熱風(fēng)供暖送風(fēng)方式對高大空間室內(nèi)污染物擴散的影響

葉　筱， 亢燕銘， 左　濱， 鐘　珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

熱風(fēng)供暖送風(fēng)方式對高大空間室內(nèi)污染物擴散的影響

葉筱， 亢燕銘， 左濱， 鐘珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

利用數(shù)值模擬方法研究分析了混合通風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)供暖時，高大空間內(nèi)的熱環(huán)境及污染物濃度分布特征.結(jié)果表明，兩種熱風(fēng)供暖方式在高大空間內(nèi)形成的氣流形態(tài)完全不同，導(dǎo)致污染物的空間分布也有很大差別.碰撞射流通風(fēng)時，不同類型污染物(CO2和2.5 μm顆粒物)在房間內(nèi)都能均勻分布，而混合通風(fēng)時，兩者在房間內(nèi)的分布極不均勻且表現(xiàn)出不同的分布特征，CO2集中分布于房間中部，2.5 μm顆粒物則集中分布在遠離外墻的近地面區(qū).碰撞射流通風(fēng)比混合通風(fēng)更有利于污染物的排除.此外，送風(fēng)溫差對混合通風(fēng)房間內(nèi)污染物的分布特征有明顯影響，但對碰撞射流通風(fēng)基本沒有影響.

高大空間； 熱風(fēng)供暖； 混合通風(fēng)； 碰撞射流通風(fēng)； 主動式污染物； 被動式污染物

通風(fēng)形式是影響房間內(nèi)污染物擴散的一個重要因素[1].傳統(tǒng)的冬季熱風(fēng)供暖房間，通常采用混合通風(fēng)(MV)系統(tǒng)中上送上回式的氣流組織形式.由于熱浮力的作用，送風(fēng)熱氣流將難以到達人員空間，導(dǎo)致供暖能量利用率偏低[2].碰撞射流通風(fēng)(IJV)作為一種新型的通風(fēng)方式，完全克服了混合通風(fēng)供暖時熱風(fēng)難以抵達人員空間的缺點.碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)中送風(fēng)氣流以較高的動量從垂直送風(fēng)口射出，氣流撞擊地板后向四周蔓延，冬季熱風(fēng)供暖時送風(fēng)氣流在慣性力的作用下與室內(nèi)空氣充分混合，供暖能量利用率明顯高于混合通風(fēng)[3-5].然而，由于以上兩種送風(fēng)方式在室內(nèi)形成的流場不同，室內(nèi)污染物擴散和分布特征也可能有很大區(qū)別.碰撞射流通風(fēng)能否提供優(yōu)于混合通風(fēng)房間的空氣品質(zhì)，是其進一步推廣的關(guān)鍵.

文獻[6-7]研究表明，房間內(nèi)污染物的運動主要受慣性、自然對流、溫度梯度及人員活動等因素影響.文獻[1]用數(shù)值模擬的方法研究了置換通風(fēng)和混合通風(fēng)房間內(nèi)氣溶膠粒子的沉積與濃度分布，結(jié)果表明，粒子的沉積及濃度分布主要受房間通風(fēng)條件的影響.文獻[8]指出，送、排風(fēng)口布置對室內(nèi)CO2的排出效果有重要影響.

盡管關(guān)于碰撞射流通風(fēng)和混合通風(fēng)空間的溫度和流場分布的研究較多[2-5]，但對高大空間在這兩種送風(fēng)方式下因人員呼吸產(chǎn)生的CO2(主動式污染物)和人員行走產(chǎn)生的顆粒物(被動式污染物)擴散特征的研究較少.本文在對混合通風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)高大空間內(nèi)的熱環(huán)境及污染物濃度分布進行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，分析比較兩種通風(fēng)方式下不同性質(zhì)污染物的濃度空間分布規(guī)律，為碰撞射流的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù).

