穩(wěn)態(tài)下空調(diào)風(fēng)速對室內(nèi)污染物分布影響研究

申慧淵，杜芳莉，劉昆讓，羅曉杰，田 嘟

(西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院，西安 710077)

0 引言

中國城市的環(huán)境污染迫使城市居民將越來越多的活動(dòng)空間局限在封閉或者半封閉的建筑中[1]。在建筑室內(nèi)活動(dòng)，空調(diào)自然成為控制室內(nèi)環(huán)境、維護(hù)人員安全及舒適性的重要機(jī)械設(shè)備?？照{(diào)房間的空氣質(zhì)量也成為人們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)注的問題。在空調(diào)房間中，普遍存在可能釋放污染物的家具或者電器設(shè)備，隨著居住者的使用，家具或者設(shè)備中產(chǎn)生的污染物被連續(xù)釋放到室內(nèi)空間中，除此之外，室外污染物也會(huì)通過滲透進(jìn)入室內(nèi)，根據(jù)以往的研究結(jié)果[2]，通過降解污染物的手段，無法完全去除這部分污染物。綜合考慮室內(nèi)和室外的污染物來源，長此以往越來越多的有害污染物最終會(huì)在室內(nèi)不斷地累積，與此同時(shí)，累積的污染物會(huì)伴隨空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，在室內(nèi)發(fā)生對流擴(kuò)散，部分污染物會(huì)再次進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)，在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)一步累積。如果空調(diào)用戶忽視家用空調(diào)的清潔，伴隨著家用空調(diào)的再次啟動(dòng)，污染物會(huì)二次進(jìn)入室內(nèi)，容易造成密閉室內(nèi)空氣品質(zhì)的嚴(yán)重惡化，直接影響室內(nèi)人員的健康，特別是，久居室內(nèi)的人員一般多為年長者或者嬰幼兒，其更加容易受到密閉空調(diào)房間中未清潔的空調(diào)送風(fēng)的影響。研究日常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下家用空調(diào)送風(fēng)的污染特征，可以幫助居民回避風(fēng)險(xiǎn)，所以，該項(xiàng)研究工作具備重要的實(shí)用價(jià)值。

研究日常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下家用空調(diào)送風(fēng)的污染特征，可以通過實(shí)驗(yàn)測試或者計(jì)算機(jī)仿真完成。受到測試技術(shù)的限制，通過實(shí)驗(yàn)方法很難獲取詳細(xì)的空調(diào)室內(nèi)污染物數(shù)據(jù)，所以，以往關(guān)于空調(diào)運(yùn)行與污染物之間關(guān)系的研究工作主要集中在空調(diào)室內(nèi)污染物的分類[3-5]、空調(diào)室內(nèi)居民對污染物的機(jī)體反應(yīng)[6-8]以及空調(diào)的最佳運(yùn)行策略[9]等方面。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境方面的應(yīng)用越來越多。借助CFD技術(shù)，可以獲得空調(diào)房間內(nèi)部詳細(xì)的污染物濃度分布，避免了實(shí)驗(yàn)方法獲得數(shù)據(jù)周期長以及數(shù)據(jù)點(diǎn)過少的缺陷，為深入分析空調(diào)運(yùn)行與污染物分布之間的關(guān)系提供了有力的技術(shù)支撐。例如，借助CFD技術(shù)，可以成功地評估各種揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的分布，并計(jì)算出與之相伴的其它室內(nèi)環(huán)境參數(shù)[10]?；贑FD獲取的室內(nèi)溫度和污染物濃度分布的詳細(xì)數(shù)據(jù)，可以更精準(zhǔn)地分析空調(diào)運(yùn)行參數(shù)對污染物分布的影響。

1 空調(diào)房間布局及空調(diào)運(yùn)行情況

通過考量某居民樓內(nèi)部配備空調(diào)的臥室，空調(diào)房間布局如圖1所示。該房間的空間尺寸為：長4500 mm，寬3900 mm，高2700 mm?？照{(diào)安裝于內(nèi)墻，安裝高度為2252 mm，空調(diào)尺寸依據(jù)某品牌實(shí)際空調(diào)尺寸設(shè)置，長998 mm，寬3900 mm，高2700 mm，空調(diào)送風(fēng)口尺寸為：長998 mm，寬74.5 mm。

