布 325.3 送风方向对污染物浓度场影响的模拟分析 335.3.1 夏季阅览室内污染物浓度场 .335.3.2 冬季阅览室内污染物浓度场 .365.4 送风速度对污染物浓度场影响的模拟分析 395.4.1 夏季垂直送风污染物浓度场 .395.4.2 夏季斜向下 30送风污染物浓度场 405.4.3 夏季斜向下 60送风污染物浓度场 405.4.4 冬季垂直送风污染物浓度
25、场 .41硕士研究生学位论文 目次 III5.4.5 冬季斜向下 30送风污染物浓度场 425.4.6 冬季斜向下 60送风污染物浓度场 435.5 本章小结 44第六章 阅览室气流组织评价与改进措施 .456.1 空气分布不均匀系数 456.2 能量利用系数 476.3 空气分布特性指标 486.4 通风系统排污效率 496.5 阅览室空气污染控制策略 506.6 新型需求控制通风系统初探 516.6.1 传统需求控制通风系统特点 .516.6.2 新型需求控制通风系统的提出 .516.7 本章小结 52第七章 结论 .537.1 结论 537.2 展望 54参考文献 .55作者简介 .59
26、致 谢 .61IV 目次 硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文 Contents IContentsAbstract IAbstractIIIThe Chapter 1 Introduction11.1 The background of the research.11.2 The purpose and meaning of the research .11.3 The research status at home and abroad 21.3.1 The foreign research status .21.3.2 The domestic research status 31.4
27、The characteristics of air pollution in the reading room41.5 The main research contents of the project .5The Chapter 2 The transmission mechanism of the microbial particles72.1 A brief introduction of biological aerosols72.1.1 The definition of biological aerosols 72.1.2 The source of biological aer
28、osols .72.1.3 The nature of biological aerosols82.2 The harm of human body biological aerosols .92.3 Route of transmission of biological aerosols.92.4 Indoor sports force analysis of aerosol 102.4.1 Drag force .112.4.2 The force of gravity 112.4.3 Thermoplastics force 112.4.4 The air pressure gradie
29、nt force .122.4.5 Added mass force .122.4.6 Basset force.122.4.7 Saffman force .122.4.8 Brown force 132.4.9 Stress comprehensive analysis132.5 Biological aerosols movement characteristics.132.5.1 Relaxation time of biological aerosols .132.5.2 Braking distance of biological aerosols142.6 Summary14Th
30、e Chapter 3 University library indoor pollutant testing and evaluation 153.1 A brief introduction of university library 15II Contents 硕士研究生学位论文3.2 Indoor pollutants test of the library .153.2.1 The test site.153.2.2 The device under test153.2.3 The arrangement and selection of measurement points173.
31、2.4 Test steps 173.3 The test results analysis and evaluation.173.3.1 Temperature, relative humidity and wind speed 193.3.2 The concentration of CO2 .193.3.3 The concentration of pm2.5 and pm10.203.4 Subjective research the air quality in the library .203.5 Summary22The Chapter 4 The simulation of t
32、he distribution of pollutants in the reading room 234.1 Air distribution 234.1.1 The meaning of air distribution 234.1.2 Ventilation strategy of public space .234.2 The reading room model244.2.1 The reading room hypothesis and simplification of the model 244.2.2 The choice of typical pollutants264.3