1　數(shù)值計算模型

1.1物理模型及邊界條件

以一個層高為10 m的高大空間作為物理模型進行研究，圖1給出了房間的柱網(wǎng)布置情況，每個柱子的橫截面尺寸為0.6 m × 0.6 m，相鄰柱距間空調(diào)送、回風(fēng)口布置相同，根據(jù)對稱性理論，本文選取一個柱距單元作為研究對象，其平面分布見圖1灰色部分.采用MV時，送、回風(fēng)口均設(shè)置在外墻上部，送風(fēng)口尺寸為0.3 m × 0.3 m，回風(fēng)口尺寸為0.3 m × 0.2 m，送風(fēng)口高度為8.5 m，回風(fēng)口設(shè)在送風(fēng)口下方0.5 m處; 采用IJV時，送風(fēng)管緊貼柱子，送風(fēng)口尺寸為0.3 m × 0.2 m，距離地面的高度為0.3 m，回風(fēng)口尺寸為0.3 m × 0.3 m，位于屋頂中央.另外，房間內(nèi)設(shè)有3組站立的人群，每組人群尺寸為0.8 m × 0.8 m × 1.7 m(高).兩種送風(fēng)方式的風(fēng)口布置形式以及人員所在的空間位置如圖2所示.

圖1　物理模型平面分布圖(單位：mm)Fig.1　Plan of the space researched(unit: mm)

a—MV送風(fēng)口; b—MV回風(fēng)口; c,d—IJV送風(fēng)口; e—IJV回風(fēng)口; p—人員所在位置圖2　高大空間送、回風(fēng)口布置及典型面分布圖Fig.2　Locations of the inlet and outlet and typical surface in the large-height space

研究空間采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，送、回風(fēng)口、近壁面處以及污染源附近的網(wǎng)格均進行加密處理，最小網(wǎng)格尺寸為0.03 m，總網(wǎng)格數(shù)為(310～400)萬.

本文將外墻作為熱損失面.在模擬過程中，地板和屋頂均設(shè)為絕熱面.室內(nèi)熱源如人、燈和電腦等雖對房間供熱有利，但對氣流和溫度的局部分布影響很小[9]，故在模擬中不考慮室內(nèi)熱源的影響.由于送風(fēng)空調(diào)房間通常保持正壓，所以在模擬計算時將不考慮冷風(fēng)滲透造成的熱損失.

在不同熱負荷條件下，室內(nèi)的溫度和流場將出現(xiàn)不同的形態(tài).本文以室外溫度to為-5和4 ℃為例分別進行模擬計算，采用定風(fēng)量系統(tǒng)，通過改變送風(fēng)溫差來應(yīng)對不同室外氣候條件下的負荷要求.根據(jù)民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計規(guī)范[10]，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度取21 ℃.MV中熱風(fēng)以水平向下30°傾角射出，送風(fēng)速度vs為3.0 m/s.文獻[3]推薦IJV的送風(fēng)速度為1.4～3.0 m/s，因此,設(shè)熱風(fēng)以2.4 m/s的速度垂直向下射出.本文所計算工況的送風(fēng)參數(shù)和工作區(qū)(距離地面2 m以下空間)的平均溫度t列于表1中.

表1　兩種送風(fēng)方式的送風(fēng)參數(shù)及工作區(qū)平均溫度Table 1　Supply parameters and temperature in occupied zones in the two air supply systems

本文以人員呼出的CO2和人員行走產(chǎn)生的2.5 μm 顆粒物分別作為主動式污染物和被動式污染物的代表.模擬過程中，設(shè)室內(nèi)每組有4名人員，共3組，平均人員密度為0.3 人/m2.站立人員的CO2散發(fā)強度為0.022 m3/(h·人)[11]，因此每組人群的CO2散發(fā)強度為0.088 m3/h.設(shè)人員行走引起的2.5 μm顆粒物全部來源于地面.文獻[12]的實測結(jié)果表明，每個人行走引起1～5 μm顆粒物的濃度增加1～2 μg/(m3·s)，因此本文中設(shè)顆粒物散發(fā)強度為1.5 μg/(m3·s)，密度設(shè)為1450 kg/m3.設(shè)CO2的送風(fēng)濃度為1.2 × 106μg/m3，顆粒物的送風(fēng)濃度為0 μg/m3.

