淺析被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)室外顆粒物對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響

任毅

摘 要：新風(fēng)系統(tǒng)在住宅內(nèi)的運(yùn)用越來越多，被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)也被廣泛地運(yùn)用，但是隨著大氣污染越來越嚴(yán)重，室外的顆粒物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)。在被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)下，室外顆粒物污染對(duì)室內(nèi)環(huán)境會(huì)造成什么樣的影響，將運(yùn)用CFD模擬并作簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)；顆粒物；室內(nèi)環(huán)境；新風(fēng)

中圖分類號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.016

大氣污染已成為人類所面臨的最為嚴(yán)重的危機(jī)之一，而大氣中的懸浮顆粒物則是大氣污染的主要因素。懸浮顆粒物中主要有粉塵、煤煙及煙霧等各種固態(tài)或液態(tài)顆粒。按照其粒徑的大小可分為：粒徑≤100 μm的總懸浮顆粒物（TSP）、粒徑≤10 μm的可吸入顆粒物（PM10）與粒徑≤2.5 μm的小顆粒物（PM2.5）。其中，粒徑≤10 μm的可吸入顆粒物能在大氣中停留幾天或數(shù)十天，漂浮范圍從幾公里到上千公里，幾乎不能靠重力沉降，并且可吸入顆粒物的表面吸附有大量的有毒有害物質(zhì)，它們不僅會(huì)影響大氣能見度和氣候，更會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重的威脅。

隨著室外環(huán)境的不斷惡化，PM10的數(shù)值最近不斷地爆表，上海地區(qū)2014年P(guān)M10的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示，單位：μg/m3。

圖1 上海地區(qū)2014年P(guān)M10的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

隨著大家對(duì)空氣質(zhì)量的要求越來越高，新風(fēng)系統(tǒng)在住宅內(nèi)的運(yùn)用越來越多。住宅的新風(fēng)系統(tǒng)一般采用新風(fēng)處理機(jī)、全熱交換器和被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)。而被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)由于系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、沒有多余管線、設(shè)備投資少而被廣泛采用。

被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)是從衛(wèi)生間排風(fēng)，臥室、客廳燈房間設(shè)置自然進(jìn)風(fēng)口。由衛(wèi)生間形成排風(fēng)的負(fù)壓，從而從自然進(jìn)風(fēng)口引入室外的新風(fēng)，以此滿足人們對(duì)新風(fēng)的要求，提高居住的品質(zhì)和舒適度。

由于新風(fēng)取自室外，且新風(fēng)口一般不會(huì)設(shè)置過濾裝置，那么，在室外顆粒物濃度較大的情況下，在開啟被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)后，室外的顆粒物通過新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)后，會(huì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境造成什么樣的影響呢？這是本文主要要模擬的情況。

1 模型的建立

選取一個(gè)典型的2室2廳的房間進(jìn)行模擬，建筑圖如圖2所示。

根據(jù)建筑圖構(gòu)建模型，陽臺(tái)按照露天室外考慮，主臥、次臥和客廳各設(shè)置一個(gè)被動(dòng)式新風(fēng)口，在廁所設(shè)置排風(fēng)扇一處，房間凈高按照2.7 m考慮，衛(wèi)生間按照設(shè)置吊頂、高度為2.4 m考慮。被動(dòng)式新風(fēng)口設(shè)置在2.1 m的高度，衛(wèi)生間排氣扇設(shè)置在衛(wèi)生間吊頂頂部，房間與房間的門按照全部敞開，門高為2 m。根據(jù)建筑圖建立如下模型。

模擬的過程中考慮幾處簡(jiǎn)化：①房間除了被動(dòng)式新風(fēng)口，其余門窗都不考慮滲漏風(fēng)；②顆粒物不沉降、不凝并，都處于漂浮狀態(tài)，忽略室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)顆粒物的影響，并不考慮室內(nèi)顆粒物；③假設(shè)模擬時(shí)間段內(nèi)室外顆粒物濃度為定值（由于模擬時(shí)間較短，可認(rèn)為短時(shí)間內(nèi)顆粒物濃度為定值）。

圖2 模擬房間

依據(jù)模擬過程考慮的簡(jiǎn)化，可對(duì)模擬的模型做相應(yīng)的簡(jiǎn)化。由于不考慮滲漏風(fēng)影響，廚房沒有被動(dòng)式新風(fēng)入口，可在模型內(nèi)忽略此部分。得出簡(jiǎn)化后的模型如圖4所示。

圖3 模型示意圖 圖4 簡(jiǎn)化后的模型

2 模擬的邊界條件

2.1 新風(fēng)量

戶型套內(nèi)面積72 m2。按照換氣次數(shù)計(jì)算新風(fēng)量。依據(jù)規(guī)范《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736—2012）中表3.0.6-2計(jì)算室內(nèi)新風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