33、 Simulation of related parameters Settings .264.3.1 Working condition of simulated .264.3.2 The boundary conditions 284.2.2 The numerical control.304.4 Summary30The Chapter 5 The reading room pollutant distribution simulation analysis 315.1 Free diffusion characteristics of pollution in the reading
34、room.315.2 Pollution distribution of natural ventilation in the reading room 325.3 Analysis the impact of air supply direction on pollutant concentration field .335.3.1 The pollutant concentration field in the reading room in summer .335.3.2 The pollutant concentration field in the reading room in w
35、inter365.4 Analysis the impact of air supply velocity on pollutant concentration field 395.4.1 Vertical supply air pollutant concentration field in summer 395.4.2 Inclined down 30supply air pollutant concentration field in summer 395.4.3 Inclined down 60supply air pollutant concentration field in su
36、mmer 405.4.4 Vertical supply air pollutant concentration field in winter.41硕士研究生学位论文 Contents III5.4.5 Inclined down 30supply air pollutant concentration field in winter.425.4.6 Inclined down 60supply air pollutant concentration field in winter.435.5 Summary44The Chapter 6 The reading room air distr
37、ibution evaluation and improvement measures .456.1 Uneven distribution of air coefficient456.2 The energy utilization coefficient476.3 The characteristics of air distribution 486.4 Ventilation system drainage efficiency .496.5 The reading room air pollution control506.6 New demand controlled ventila
38、tion system.516.6.1 Traditional demand control characteristics of ventilation system 516.6.2 New demand control of ventilation system is put forward.516.5 Summary52The Chapter 7 Conclusion .537.1 Conclusion .537.2 Outlook 54Reference .55Authors brief introduction.59Thanks .61IV Contents 硕士研究生学位论文硕士研
39、究生学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论1.1 课题研究背景随着我国在高等教育领域的高速发展，办学规模日益扩大，在校学生人数急剧增加，兴起了图书馆建筑新建、改建的高潮。高校图书馆历来有标志性建筑的美称，它犹如一面镜子，反映了高校教学科研的实习和特色建筑风格，也体现了建筑本身的文化内涵。青年学子们被图书馆建筑外观所展现的气势与气质所震撼，内心油然而生出神圣、高尚之感 1，因此，图书馆成为了高校学生学习生活的主要场所。现今，我国公办图书馆总数约 1794 所，书籍文献藏储总量超过 6.6 亿册，全部配置先进的信息服务设备，如：图书馆自动化集成（ILAS）系统、多媒体阅览室、技术咨询在线平台等。图
40、书馆每天开馆时间平均为 10 到 14 小时，一部分图书馆全天 24 小时连续开放，读者在图书馆的停留时间平均在 38 小时（按到馆者计），比在教室长 24 倍 2。图书馆内属于固化空间，其固化的室内环境包括建筑、人、书、现代办公设备等，而室内环境质量的优劣受这种固化空间的影响，因此，保证良好室内环境的关键是如何和谐地处理好它们之间的关系。然而，大多数已建成的图书馆空间的内环境与外环境都存在各种各样的问题。图书馆固有的建筑缺陷，例如：错误的地址会将室外不良的污染因素（污染严重的空气、喧闹的噪音，光污染等）引入室内；部分图书馆无法有效的利用自然通风和太阳光照，缺乏生态式建筑设计；部分图书馆内部仿
