輻射復(fù)合空調(diào)室內(nèi)粉塵顆粒物濃度分布特性

蔣達(dá)華，李 瑋，許 艷，費(fèi) 華

(江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

輻射復(fù)合空調(diào)室內(nèi)粉塵顆粒物濃度分布特性

蔣達(dá)華，李 瑋，許 艷，費(fèi) 華

(江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

以輻射復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過實(shí)際空調(diào)供冷案例研究分析室內(nèi)不同粉塵顆粒釋放源位置下顆粒物濃度分布及擴(kuò)散特性。研究結(jié)果表明：靠近熱源處的顆粒沿?zé)崃鞣较蚩v向遷移，其他室內(nèi)顆粒物擴(kuò)散則主要受通風(fēng)氣流組織的影響，氣流跟隨性強(qiáng)；送風(fēng)口和熱源處的顆粒發(fā)塵源對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度分布及擴(kuò)散影響較大，當(dāng)顆粒發(fā)塵源處氣流湍流度小時(shí)，影響最小。

復(fù)合空調(diào)；顆粒釋放源；氣流 ；顆粒物濃度

近年來，大氣污染日趨嚴(yán)重，人們開始關(guān)注室、內(nèi)外空氣中可吸入顆粒物、粉塵等固態(tài)污染物質(zhì)濃度的監(jiān)測(cè)與控制研究，顆粒物及粉塵所引起的“霧霾天氣”、 低能見度問題，使人們出行受阻、呼吸困難，室內(nèi)長(zhǎng)期超標(biāo)的空氣顆粒物濃度(<0.14 mg/m3)[1]環(huán)境對(duì)人體的呼吸道、肝臟等也造成了嚴(yán)重的危害。顆?？諝馕廴疽褔?yán)重影響了人們的日常生活。

據(jù)統(tǒng)計(jì)[2-4]，人們每天在室內(nèi)的時(shí)間大約占整天時(shí)間的80%～90%，老弱病殘?jiān)小⒂變涸谑覂?nèi)的活動(dòng)時(shí)間則更長(zhǎng)。隨著人們對(duì)物質(zhì)生活質(zhì)量和水平要求的提高，越來越多的人通過空氣加熱器、新風(fēng)處理機(jī)等空氣調(diào)節(jié)設(shè)備對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適性的要求。因此，人們?cè)絹碓疥P(guān)心滿足空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)舒適要求基礎(chǔ)下的室內(nèi)空氣質(zhì)量(Indoor air Quality，即IAQ)。近年來，新型頂板輻射與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)日益受到設(shè)計(jì)人員和業(yè)主的關(guān)注[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究[6-8]發(fā)現(xiàn)，這種送風(fēng)調(diào)節(jié)方式加大了人體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的換熱，發(fā)揮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱作用，可實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能、減少成本的目的，同時(shí)獨(dú)立的置換通風(fēng)送新風(fēng)系統(tǒng)能置換室內(nèi)渾濁空氣、提高空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)效率，從而改善室內(nèi)空氣品質(zhì)及熱舒適。目前，對(duì)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)下的室內(nèi)可吸入顆粒物分布及擴(kuò)散特性研究較少，本文以頂板輻射復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)等流場(chǎng)，研究分析室內(nèi)不同粉塵顆粒釋放源下室內(nèi)顆粒污染物的濃度分布及擴(kuò)散特性。

1 室內(nèi)粉塵顆粒受力特性

室內(nèi)粉塵顆粒物體積小、密度輕，使其受力敏感，顆粒物在各種力的綜合作用下發(fā)生擴(kuò)散、沉積，在氣流場(chǎng)中一般會(huì)受壓力梯度力、視質(zhì)量力(附加質(zhì)量力)、巴塞特(Basset)力、馬格努斯(Magnus)效應(yīng)、薩夫曼(Saffman)升力、熱泳力、布朗力及其他作用力[9]。由于室內(nèi)流體和顆粒間相對(duì)速度不大，可不考慮視質(zhì)量力，同時(shí)室內(nèi)可認(rèn)為無壓力梯度，壓力梯度力可視為零。因此， 在本文的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)中顆粒物的擴(kuò)散、傳輸主要受薩夫曼(Saffman)升力、熱泳力、布朗力等作用力耦合影響。

