中央空調(diào)系統(tǒng)中污染物擴(kuò)散的模擬研究

何曹陽(yáng) 王亮 曹新悅 謝自浩 戴隆云

摘要：應(yīng)用FLUENT軟件模擬分析了房間在不同空調(diào)送風(fēng)條件下的速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)，得到此工況下的室內(nèi)速度與污染物濃度分布圖，并在此基礎(chǔ)上得到氣流組織最理想的形式，并可以采用文中的結(jié)果指導(dǎo)工程實(shí)際中設(shè)計(jì)空調(diào)，使建筑物中的空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到最理想的送風(fēng)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;FLUENT軟件;氣流組織;計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）11-0109-02

在日常生活中，人們每天有90%以上的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，室內(nèi)環(huán)境對(duì)人體健康的影響程度與其他因素相比，可以說(shuō)是最大的[1]，因此在生活水平不斷提高、科技發(fā)展不斷進(jìn)步的今天，人們對(duì)生活環(huán)境的關(guān)注度也是越來(lái)越高，追求更高質(zhì)量。目前已經(jīng)有很多研究表明，空調(diào)房間中常見(jiàn)的各種呼吸道疾病、過(guò)敏反應(yīng)等或多或少與室內(nèi)污染物有關(guān)聯(lián)。因此，研究空調(diào)系統(tǒng)中污染物的擴(kuò)散，找到適宜的送風(fēng)條件和空調(diào)安裝位置，對(duì)改善空調(diào)房間空氣品質(zhì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、數(shù)值模擬的物理模型

本房間的物理模型的尺寸為2.9m（△X）、4.8m（△Y）、3.1m（△Z）。由于房?jī)?nèi)家具等設(shè)施較少且簡(jiǎn)單，本文主要是以數(shù)值計(jì)算甲醛的分布來(lái)分析污染物分布的情況，所以有些與污染物的產(chǎn)生和與房間溫度關(guān)系不大的設(shè)施，為了簡(jiǎn)化模型，舍去這些影響不大的部件，只保留一個(gè)辦公桌和一個(gè)書(shū)柜在房間內(nèi)。本文選擇了三種氣流組織方式：自然通風(fēng)、上送上回式和置換通風(fēng)，用來(lái)模擬分析室內(nèi)空氣污染物分布的情況。

二、邊界條件

室內(nèi)溫度設(shè)定為300K。送風(fēng)口以不變的速度向外送出溫度不變的新風(fēng)，回風(fēng)口設(shè)置為求解前流速的出流邊界。本文模擬以甲醛為代表的室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)污染物的濃度場(chǎng)，故在Fluent Database Materials中復(fù)制CH2O的物性參數(shù)，假設(shè)辦公桌和書(shū)柜表面是釋放源，把邊界條件設(shè)為質(zhì)量進(jìn)口，密閉和通風(fēng)兩種狀態(tài)的甲醛釋放強(qiáng)度均為7.2×10kg/s，不隨時(shí)間變化，其他的地方均無(wú)甲醛釋放。在工作區(qū)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B，A（2，3.4，1）、B（2，0.8，1.6）分別為房間內(nèi)兩點(diǎn)，室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中甲醛的限量值0.10mg/m3。

三、不同空調(diào)通風(fēng)方式模擬結(jié)果及分析

1.數(shù)值模擬速度分布情況。反映熱舒適性因素中包含室內(nèi)空氣氣流的速度，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)規(guī)范規(guī)定，夏季室內(nèi)風(fēng)速必須達(dá)到舒適性空調(diào)的要求，風(fēng)速應(yīng)低于0.3m/s，否則會(huì)對(duì)人員產(chǎn)生較強(qiáng)的吹風(fēng)感，會(huì)使人產(chǎn)生局部的冷感從而感覺(jué)不舒適[2]。

如圖1、圖2所示，當(dāng)自然通風(fēng)工況時(shí)，由兩個(gè)不同位置的截面的速度分布圖，我們可以看出，從房間的整體來(lái)說(shuō)，復(fù)蘇很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.3m/s。根據(jù)相關(guān)氣象參數(shù)，將自然送風(fēng)速度設(shè)置的是0.12m/s。由于會(huì)有風(fēng)壓作用，在窗戶附近的空氣擾動(dòng)較大，所以局部的風(fēng)速可能會(huì)達(dá)到0.3m/s。從橫向看，風(fēng)速?gòu)拇皯粝蜷T(mén)口呈遞減趨勢(shì)，都在0.1m/s左右，同時(shí)由于受重力作用一部分氣流呈拋物線形狀流動(dòng)，而室外空氣對(duì)辦公桌的位置影響較小，風(fēng)速更低。因此，在這種情況下，利用自然通風(fēng)足夠滿足室內(nèi)舒適性對(duì)風(fēng)速的要求。