圖1 空調(diào)房間布局示意圖

空調(diào)運(yùn)行于穩(wěn)定狀態(tài)，送風(fēng)角度為30°，送風(fēng)溫度[11]被控制在17 ℃。本研究僅探討密閉房間中空調(diào)送風(fēng)速度對居住環(huán)境中污染物分布的影響，所以，選取三個(gè)檔位的送風(fēng)速度，分別是：1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s，在下文中，依次對這三個(gè)檔位風(fēng)速的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬，比較不同送風(fēng)速度下室內(nèi)環(huán)境的異同?？紤]到空調(diào)長期沒有進(jìn)行徹底的清潔，空調(diào)送風(fēng)將空調(diào)內(nèi)部積累的污染物送入房間，以文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定送風(fēng)污染物濃度[12]為2.49 mg/m3，房間壁面對流傳熱系數(shù)設(shè)置為1.86 W/m2·K，壁面溫差為3 ℃。整個(gè)房間處于封閉狀態(tài)，人員長期在內(nèi)部進(jìn)行活動(dòng)，考察人員周圍的體感環(huán)境，其考察的水平截面選取為垂直于Z軸，平面高度為1.0 m，考察的垂直截面選取為垂直于空調(diào)軸線的房間中部立面，其截面坐標(biāo)為：Y=1.95 m，其余環(huán)境參量見下文求解器中所設(shè)置。

2 CFD數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程組

空調(diào)房間內(nèi)的氣體流動(dòng)控制方程包括：連續(xù)性方程(1)、動(dòng)量方程(2)和能量方程(3)?？照{(diào)累積的污染物濃度被視為被動(dòng)標(biāo)量，在房間內(nèi)部的對流過程通過標(biāo)量輸運(yùn)方程(4)進(jìn)行簡化。本文的控制方程組如下：

其中，αk是關(guān)于湍動(dòng)能k的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；αε是關(guān)于湍動(dòng)能耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；Gk為速度梯度引起的湍動(dòng)能生成量；Gb為浮力導(dǎo)致的湍動(dòng)能生成量；YM為可壓縮的湍流運(yùn)動(dòng)脈動(dòng)變化對總的耗散率造成的影響量；R是平均應(yīng)變率影響項(xiàng)。

2.2 網(wǎng)格劃分

圖2 空調(diào)房間的計(jì)算域和網(wǎng)格

本論文將整個(gè)三維房間中的空間作為CFD計(jì)算區(qū)域，計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分基于ANSYS/ICEM平臺(tái)，劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。最小網(wǎng)格設(shè)置為0.01 m，網(wǎng)格漸變率采用1.2，整體網(wǎng)格數(shù)量為113247個(gè)，空調(diào)房間的計(jì)算域和網(wǎng)格如圖2所示?？拷照{(diào)表面以及墻壁的網(wǎng)格取0.01 m，同時(shí)配合使用壁面函數(shù)，壁面函數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.3 求解器設(shè)置

求解器基于Fluent平臺(tái)，采用基于壓力基的求解器，壓力和速度耦合求解采用SIMPLE算法。空間離散格式均選用二階格式。湍流模型選取RNG k-ε湍流模型。

考慮到夏季建筑空調(diào)室內(nèi)與室外的溫差，建筑壁面邊界的對流換熱系數(shù)取1.86 W/m2·K，其熱通量取5.58 W/m2?？照{(diào)送風(fēng)口取速度進(jìn)口邊界條件，送風(fēng)速度大小分別取1.0 m/s、1.5 m/s以及2.0 m/s，考慮到房間內(nèi)部氣流會(huì)形成湍流，進(jìn)口處的湍流強(qiáng)度取5 %。送風(fēng)角度設(shè)置為30°，送風(fēng)溫度設(shè)置為17 ℃。設(shè)定送風(fēng)污染物濃度為2.49 mg/m3。

本文在穩(wěn)態(tài)計(jì)算過程中設(shè)置能量方程殘差小于10-6，設(shè)置連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和RNG k-ε湍流模型方程殘差均小于10-3。

3 模擬結(jié)果與分析

基于CFD技術(shù)詳細(xì)展示空調(diào)房間內(nèi)部溫度及污染物濃度的分布。送風(fēng)速度大小分別取1.0 m/s、1.5 m/s以及2.0 m/s，通過改變空調(diào)送風(fēng)速度，揭示當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，送風(fēng)速度對空調(diào)房間溫度和污染物分布的影響。