1.1 薩夫曼(Saffman)升力

薩夫曼升力大小可表示為：

(1)

可見，薩夫曼升力的產(chǎn)生主要是由于流場(chǎng)中的氣流與顆粒間的速度差引起的，速度差越大，湍流作用越強(qiáng)，則此作用力就越大，從而加速顆粒在房間的擴(kuò)散。

1.2 熱泳力

理論計(jì)算公式可表示為：

(2)

熱泳力在具有一定溫度梯度的流場(chǎng)中產(chǎn)生，熱泳力的大小和流場(chǎng)溫度差成正比，方向與溫度差所在的坐標(biāo)方向相反?？梢?，室內(nèi)流場(chǎng)溫度差的大小決定了顆粒所受熱泳力的大小，影響了顆粒在室內(nèi)的擴(kuò)散激烈程度。

1.3 布朗力

流場(chǎng)中的懸浮顆粒受到空氣分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的持續(xù)撞擊而產(chǎn)生的力稱為布朗力，大小表示為 ：

(3)

(4)

式中，σ為 Stefan-Boltzmann 常數(shù)；T為氣體的絕對(duì)溫度；ζi為方差為 1、期望為 0 的獨(dú)立高斯概率分布(正態(tài)分布)隨機(jī)數(shù)。

前述公式均假設(shè)計(jì)算的顆粒為球形且氣體為理想氣體，室內(nèi)流場(chǎng)中的粉塵顆粒除受上面各力影響外，還有顆粒物與顆粒物之間碰撞產(chǎn)生的力以及顆粒物和壁面等碰撞產(chǎn)生的力等[10]，但這類力通常難以理論計(jì)算。

2 制冷工況實(shí)例設(shè)計(jì)

以贛州市某20 m2的辦公房間為例進(jìn)行實(shí)例分析，如圖1，房間的實(shí)際長(zhǎng)、寬、高為5 m×4 m×3.3 m，房間內(nèi)有兩個(gè)辦公人員，兩張辦公桌，頂板有一個(gè)照明設(shè)備，頂板布置有兩張尺寸為4 m×2.3 m的輻射板，房間底部有一個(gè)送風(fēng)口inlet，室內(nèi)回風(fēng)由outlet風(fēng)口排出。設(shè)定室內(nèi)空氣溫度為27℃，相對(duì)濕度為60%。房間的南面墻為傳熱系數(shù)1.3 W/(m2·℃)的混凝土結(jié)構(gòu)外墻，其余墻為絕熱內(nèi)墻，室內(nèi)辦公人員冷負(fù)荷設(shè)定為輕度勞動(dòng)強(qiáng)度下的放熱量[11]，即108 W，人體散濕按照成年男子在25℃下輕度工作的散濕量175 g/(h·人)。照明設(shè)備冷負(fù)荷為一般白熾燈，200 W，則總的冷負(fù)荷Qs為0.96 kW。

圖1 贛州市某建筑辦公房間物理模型

2.1 新風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)的確定

復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量為房間內(nèi)的最小新風(fēng)量，即60 m3/h，房間的散濕源僅為室內(nèi)兩位輕度工作強(qiáng)度下的成年男子。室外空氣冷卻除濕到L點(diǎn)，L點(diǎn)直接等濕加熱到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，C點(diǎn)為輻射頂板表面狀態(tài)點(diǎn)，狀態(tài)參數(shù)僅為輻射板表面溫度，空氣處理過程如圖2所示。