41、佛钢铁森林，不能够为读者创造自然、清新的绿色生态系统。图书馆应加强馆内行为规范标准、教育普及、宣传工作，提高工作人员和读者的公共环境环保意识，养成良好的图书馆类公共建筑卫生习惯，做到未雨绸缪，固本清源；图书馆在购买图书时，应加强对书籍文献质量的监测，防止劣质印刷品的流入。这种劣质图书的化工品异味挥发时间长，一旦被读者翻开，呛人的味道扑面而来，严重威胁读者的身体健康。图书馆电子阅览室内摆放数十台甚至数百台计算机，房间密闭性高，而计算机与手机间的辐射相互干扰，影响人体的循环系统和免疫系统，甚至是生殖代谢功能，更严重的会诱发癌症，电磁辐射类污染已经逐渐成为室内环境污染的新型隐形杀手 3。1.2 课题
42、研究目的和意义阅览室（图 1.1）是图书馆的重要服务载体，是师生间互相学习研究和积累学术知识的重要场所，是支撑图书馆的核心所在，同时也是读者流量最大的地方之一，每年都要接待师生与外来读者二三十万人次，阅览室内环境和外环境的优劣、室内空间构造的舒适程度以及空调通风设备的效果，直接关系到读者的学习效率与阅读心情。阅览室内部的卓越设计与室内空间优化可以营造一个有益于读者的阅读环境，激励读者的阅读兴趣，提高阅览室的利用率 4。国内外专家通过研究室内空气质量对人体健康的影响发现：引起2 第一章 绪论 硕士研究生学位论文室内空气污染（图 1.2）的来源主要有两个方面：一类是迁移进室内的气流携带室外的污染物
43、颗粒；二类是来自室内的污染物自由扩散。研究结果表明，室外的悬浮物浓度与迁移进室内的颗粒污染物浓度数量级相同，但室内存在的微生物气溶胶类型污染对人体健康的威胁远大于室外污染。密闭空间或人员密集的场所，致命病毒、细菌等微生物气溶胶侵入人体的可能性更高。据有关科研专家的测试结果，书刊阅览室等高密度人群空间密闭一小时后，室内细菌含量上升 45%之多，悬浮颗粒物浓度上升 60%以上；密闭 9 小时后，两者浓度超出室外污染物平均浓度 810 倍，二氧化碳浓度甚至是室外的 4 倍 5 。这一结果说明人体是室内最大的污染源，通过肺部的空气交换，释放出 25 种以上的有毒物质，其中包含 16 种以上的有毒性挥发
44、物，还有不计其数的细菌病毒。平均一小时内，每人会有 60 万粒的皮屑因新陈代谢作用脱落，这些漂浮在空中的粉尘具有极强的吸附性，大量的细菌和病毒在上面附着并积累，不断刺激人体的呼吸系统，传播疾病 6。此外，人体的皮肤汗腺还会分泌大量的有害物质，这些污染物长期停留在室内空气中，导致室内微环境单位面积的污染物总量高出室外数十倍，在冬季尤为明显。随着藏、借、阅一体化的服务模式在图书馆推广应用，阅览室的规模越来越大，室内活动时间增加，人们长期地、缓慢地受到病毒细菌的攻击。而致病因子通常无色无味，读者难以察觉，因此以读者为中心，改进图书馆服务质量，营造阅览室绿色环境十分必要。图 1.1 图书馆阅览室 图
45、1.2 室内空气污染物Fig.1.1 The library reading room Fig.1.2 Indoor air pollutants1.3 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状自上世纪初，人们认识到室内空气可以传播疾病导致感染后，国内外学者便对室内微生物颗粒进行了广泛的研究。1934 年公共卫生学家 Wells 提出很著名的液滴核理论（Droplet Nuclei Theory），指出空气中传播的微生物是通过人体呼吸、咳嗽、打喷嚏等出来的液滴蒸发后形成的液滴核带菌，在空气中长时间悬浮后，被人体吸入，使人患病 7。1957 年 Riley 等人指出空气可以作为结核菌在人与人之间传
46、播的媒介，结核菌由于硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3在空气中悬浮时能够凝结成核，并通过打喷嚏、咳嗽等行为进入到空中，对人体造成威胁 8。1958 年，Bate 等人在婴儿病房进行了为期 11 个月的传染病调查时间中，爆发了 7次鼠伤寒沙门菌胃肠炎流行病，污染源全部来自被该病菌污染的吸尘器收集袋内的灰尘 9。19681977 年，Kaufman 等将实验动物（豚鼠、小鼠、家兔和罗猴等）放入 Pontiac 分所大楼内，三天内所有动物都出现了热反应，说明建筑物内存在着经空气传播的病原体微生物 10。1985 年，Remington 认为美国密歇根州医院儿科诊室爆发的麻疹有可能是室内的病毒颗粒通
47、过空气传播到人体上，因为感染的几名幼儿中有 3 人没有和麻疹病患者直接接触 11。还有许多学者通过实验研究人体气溶胶颗粒污染物的运动特性。Duguid 将人在讲话、咳嗽、打喷嚏等呼气行为释放的气溶胶放入载玻片，在显微镜下观察计数，确定了气溶胶的粒径和数量。然而受到实验条件的限制，显微镜无法观察到人体呼出的粒径小于 1m 的气溶胶 12。Papineni 和 Rosenthal 使用激光粒子计数器（OPI）对人体呼吸、咳嗽、讲话放出的气溶胶粒径和数量进行统计，发现多数气溶胶的粒径小于 2m，而用口呼吸会释放的大量气溶胶均为亚微米级 13。Fennelly 用 6 级 Anderson 采样器收集
48、肺结核病人咳嗽释放的气溶胶样品在培养、分析数据后发现颗粒主要分布在采样器的 4、5、6 级，粒径范围在1.1m-3.3m 之间 14。随着计算机应用技术的发展，越来越多的学者对室内污染物进行数值模拟。Chen 通过大量的模拟研究，污染物传播规律的 CFD 模拟法数据与实验数据吻合。室内污染物的分布特征与人体热量、室内环境的边界条件、污染源的位置有关 15。Kato 等在机械通风与室内密闭的情况下，用实验与模拟相结合的方法研究咳嗽产生的液滴轨迹，结果表明不同粒径的液滴分布不同，不同粒径范围的颗粒物分布特征也各不相同 16 。He 等对两个人坐着时，一人作为污染源，呼出粒径为 0.8m 的液滴，在三种室内通风模式下的液滴浓度分布进行模拟，结果与用示踪气体的浓度分布基本一致 17。Zhu 等对天花板吊顶空调器与室内人员的相对位置的关系进行模拟，结果表明室内气流对 30m 或者更小的液滴运动规律影响程度更大 18。Pantelic 等提出减小污染物浓度的最高值、缩短射流距离内的暴露时间可以通过个性化送风的方式，且这种送风方式可以有效降低流行感冒和结核病等的感染风险，且最佳防护半径为 1.75m19。T.T. Chow 等人通过对手术室进行模拟，认为层流时，灯具的热羽效应和室内气流速度对生物气溶胶传播起到重要作用 20；4 第一章 绪论 硕士研究生学
