CONTAM 介紹

CONTAM 為美國 NIST 發展的 IAQ 模式(Walton, 2005)，包含繪圖介 面 CONTAMW 與數值模擬處理器 CONTAMX，用來模擬多區域 IAQ 及通 風分析，主要為一維的模式，但可同時考量多空間間的流布，詳細內容請 參見該模式手冊，以下簡述該模式之內容，它將建築物空間以圖示表示空 間分佈及定義建築物元件，且設定一些模擬參數，然後模擬氣流與壓力、

污染物濃度與個人暴露量等結果。

1. 氣流與壓力〆由於機械作用或風壓，產生壓差，造成建築物外的氣 體滲入、滲出或在房間與房間之間流動。此外，藉由室內外溫差降 低浮力效應。

2. 污染物濃度〆污染物藉由氣流傳輸而散佈在空間內，且藉由許多機 制而改變，包含化學及非化學的轉變、建材的吸附及脫附、過濾與 建築物表面的沉積。

3. 個人暴露量〆預測在建築物內人體室內污染物的暴露情形，可依據 此結果作風險評估。

以下將分成模式假設與理論、建築物元件、模擬設定與模擬結果四部 分說明該模式。

(a) 模式假設與理論

CONTAM 假設區域內完全混合、為一維對流/擴散、導管系統、質量 守恆，可設定痕量污染物(trace contaminants)、非痕量污染物(non-trace contaminants)、温度變化、氣流路徑、來源與沉降模式等，較詳細的理論 背景及模擬架構請參見附錄 A 中之說明。

在 CONTAM 模式中，空氣視為理想氣體，因此空氣的特性以理想氣 體法則運算，相關計算公式如下〆

T

某些濃度很小，但會顯著影響空氣密度或比熱的物種，稱之為痕量污 染物。在一般的情況下，只有水蒸氣會對空氣的特性產生影響，甚至在初 始估計時可以被省略。因此，當模擬對象只包含痕量污染物時，CONTAM 使用乾空氣計算空氣的特性。乾空氣的物種濃度標準定義為有效莫耳質量 28.9645 kg/kmol，氣體常數 287.055 J/(kg〄K)，在 101.325kPa 與 20℃的標 準狀態下，空氣密度為 1.20 kg/m³，以公式 3.1 計算，可得更確切的值為

公式 3.6 以數值方法求解計算污染物濃度，詳細內容請參考附錄 A。

頇注意時距設定的限制，以避免數值解發生 unstable 的情形。ASHRAE(1999) 指出在大部份的商業應用設計，換氣率頇小於 12h^-1。其採用 explicit 法求 數值解，數值 Stability 的限制為時距大於 1/12 hr(或 5 分鐘)。此外，CONTAM 可計算人體暴露量，在暫態 (transient simulation)的模式下，其計算方式為〆

t

CONTAM 亦可模擬一階化學反應，在 CONTAM 的部分建築元件中可 設定一階化學反應，污染物α的產生或消失的速率以公式 3.8 計算〆

區域、氣流路徑、簡單的空氣調節系統(air-handling system, AHS)、導管、

污染物、來源與沉降、隨時間變化的建築物元件時間表、控制元件等，各 個元件又包含許多細節設定，本研究將其整理成附錄 B 表 B.1。表 3.6 為 本研究使用到的元件設定，以下分別說明之。

1. 污染物的基本設定(Species)〆本研究主要探討 CO₂污染情況，故在 species 之設定上，則包含有 CO₂之分子量、擴散係數與比熱。

2. 區域性質(Zone)〆此元件將設定區域的面積或體積，CONTAM 預設區域 的高度為 3m，因此體積為面積的三倍。此外，在此元件中設定污染物 的初始濃度，此外，由於污染物濃度隨時間變化，因此勾選污染物為 Variable。

3. 空調系統〆包含 Simple AHS、Supply 與 Return。頇先定義 AHS 才能定 義出風口與回風口的設定，其中主要包含出風口與回風口的污染物初 始濃度，出風口設定為外氣 CO₂濃度，回風口則設定為與區域濃度相 同。而回風與出風需設定風量，單位可選取為 kg/h。若空調系統不是 一整天開啟或關閉狀態，可利用 Schedule 設定開關的時間。

4. Exposure〆設定人數變化。依據文獻成人排出 CO₂ 的速率為 0.3 L/min (Dutton et al., 2008)，而 8-10 歲的小孩排出 CO₂的速率為大人的一半 0.15L/min (Dutton et al., 2008)，由於醫院內的小孩無法評估其確實年 齡，故都假設為 0.15L/min，嬰兒則較無明確資料，故假設與 8-10 歲 小孩有相同的 CO₂ 排放速率 0.15 L/min。將每小時記錄的人數以 Schedule 設定，其中頇注意由於只能用比值 0~1 進行人數變化之設定，