新風(fēng)處理后的含濕量：dL=dN-W/GW=13.4-350/72=8.5 g/kg，dL與相對(duì)濕度90%線相交得機(jī)器露點(diǎn)L：tL=15.7℃，hL=42.1 kJ/kg。

為避免輻射板結(jié)露，同時(shí)考慮新風(fēng)系統(tǒng)為置換通風(fēng)，則采用高于露點(diǎn)送風(fēng)溫度6℃進(jìn)行送風(fēng)，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O為：t0=22℃，h0=46.4 kJ/kg。

故新風(fēng)承擔(dān)的室內(nèi)負(fù)荷為：Q1=1.2×G(hN-h0)/3600=0.312 kW

圖2 復(fù)合空調(diào)空氣處理過程

2.2 輻射板負(fù)擔(dān)的室內(nèi)冷負(fù)荷

以冷卻頂板供水溫度高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度5～7℃考慮，則冷卻頂板的設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為20℃、22℃，冷卻頂板的平均冷水溫度為21℃，此復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的輻射板采用德國(guó)Krantz公司生產(chǎn)的SKS-4/3型對(duì)流式冷卻頂板[12]，計(jì)算其負(fù)擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷。

(1)參考樣本[12]，單位輻射面積的供冷量：

q0=85 W/m2

(2) 冷卻頂板單位面積實(shí)供冷量[13]：

q=q0×k1×k2=85×0.7×1.18=70.21 kW

式中，k1、k2為在冷卻頂板面積縫隙率為20%下的修正系數(shù)，分別為0.7、1.18。

(3) 頂板承擔(dān)室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷量：

Qf=Qs-Q1=0.96-0.31=0.65 kW

則此房間需要SKS-4/3型對(duì)流式冷卻頂板面積為9.26 m2，基于房間頂板的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在頂板照明燈的兩側(cè)分別安裝兩塊5 m2的輻射板R1、R2。

3 室內(nèi)不同粉塵釋放源下顆粒濃度分布規(guī)律

由于顆粒物的擴(kuò)散、沉積及濃度分布與室內(nèi)氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等息息相關(guān)，因此需要對(duì)室內(nèi)溫度、速度等氣流參數(shù)進(jìn)行分析。

對(duì)于置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)人們最為關(guān)注的是距腳踝0.1 m處截面、坐姿時(shí)呼吸截面及房間的中心面處的溫度值和空氣流動(dòng)速度，且距腳踝0.1 m面與室內(nèi)工作區(qū)截面的溫差值和氣流速度變化大小也影響著室內(nèi)熱環(huán)境的熱舒適性，故選取房間截面Y=0(房間中心面)、Z=-1.55(腳踝0.1m處)、Z=-0.25(辦公呼吸截面)及X=0(兩工作人員所在截面)作為代表面進(jìn)行結(jié)果研究分析。利用流體專業(yè)模擬分析軟件Fluent，選擇合適的計(jì)算模型及邊界條件，進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.1 復(fù)合空調(diào)室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分析

此復(fù)合空調(diào)的送新風(fēng)系統(tǒng)采用房間底部送風(fēng)、頂部排風(fēng)的置換通風(fēng)方式，見圖3。

圖3 室內(nèi)置換通風(fēng)氣流矢量圖

由圖3可知，由于置換通風(fēng)的送風(fēng)速度為0.5 m/s，且由底部送出，因此房間工作區(qū)的氣流相對(duì)穩(wěn)定，渦流區(qū)較少，氣流大多穩(wěn)定向上，不會(huì)出現(xiàn)局部大溫差。但是在房間頂部附近氣流有向下的趨勢(shì)，這是因?yàn)椴贾迷陧敳康睦漭椛浒宓淖饔?，溫度較低的空氣與室內(nèi)較熱空氣存在溫差，造成冷、熱空氣間的密度差，使得輻射板附近氣流有向下流動(dòng)趨勢(shì)。