1.2數(shù)學(xué)模型

本文所研究流體為三維連續(xù)不可壓縮流，采用Reynolds時均N-S方程(RANS)模擬計算室內(nèi)氣流的湍流流動，湍流模型選用RNGκ-ε模型.在研究過程中假設(shè)流體屬性不變，考慮到浮升力的影響，空氣的密度采用Boussinesq近似.數(shù)值計算時，采用SIMPLE算法控制壓力和速度的耦合.對于模型的離散化，除壓力項外其他項都選用二階迎風(fēng)格式，所有固體表面均設(shè)為無滲透和無滑移條件，送風(fēng)口邊界類型定義為velocity-inlet，回風(fēng)口定義為outflow，以保證進、出口質(zhì)量流量相等.

目前主要有兩種方法處理多相流：歐拉-拉格朗日法和歐拉-歐拉法.歐拉-拉格朗日法用來跟蹤和分析粒子的運動軌跡，研究單個粒子的動態(tài)特性，而歐拉-歐拉法用來預(yù)測所有粒子的空間分布特征，以整個流場作為研究對象[13].本文的研究重點是污染物的空間分布規(guī)律，故采用歐拉-歐拉法中的混合模型進行模擬計算.模型中的粒子被處理成連續(xù)項，通過求解粒子與空氣之間的相對滑移速度方程確定重力對顆粒物分布的影響，本文通過引入用戶自定義函數(shù)(UDF)來確定粒子在不同方向壁面上的沉積量Jd,dA[13]，如式(1)所示.

Jd,dA=vd,dA·Cb,dA·dA

(1)

式中：Cb,dA為靠近壁面控制體中粒子相的體積分數(shù)；dA為控制體壁面的面積；vd,dA為某一點粒子的沉積速度，其在不同壁面方向上的具體表達式見文獻[13].

1.3數(shù)學(xué)模型的合理性驗證

為了保證數(shù)值模擬方法的可靠性，需要驗證1.2 節(jié)中數(shù)學(xué)模型的合理性.首先對其流場及溫度場進行驗證.在東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院人工氣候?qū)嶒炇疫M行熱風(fēng)供暖實驗，對室內(nèi)的溫度場和速度場分布進行實測.人工氣候?qū)嶒炇夜膊贾?個測桿，每個測桿沿高度方向設(shè)置7個測點，測點布置情況如圖3所示.實驗時采用Humlog 20型溫度儀測量溫度，其分辨率為0.1 ℃，采用意大利Delta公司的萬向風(fēng)速儀來測量氣流速度，其測量范圍為0.05～5.00 m/s，精度為±3%，分辨率為0.01 m/s. 實驗過程中，為保證測量結(jié)果的穩(wěn)定，連續(xù)測量5～6 h，直到室內(nèi)空氣溫度和壁面溫度的波動范圍小于±5 ℃， 實驗數(shù)據(jù)均取自穩(wěn)定狀態(tài)下的實測值.

圖3　人工氣候室測點布置情況(單位：mm)Fig.3　Arrangement diagram of monitoring point in the test chamber(unit: mm)

針對上述實驗工況，本文采用數(shù)值計算的方法對其進行模擬，通過對比模擬結(jié)果和實測值，驗證該數(shù)學(xué)模型的合理性.圖4給出了1號和3號測桿數(shù)值模擬值與實測值的比較.由于篇幅限制，其他測桿的對比結(jié)果不再給出.

(a) 1號測桿

(b) 3號測桿

由圖4可知，除某些位置數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生一些偏差外，整體上模擬值與實驗值能夠較好地吻合.這可能是由于門的開啟以及實驗過程中冷風(fēng)滲透等原因?qū)κ覂?nèi)的溫度場和速度場造成影響，進而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實驗結(jié)果之間的偏差.可以認為本文所采用的計算流場和溫度場的數(shù)值方法是正確的.

這里分別以文獻[14-15]的實驗參數(shù)(包括房間幾何參數(shù)、送風(fēng)參數(shù)以及污染物參數(shù)等)，利用本文采用的污染物濃度分布的計算方法對二者的實驗及模擬結(jié)果進行了再現(xiàn).圖5是本文模擬結(jié)果與文獻[14]中給出的測點1和測點6處SF6濃度分布的比較. 圖5中，H*= 測點高度/房間高度，C*= (測點濃度-送風(fēng)濃度)/(排風(fēng)濃度-送風(fēng)濃度).由圖5可知，本文的模擬值比文獻[14]的模擬值更接近實測值，這充分說明本文所采用的計算主動式污染物濃度分布的方法是可行可靠的.