3.1 送風(fēng)速度1.0 m/s

送風(fēng)速度1.0 m/s時(shí)空調(diào)房間環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布如圖3所示。空調(diào)送風(fēng)口處的送風(fēng)速度為1.0 m/s時(shí)，空調(diào)房間內(nèi)部房間中截面(Y=1.95 m)和休息狀態(tài)(居民姿態(tài)呈現(xiàn)為坐姿)居民呼吸高度截面處(Z=1.00 m)的溫度統(tǒng)計(jì)分布和污染物濃度統(tǒng)計(jì)分布分別如圖3(a)、圖3(b)所示。

由圖3(a)所示，沿著空調(diào)送風(fēng)路徑(傾角30°，向下送風(fēng))，靠近送風(fēng)口，其空調(diào)送風(fēng)路徑縱深作用距離沒有超過空調(diào)房間的一半縱深距離時(shí)，溫度的統(tǒng)計(jì)平均值均靠近送風(fēng)口溫度，最高統(tǒng)計(jì)溫度才達(dá)到21°；在房間用戶的呼吸高處(Z=1.00 m)，最高統(tǒng)計(jì)溫度達(dá)到24°，呼吸高度處的高溫區(qū)域(≥22°)約占房間面積的一半。

由圖3(b)所示，沿著空調(diào)送風(fēng)路徑，污染物濃度從送風(fēng)口處到送風(fēng)口對面墻體處，其數(shù)值大小逐漸降低，大部分區(qū)域處的污染物統(tǒng)計(jì)濃度達(dá)到2.70 mg/m3。在房間用戶的呼吸高處(Z=1.00 m)，最高污染物統(tǒng)計(jì)濃度達(dá)到2.70 mg/m3，最低污染物統(tǒng)計(jì)濃度達(dá)到2.68 mg/m3，在呼吸高度處，絕大部分區(qū)域的污染物濃度是送風(fēng)口污染物濃度的1.08倍。

(a) 空調(diào)房間溫度統(tǒng)計(jì)分布

(b) 空調(diào)房間污染物濃度統(tǒng)計(jì)分布

3.2 送風(fēng)速度1.5 m/s

送風(fēng)速度1.5 m/s時(shí)空調(diào)房間環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布圖如圖4所示。空調(diào)送風(fēng)口處的送風(fēng)速度為1.5 m/s時(shí)，空調(diào)房間內(nèi)部房間中截面(Y=1.95 m)和休息狀態(tài)居民呼吸高度截面處(Z=1.00 m)的溫度統(tǒng)計(jì)分布和污染物濃度統(tǒng)計(jì)分布分別如圖4(a)、圖4(b)所示。

由圖4(a)可知，沿著空調(diào)送風(fēng)路徑(傾角30°，向下送風(fēng))，更大范圍內(nèi)部的溫度值均靠近送風(fēng)口溫度，最高統(tǒng)計(jì)溫度才達(dá)到19°，低于送風(fēng)速度為1.5 m/s時(shí)的21°。維持21°的空氣擴(kuò)散縱深距離已經(jīng)超過空調(diào)房間的一半縱深距離，該溫度的擴(kuò)散面積大約占3/4截面面積。在房間用戶的呼吸高處(Z=1.00 m)，最高統(tǒng)計(jì)溫度達(dá)到21°，低于送風(fēng)速度為1.5 m/s時(shí)的24°，呼吸高度處的區(qū)域全部位于低溫區(qū)域(≤22°)?？照{(diào)房間各處的溫度均低于送風(fēng)速度為1.5 m/s時(shí)的溫度，可見空調(diào)房間的制冷效果明顯。同時(shí)，在空調(diào)房間內(nèi)部，溫度梯度發(fā)生變化的區(qū)域與之前相比較，其面積增大，即溫度梯度的變化更加復(fù)雜，這與送風(fēng)速度增大后，空調(diào)房間內(nèi)部的回流效應(yīng)增強(qiáng)直接相關(guān)。