圖4、圖5為截面X=0、Z=-0.25(工作區(qū))處溫度和速度分布云圖。由圖4可知，由于人體體溫穩(wěn)定，且每時(shí)每刻釋放恒定的熱量，人體附近一定范圍溫度較高，301～302 K，室內(nèi)溫度絕大部分在299 K左右(26℃)。圖5(a)為呼吸高度截面處的溫度分布圖，溫度297～299 K，只有在人體附近的小范圍溫度達(dá)到了299 K，其他溫度在297.5 K左右。分析圖4、圖5的截面速度圖，可知由于送風(fēng)的速度較小，使得房間送風(fēng)截面以上區(qū)域的空氣流動(dòng)速度很低，雖然局部產(chǎn)生氣流，引起速度差，但局部速度差在0.1 m/s。

(a) 溫度分布 (b)速度分布圖4 X=0截面處溫度和速度分布圖

(a) 溫度分布 (b)速度分布圖5 Z=-0.25截面處溫度和速度分布圖

在房間地板上布置三個(gè)不同位置的測(cè)試點(diǎn)H1、H2、H3，H1位于原點(diǎn)，H2為靠近人體的點(diǎn)，H3是遠(yuǎn)離送風(fēng)口、靠近角落的點(diǎn)，對(duì)這三點(diǎn)的房間垂直高度上的溫度和速度值進(jìn)行記錄，結(jié)果如圖6所示。由于圖6(a)的H1點(diǎn)剛好在射流范圍內(nèi)，于是底部區(qū)域空氣的溫度較低，速度大，此區(qū)域以上的溫度和速度值則較穩(wěn)定。由圖6(b)可知，H2點(diǎn)靠近人體，在人體附近的渦流和人體熱源的作用下，房間中間區(qū)域的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)不穩(wěn)定，具有較大的速度差。而靠近角落的H3點(diǎn)，由于此處無熱氣流和渦流的影響，此范圍的溫度下部高、上部較低，見圖6(c)，速度在靠近回風(fēng)口處降低。

(a)H1位置 (b)H2位置 (c)H3位置

3.2 室內(nèi)顆粒物濃度分布特性

在房間布置三個(gè)典型的顆粒釋放源，模擬分析不同顆粒釋放源位置下復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)顆粒物濃度分布特性，模擬顆粒物的粒徑為0～10 μm。圖7(a)為室內(nèi)無釋放源情況，但送入的新風(fēng)中含有一定量的污染顆粒物，作為研究工況1，室內(nèi)顆粒釋放源K1、K2、K3分別為工況2、3、4，四種工況的顆粒物質(zhì)量流率都為5×10-5kg/s(30 mg/m3)。比較四種工況，可明顯看出在相同顆粒物濃度下，通入未凈化的新風(fēng)對(duì)室內(nèi)顆粒物的擴(kuò)散影響最大，顆粒物可較大范圍地?cái)U(kuò)散到室內(nèi)區(qū)域，結(jié)合圖4、圖5分析，其他三種工況由于附近氣流速度低，溫差較小，因此顆粒物擴(kuò)散不明顯，但K3在辦公桌上，靠近人體，由于人體釋放的熱量影響，使K3處的顆粒物擴(kuò)散相對(duì)K1、K2較明顯。