因此在 Multiplier 設定模擬場所人數記錄最大值，Schedule 中的設定則 為記錄人數與最大人數的比值。此外，由於 CONTAM 模式的兩個時 間點之間的人數變化皆為第一個時間點的人數設定，因此若記錄人數 的時距縮短，可使模擬結果更好。

5. Airflow Path〆提供多種氣流路徑的模擬公式，公式的使用參考 CONTAM 內存的資料庫，選取場所適用的公式，並修改其中的設定，如門的長 寬等。而由於 Airflow path 元件中，Airflow Element Model 所頇要的 參數值較難測得，因此大部分使用 CONTAM 模式 Libraries 的預設值。

表 3.6 參數設定說明

Pressure Variable Pa

Initial Concentration of selected Contaminant

各場所第一時間點的濃度 ppm

Simple AHS

Supply System: Initial Concentration of selected Contaminant

室外空氣污染物濃度 ppm

Return System: Initial Concentration of selected Contaminant

區域室內空起污染物濃度 ppm

Minimum OA Flow 0 sm³/h

Supply Design Flow Rate 各出風口量得的流速 kg/h

Return Design Flow Rate 各回風口量得的流速 kg/h

Exposure

Body weight

大人為 70 公斤⁽²⁾，嬰兒為

3 公斤。 kg

Peak inhalation rate

大人為 12⁽²⁾，小孩設為大

CONTAM Libraries 預 設

值 0.01⁽⁴⁾ ℃

Discharge coefficient

CONTAM Libraries 預 設

值 0.78⁽⁴⁾ --

Exponent

CONTAM Libraries 預 設

值 0.5⁽⁴⁾ --

表 3.6 參數設定說明(續)

One-way flow using

CONTAM Libraries 預設

值 0.3⁽⁴⁾ cm²/m²

Pressure drop

CONTAM Libraries 預設

值 4⁽⁴⁾ Pa

Discharge coefficient

CONTAM Libraries 預設

值 1⁽⁴⁾ Pa

Flow exponent

CONTAM Libraries 預設

值 0.65⁽⁴⁾ Pa

IntDoor-Close Model Type:

One-way flow using

CONTAM Libraries 預設

值 102⁽⁴⁾ cm²

Pressure drop

CONTAM Libraries 預設

值 37.5⁽⁴⁾ Pa

Discharge coefficient

CONTAM Libraries 預設

值 1⁽⁴⁾ Pa

Flow exponent

CONTAM Libraries 預設

值 0.5⁽⁴⁾ Pa

註〆(1)參考附錄 C々(2)Xie et al., (2008)々(3) Dutton et al., (2008)々(4) NIST. (2008).

在了解研究場所的空間分佈後，選用適當的建築物元件，以 CONTAM 的繪圖界面，將研究場所以平面圖表示，如圖 3.2 所示，其中圖中的各圖 示可參照表 3.7。

圖 3.2 CONTAM 場所平面圖

表 3.7 CONTAM 元件與圖示對照表

元件 圖示 說明

Zone Zone Properties

AHS Air-handling system

Supply Room air supply (inlet) of an air-handling system Return Room air return (outlet) of an air-handling system Airflow

Path

Small and large one-way flow paths Small and large one-way flow paths

Directional fan flow paths

Occupant Occupant data and contaminant generation Source

and Sink Source and sink of pollutants 資料來源〆Walton,(2005).

(c) 模擬設定

在進行模擬前，頇設定模式參數。模式參數包含執行控制、氣流與污 染物數值模擬、輸出性質等設定，詳細整理內容請參照附錄 B。

本研究將氣流設定為定常態(Steady state)，污染物則設定為 Transient。

而模擬的開始時間頇為模擬的時距的倍數，若不是倍數則會出現錯誤視窗 提醒使用者，但仍可模擬。本研究使用到的模擬設定如下〆

1. 氣流設定為定常態(Steady state)，污染物則設定為 Transient。

2. 模擬的時距〆Calculation 設定 00:05:00、Output 設定 00:05:00、Status 設 定 01:00:00。

3. 模擬的時間開始與結束〆模擬的開始時間頇為模擬的時距的倍數，若不 是倍數則會出現錯誤視窗提醒使用者，但仍可模擬。

(d) 模擬結果

進行模擬的同時，系統會自動啟動 CONTAMX 模擬控制的介面，

ContamX 模擬可產生的檔案類型請參照附錄 B 表 C.3，這些檔案名稱與方 案命名相同，但檔案類型不同。模擬結果預產生的檔案類型可從上述的模

擬 設 定 決 定 。 本 研 究 擬 使 用 的 檔 案 為 .CBW 與 .EBW ， 前 者 以 daily box-whisker 呈現各區域污染物濃度模擬結果，後者為每個人在每個時距每 一種污染物的平均暴露量。此外，CONTAM 也可將氣流、污染物與暴露 模擬結果畫圖呈現。以圖 3.2 模擬可得圖 3.3 的氣流(綠線)與壓差(紅線)。

圖 3.3 CONTAM 模擬結果