由圖4(b)可知，沿著空調(diào)送風(fēng)路徑，污染物濃度依舊從送風(fēng)口處向送風(fēng)口對面墻體處依舊逐漸降低，大部分區(qū)域處的污染物統(tǒng)計(jì)濃度達(dá)到2.78 mg/m3，高于送風(fēng)速度為1.5 m/s時(shí)的2.70 mg/m3，最高污染物統(tǒng)計(jì)濃度達(dá)到2.82 mg/m3。最高污染物統(tǒng)計(jì)濃度是送風(fēng)速度為1.5 m/s時(shí)的1.04倍。在房間用戶的呼吸高處(Z=1.00 m)，最高污染物統(tǒng)計(jì)濃度達(dá)到2.80 mg/m3，與送風(fēng)速度為1.5 m/s時(shí)保持一致。但是，在房間用戶的呼吸高處(Z=1.00 m)，幾乎全部區(qū)域已經(jīng)被2.80 mg/m3濃度的污染物污染?？梢?，伴隨著送風(fēng)速度的增加，當(dāng)送風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí)，在呼吸高度處，污染程度增大，大部分區(qū)域的污染物濃度是送風(fēng)口污染物濃度的1.12倍。

(a) 空調(diào)房間溫度統(tǒng)計(jì)分布

(b) 空調(diào)房間污染物濃度統(tǒng)計(jì)分布

3.3 送風(fēng)速度2.0 m/s

送風(fēng)速度2.0 m/s時(shí)空調(diào)房間環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布如圖5所示?？照{(diào)房間內(nèi)部房間中截面(Y=1.95 m)和工作狀態(tài)居民呼吸高度截面處(Z=1.00 m)的溫度統(tǒng)計(jì)分布和污染物濃度統(tǒng)計(jì)分布分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

如圖5(a)所示，沿著空調(diào)送風(fēng)路徑(傾角30°，向下送風(fēng))，溫度靠近送風(fēng)口溫度，除此之外，幾乎在其截面全部位置處統(tǒng)計(jì)溫度均達(dá)到19°，靠近墻壁處最高溫度也只有20°。在房間用戶的呼吸高處(Z=1.00 m)，與房間中截面(Y=1.95 m)處類似，幾乎在其截面全部位置處統(tǒng)計(jì)溫度均達(dá)到19°。

如圖5(b)所示，污染物濃度從送風(fēng)口向送風(fēng)口對面墻體依舊逐漸降低，大部分區(qū)域的污染物統(tǒng)計(jì)濃度大于2.90 mg/m3，高于送風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí)的2.80 mg/m3，最高污染物統(tǒng)計(jì)濃度達(dá)到2.95 mg/m3，整個(gè)房間污染程度繼續(xù)增大。

(a) 空調(diào)房間溫度統(tǒng)計(jì)分布

(b) 空調(diào)房間污染物濃度統(tǒng)計(jì)分布

4 結(jié)論

本文通過模擬分析，詳細(xì)展現(xiàn)了空調(diào)房間在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，空氣品質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均值的分布規(guī)律(溫度統(tǒng)計(jì)平均值和污染物濃度統(tǒng)計(jì)平均值)。結(jié)果顯示，家用空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)對室內(nèi)污染物的分布具有很大的影響。伴隨著送風(fēng)風(fēng)速的逐漸增大，室內(nèi)溫度分布趨于均勻，其溫度統(tǒng)計(jì)值逐漸降低，制冷效果逐漸增強(qiáng)；室內(nèi)污染物分布的結(jié)果說明在長期忽視空調(diào)清潔問題的前提下，較高的送風(fēng)風(fēng)速，雖然利于空調(diào)室內(nèi)的降溫性能，但是卻增大了室內(nèi)污染物的分布范圍，污染物的局部濃度也逐漸增大，最高污染物統(tǒng)計(jì)濃度達(dá)到2.95 mg/m3，是空調(diào)送風(fēng)口處污染物濃度的1.18倍，不利于室內(nèi)居民的長期健康。本文的研究工作證實(shí)了空調(diào)房間空調(diào)的潔凈程度直接影響室內(nèi)居民的健康；增加空調(diào)送風(fēng)口的風(fēng)速，可以提高空調(diào)房間的制冷效果，但是，不利于減弱室內(nèi)污染物的危害程度；在空調(diào)房間中選擇適中的空調(diào)送風(fēng)速度，可以優(yōu)化空調(diào)房間的整體空氣品質(zhì)。將空調(diào)房間內(nèi)部的污染物濃度視為被動(dòng)標(biāo)量，本文的結(jié)論適用于所有類型的污染物。