圖6是文獻[15]給出的顆粒物濃度分布結(jié)果與本文模擬值的對比.圖6中，C= 測點濃度/排風(fēng)濃度.由圖6可以看出，除了某些位置與文獻中的結(jié)果有較小的偏差外，其他位置處的模擬值與文獻[15]給出的結(jié)果基本上能夠較好地吻合，可以認為本文所采用的計算顆粒物濃度分布的數(shù)值方法是合理的.

(a) 測點1

(b) 測點6

(a) 測點3

(b) 測點5

2　模擬結(jié)果與分析

對于定風(fēng)量系統(tǒng)，房間供暖熱負荷越大，送風(fēng)溫差越大，送風(fēng)氣流受到的熱浮力作用越大，這可能影響到室內(nèi)的流場以及污染物分布特征.同時主動式污染物和被動式污染物的初始擴散速度不同造成二者的輸運特征有所區(qū)別.因此有必要對不同負荷條件下，研究分析MV和IJV兩種送風(fēng)方式在高大空間內(nèi)的溫度場和速度場，并對不同性質(zhì)污染物的濃度空間分布規(guī)律進行比較.

2.1兩種送風(fēng)形式下室內(nèi)的溫度場與速度場分布

圖7和8分別是兩種送風(fēng)方式在不同室外溫度條件下房間中心剖面也即過人體剖面(x=2.25 m) 上的氣流速度和流場分布.

圖7　混合通風(fēng)房間x = 2.25 m平面的流場分布Fig.7　Air flow fields in the MV at the plane of x = 2.25 m

圖8　碰撞射流通風(fēng)房間x = 2.25 m平面的流場分布Fig.8　Air flow fields in the IJV at the plane of x = 2.25 m

由圖7可知，在MV中，熱風(fēng)射流以30°傾角向下射出后，在浮升力的作用下運動軌跡發(fā)生改變，在送風(fēng)氣流末端，送風(fēng)動量大幅度衰減，最終在房間近中心處形成明顯的上升氣流，送風(fēng)氣流上升至頂棚附近時，沿著頂棚向四周擴散，熱氣流難以到達下部空間，房間溫度出現(xiàn)上高下低的特征.比較圖7(a)和7(b)可以看出，送風(fēng)溫度越低，送風(fēng)熱氣流越容易到達房間下部，在房間上部形成的渦流范圍越大.這是因為送風(fēng)溫度較低時，熱浮力對熱氣流的抬升作用較弱，使得氣流向下輸運距離較遠，下部空間得到的熱量較多.

由圖8可以看到，對于IJV，送風(fēng)熱氣流以較高動量從垂直送風(fēng)口向下射出并撞擊地面，隨后沿著地面水平擴散一定距離后在浮力的作用下脫離地面向上運動，形成了覆蓋房間大部分空間的大渦流，這使得房間內(nèi)的氣流在慣性力的主導(dǎo)作用下充分混合，從而使房間內(nèi)溫度均勻分布.對比圖8(a)和8(b)可知，送風(fēng)溫差較小時，上部空間渦流的水平影響范圍較寬.這是因為送風(fēng)溫差越小，熱風(fēng)受到的熱浮力作用越小，送風(fēng)熱氣流沿地面水平擴散的距離越大.

對比圖7和8可以看到，MV中，近地面氣流以很低的速度曲折向上運動，而IJV中，近地面處氣流多以水平流動為主且速度較大.這種差別是由兩種送風(fēng)方式的送風(fēng)口位置決定的.此外，由圖7和8還可以看出，由于外墻內(nèi)表面溫度較低，兩種送風(fēng)方式下外墻附近的空氣均通過對流換熱被冷卻后下沉.但是，在相同室外溫度條件下，IJV冷空氣下沉速度明顯大于MV的情況，且在靠近風(fēng)口近地面處形成較大范圍的渦流區(qū).這是因為IJV房間內(nèi)空氣充分混合，外墻內(nèi)表面與周圍空氣的溫差較大而導(dǎo)致自然對流作用比MV強，同時，IJV熱風(fēng)在室內(nèi)形成的大范圍渦流(見圖8)在外墻附近的氣流方向與下沉冷氣流的運動方向一致，也增加了下沉冷空氣的速度.