按照居住3口之家考慮，人均應(yīng)在20 m2

2.2 室外顆粒物濃度

PM10全年的平均值在73 μg/m3，還屬于在良好的范圍內(nèi)。本次模擬按照極端的極限情況，即室外PM10的濃度在300 μg/m3的情況下進(jìn)行模擬。

2.3 邊界條件

假定邊界條件：①假設(shè)通風(fēng)效果良好，對(duì)此形式進(jìn)行模擬，得出室內(nèi)的顆粒物濃度場(chǎng)；②粒子在被動(dòng)式新風(fēng)口為射入，所有的壁面考慮為反彈，在風(fēng)扇出口粒子設(shè)置為逃逸；③采用非穩(wěn)態(tài)時(shí)間。

3 模擬結(jié)果

先對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，在838S大約14 min時(shí)，流場(chǎng)收斂達(dá)到穩(wěn)態(tài)。然后設(shè)置粒子源，分別模擬300S、600S、900S時(shí)室內(nèi)顆粒物的濃度場(chǎng)，得出如圖5的結(jié)果。由于增加了顆粒物相，流體的穩(wěn)態(tài)收斂時(shí)間有所增加。

（a）300S時(shí)顆粒物濃度場(chǎng)矢量 （b）600S時(shí)顆粒物濃度場(chǎng)矢量

（c）900S時(shí)顆粒物濃度場(chǎng)矢量 （d）達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)顆粒物濃度分布

圖5 流場(chǎng)模擬結(jié)果

4 模擬結(jié)果的分析

4.1 流場(chǎng)結(jié)果分析

從流場(chǎng)上可以看出，被動(dòng)式新風(fēng)口在靠近墻壁設(shè)置時(shí)有明顯的貼附現(xiàn)象，流動(dòng)沿墻壁貼附向前，然后側(cè)向進(jìn)行擴(kuò)散。而如果設(shè)置在靠近中間的位置，則可充分發(fā)展。在設(shè)置被動(dòng)式新風(fēng)口一側(cè)的對(duì)側(cè)為氣流死區(qū)。

從流場(chǎng)上分析可知：①被動(dòng)式新風(fēng)口的安裝位置最好在房間的中間，這樣氣流可以充分地發(fā)展，并與室內(nèi)的空氣參混。②被動(dòng)式新風(fēng)口如果貼墻設(shè)置，最好和門在兩側(cè)設(shè)置。由于氣流的貼附現(xiàn)象比較嚴(yán)重，與房門在對(duì)側(cè)時(shí)氣流參混和發(fā)展較好，而和門在同側(cè)的情況下，未與室內(nèi)空氣完全參混即從門處排至其他房間。③從圖4中可以看出，氣流幾乎參混了70%以上的房間面積，幾乎15 min就達(dá)到氣流的穩(wěn)態(tài)?？梢哉f，被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)能較好地解決室內(nèi)新風(fēng)的問題。

4.2 顆粒物濃度場(chǎng)分析

從顆粒物的濃度場(chǎng)可以看出，300S顆粒物的發(fā)展與流場(chǎng)的發(fā)展基本一致，到600S時(shí)顆粒物的發(fā)展和流場(chǎng)的發(fā)展出現(xiàn)較大的偏差，隨后粒子開始在室內(nèi)擴(kuò)散。由于排風(fēng)只是在廁所內(nèi)排出，排風(fēng)的流場(chǎng)影響范圍小，因此粒子從排風(fēng)處排出的數(shù)量較少，大部分的粒子在室內(nèi)擴(kuò)散及沉積。

進(jìn)入室內(nèi)后，顆粒物隨氣流運(yùn)動(dòng)，入口部分粒子主要隨氣流運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散較小。隨著新風(fēng)逐漸與室內(nèi)參混，新風(fēng)對(duì)粒子的攜帶能力也開始下降，顆粒物在離開被動(dòng)式新風(fēng)口后開始在室內(nèi)擴(kuò)散。

5 結(jié)束語

被動(dòng)式新風(fēng)能較好地解決室內(nèi)的新風(fēng)問題，創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境，但是在室外污染物比較嚴(yán)重的情況下，被動(dòng)式新風(fēng)口又無法安裝有效的過濾裝置，室內(nèi)環(huán)境在較短的時(shí)間內(nèi)會(huì)達(dá)到室外污染物的水平。所以建議在安裝被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)的情況下，且室外污染物指標(biāo)較高時(shí)，不要開啟被動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)。

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〔編輯：王霞〕