如圖3、圖4所示，上送上回的送風(fēng)速度設(shè)置為2m/s，當(dāng)上送上回式通風(fēng)工況時(shí)，由兩個(gè)不同位置的截面的速度分布云圖，我們可以看出，送風(fēng)口的送風(fēng)速度較高，在送風(fēng)口處有一個(gè)高風(fēng)速區(qū)，雖然呈遞減趨勢(shì)，但是區(qū)域內(nèi)風(fēng)速已經(jīng)超過(guò)了室內(nèi)舒適性要求。當(dāng)空氣受到阻力和辦公桌阻擋后，來(lái)到工作區(qū)的風(fēng)的速度已經(jīng)降低了許多，風(fēng)速在0.14m/s左右，是滿足舒適度要求的?；仫L(fēng)口附近也有類似送風(fēng)口的高風(fēng)速區(qū)，但是由于回風(fēng)口設(shè)計(jì)的面積是比送風(fēng)口大的，所以風(fēng)速不是很高，大部分是低于規(guī)范的。在上送上回式通風(fēng)方式下，室內(nèi)空氣的速度分布具有明顯的不均勻性，中間區(qū)域風(fēng)速高，兩邊區(qū)域風(fēng)速低，總體來(lái)說(shuō)，滿足了活動(dòng)區(qū)域?qū)︼L(fēng)速的要求。

置換式的送風(fēng)速度設(shè)置為0.3m/s，置換通風(fēng)工況下，送風(fēng)口位于房間底部，而且風(fēng)速本來(lái)就低，越往上速度越小。辦公桌在這里阻礙了氣流的流動(dòng)，使書(shū)柜附近的風(fēng)速較小，排污能力下降。由于回風(fēng)口位于房間頂部，再加上模型空間的限制，在回風(fēng)口處速度會(huì)逐漸增大。根據(jù)文獻(xiàn)，置換通風(fēng)系統(tǒng)需要保持室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速不高于0.2m/s[3]。除了送風(fēng)口和回風(fēng)口附近，其他區(qū)域風(fēng)速都小于0.1m/s，所以滿足要求舒適性。

2.數(shù)值模擬CH2O濃度分布情況。本文以CH2O為室內(nèi)空氣污染物的代表進(jìn)行數(shù)值模擬，假定只有室內(nèi)辦公桌和書(shū)柜作為CH2O的散發(fā)源。根據(jù)衛(wèi)生部制定的室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GBT 18883-2002），里面對(duì)甲醛含量的標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)閉門(mén)窗12個(gè)小時(shí)，甲醛含量≤0.1mg/m3算達(dá)標(biāo)。由于室內(nèi)空氣逐漸被室外新風(fēng)取代，而甲醛向門(mén)口方向積聚，從窗戶向門(mén)口方向室內(nèi)甲醛濃度遞增。此外，因?yàn)檗k公桌和柜子是甲醛的散發(fā)源，又要盡量避免受室外風(fēng)直吹所致不舒適，所以辦公桌和書(shū)柜附近區(qū)域的濃度也高于自然通風(fēng)流通的區(qū)域。上送上回式通風(fēng)工況，在送風(fēng)口送入新鮮空氣之后，甲醛濃度迅速降低。而甲醛的密度比空氣大，所以房間底部的甲醛濃度明顯比頂部高，上送上回式通風(fēng)工況無(wú)法有效地將桌柜附近的甲醛排放到室外。置換通風(fēng)方式下甲醛濃度分布也存在垂直梯度，新風(fēng)被從房間的底部以較低的速度送入，部分區(qū)域產(chǎn)生渦旋，對(duì)周圍的空氣卷吸，室內(nèi)的熱濁空氣也隨之上升，由此將室內(nèi)的污染物排出。由于辦公桌在房間中間對(duì)氣流產(chǎn)生障礙作用，新風(fēng)不能很好地流動(dòng)到左側(cè)，且從圖中可看出左側(cè)的甲醛濃度要明顯高于右側(cè)?？傮w來(lái)說(shuō)，除了辦公桌和書(shū)柜這些散發(fā)源小范圍的甲醛濃度略高0.1mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)要求，房間其余大部分區(qū)域皆滿足要求。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)房間內(nèi)的空氣質(zhì)量問(wèn)題，本文首先建立了物理模型，選擇了自然通風(fēng)、上送上回式通風(fēng)、置換式通風(fēng)這三種氣流組織方式，然后利用FLUENT軟件模擬在不同情況下甲醛的擴(kuò)散情況，得到不同工況下的速度分布圖以及甲醛濃度分布圖，最后對(duì)此進(jìn)行研究分析。置換式通風(fēng)，整個(gè)室內(nèi)的風(fēng)速均在一個(gè)較低的范圍內(nèi)，熱舒適性最好。送風(fēng)速度、送風(fēng)角度、送風(fēng)位置等各種因素都會(huì)影響室內(nèi)甲醛濃度分布，自然通風(fēng)的排污能力與室外風(fēng)速有直接的聯(lián)系，當(dāng)室外風(fēng)速足夠大時(shí)，足夠滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求，將污染物排除。置換式通風(fēng)是最有效的排污方式，可以將室內(nèi)大部分區(qū)域的污染物通過(guò)排風(fēng)口排出，送風(fēng)速度小，所以熱舒適性高。但在選擇置換式通風(fēng)方式時(shí)，室內(nèi)環(huán)境對(duì)空氣的分層效果影響較大，室內(nèi)物品的大小以及擺放的位置都會(huì)影響空氣的分層，進(jìn)而影響排除室內(nèi)污染物的效果。并且若室內(nèi)風(fēng)速過(guò)低時(shí)，不能很好地達(dá)到污染物在房間頂部聚集的理想效果，室內(nèi)污染物的排出也更困難。所以，為了理想高效地排出室內(nèi)空氣污染物，可以首選置換式通風(fēng)方式，而自然通風(fēng)作為輔助方案。

參考文獻(xiàn)：

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