(a)無釋放源 (b)K1釋放源

(c)K2釋放源 (d)K3釋放源 圖7 室內(nèi)不同粉塵釋放源X=0處顆粒物濃度

圖8為四種模擬工況下室內(nèi)縱向各截面顆粒物擴(kuò)散情況，各選取三個(gè)不同截面，最下面的截面為距地面0.1m處，中間為房間中心截面，最上面為距樓板0.1m處的截面。當(dāng)通入有一定顆粒物濃度的新風(fēng)時(shí)，顆粒物能隨氣流很快地?cái)U(kuò)散到房間各區(qū)域，各截面的顆粒物濃度最高，見圖8(a)；當(dāng)室內(nèi)有粉塵顆粒釋放源K1時(shí)，見圖8(b)，在送風(fēng)射流的影響下，顆粒物在地板的沉積量增加，顆粒向上擴(kuò)散的趨勢(shì)不明顯；當(dāng)顆粒物由K2釋放時(shí)，由于K2在房間角落處，見圖8(c)，在渦流的作用下，顆粒絕大部分在角落一定范圍內(nèi)沉積，很少擴(kuò)散到房間上部；當(dāng)室內(nèi)顆粒釋放源為一定高度，且靠近熱源時(shí)，見圖8(d)，顆粒物的向上擴(kuò)散相對(duì)較明顯，由于粒徑重量輕，且在其他熱用力和薩夫曼(Saffman)升力的作用下，釋放源截面的下部區(qū)域的顆粒物濃度較低。

(a)無釋放源 (b)K1釋放源

(c)K2釋放源 (d)K3釋放源圖8 室內(nèi)不同粉塵釋放源縱向各截面顆粒物濃度

綜合上述分析可知，直接通入室內(nèi)一定顆粒物濃度的新風(fēng)時(shí)，顆粒物的擴(kuò)散劇烈程度較其他三種工況大，室內(nèi)呼吸區(qū)(Z=-0.25)和Z=1.55截面的平均濃度最高，對(duì)人體危害較大。由于通風(fēng)氣流的影響，使得工況1的壁面沉積較小，由于工況4的顆粒釋放源距地面射流有一定距離，顆粒的擴(kuò)散主要受熱源的向上熱氣流的影響，致使大部分顆粒向上擴(kuò)散，壁面沉積率最小，工況1的房間頂部顆粒物濃度最高，同時(shí)回風(fēng)口處顆粒物濃度達(dá)4.21 mg/m3，可見工況1可排出室內(nèi)大部分的顆粒物，空氣凈化能力最好，而工況3中的顆粒釋放源在角落處，由于縱向不明顯溫差和局部渦流的影響，導(dǎo)致顆粒物在粉塵顆粒釋放源附近范圍內(nèi)聚集，難以從房間頂部風(fēng)口排出。

4 結(jié)論

通過實(shí)際供冷案例研究發(fā)現(xiàn)， 頂部輻射加置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)工作區(qū)溫度場(chǎng)分布均勻，縱向溫差小，靠近熱源處的顆粒主要沿?zé)崃鞣较蚩v向遷移，其他室內(nèi)顆粒物擴(kuò)散則主要受通風(fēng)氣流組織的影響，氣流跟隨性強(qiáng)。四種工況中，直接通入未凈化的新風(fēng)時(shí)，室內(nèi)平均顆粒物濃度較高，顆粒擴(kuò)散、遷移劇烈，對(duì)室內(nèi)人員健康最不利，同時(shí)，送風(fēng)口和熱源處的顆粒發(fā)塵源對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度分布及擴(kuò)散影響較大，顆粒發(fā)塵源處氣流湍流度小或房間角落時(shí)，顆粒擴(kuò)散路徑短，影響最小。

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Concentration distribution characteristics of indoor dust particles in radiation composite air conditioning

JIANG Da-hua, LI Wei, XU Yan, FEI Hua

(SchoolofArchitectureandSurveying&MappingEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

In the study of radiation combined air conditioning system, the concentration distribution and diffusion characteristics of particulate matter in different dust particles were analyzed by the case study. The results show that the particles near the heat source along the longitudinal direction of heat transfer and other indoor particle diffusion is mainly affected by the ventilation airflow and airflow following strong; air and heat the particles of dust sources on indoor particle concentration distribution and diffusion effect, when the particle dust source flow turbulence hour minimum effect.

composite air conditioner; particle release source; airflow; particle concentration

2016-05-15

江西省自然科學(xué)基金(20151BAB213025)；江西理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(ZS201515)

蔣達(dá)華(1977—)，男，四川安岳人，碩士，講師。

1674-7046(2016)06-0079-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.06.015

TU375

A