兩種熱風(fēng)供暖送風(fēng)方式的氣流形態(tài)差別，必然造成二者室內(nèi)溫度分布特征的不同.圖9給出了房間不同高度平面的平均溫度.由圖9可知，MV送風(fēng)方式時溫度在房間高度方向上產(chǎn)生明顯的分層現(xiàn)象，而IJV房間內(nèi)溫度分布比較均勻.這是由兩種送風(fēng)方式完全不同的氣流形態(tài)造成的(見圖7和8).由圖9還可以看出，MV供暖房間上下溫差隨著送風(fēng)溫差的減小而減小，兩種負荷時上下溫差分別為8和6 ℃.IJV供暖房間上下溫差受送風(fēng)溫差的影響很小，兩種負荷條件下均不足1 ℃.

圖9　兩種送風(fēng)方式溫度沿高度方向的變化Fig.9　Vertical distribution of indoor temperature in the two air supply systems

2.2兩種送風(fēng)方式下主動式污染物濃度空間分布規(guī)律

圖10是兩種送風(fēng)方式在to= -5 ℃時x= 2.25 m 剖面上氣流形態(tài)與CO2質(zhì)量濃度分布圖.由圖10(a)可知，在MV中，CO2質(zhì)量濃度分布非常不均勻，上部的渦流阻止了CO2向上擴散，而下部空間的向上氣流使人體呼出的CO2難以向下運動，最終使CO2在房間中間高度處聚集.圖10(b)表明，由于IJV供暖房間內(nèi)空氣較充分地混合流動，CO2質(zhì)量濃度分布比較均勻，僅在渦流區(qū)出現(xiàn)小范圍的高濃度區(qū).

圖10　x = 2.25 m剖面氣流形態(tài)與CO2質(zhì)量濃度分布情況Fig.10　Air flow patterns and CO2mass concentration distributions at x = 2.25 m plane

圖11為不同高度平面上的CO2平均質(zhì)量濃度.由圖11可知，在MV送風(fēng)方式下CO2質(zhì)量濃度沿房間高度方向變化明顯，最高質(zhì)量濃度出現(xiàn)在高度2.5～ 3.0 m范圍內(nèi)，這與圖10的結(jié)果是一致的.同時CO2的質(zhì)量濃度分布受送風(fēng)溫差的影響較大，送風(fēng)溫差越大，房間內(nèi)CO2質(zhì)量濃度越大.由圖11還可以看到，IJV送風(fēng)方式下CO2質(zhì)量濃度沿房間高度的變化雖然沒有混合通風(fēng)明顯，但在人員呼吸高度處即污染物散發(fā)位置處依然出現(xiàn)最大值.

圖11　不同高度上CO2的平均質(zhì)量濃度Fig.11　Average mass concentrations of CO2in different heights

通常用人員呼吸高度及工作區(qū)污染物的平均濃度分布情況來衡量工作區(qū)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣，為此，圖12給出了不同送風(fēng)狀態(tài)下站立人體平均呼吸高度(z= 1.6 m)、2.0 m以下空間、整個空間內(nèi)CO2的平均質(zhì)量濃度以及排風(fēng)質(zhì)量濃度.圖12表明，在不同室外溫度條件下，IJV房間內(nèi)z= 1.6和2.0 m以下空間CO2平均質(zhì)量濃度基本相同，且與室外溫度為-5 ℃時MV房間的情況相近；而對于MV房間內(nèi)z= 1.6和2.0 m以下空間CO2質(zhì)量濃度隨送風(fēng)溫差的減小而減小.由圖12也可以看出，混合通風(fēng)中送風(fēng)溫差不僅影響CO2的空間分布特征，并且會改變2.0 m以下空間與整體空間CO2質(zhì)量濃度值的相對關(guān)系，即當送風(fēng)溫差較小時，整體空間的CO2質(zhì)量濃度大于2.0 m以下空間的值，當送風(fēng)溫差較大時，則出現(xiàn)相反的情況.這是因為送風(fēng)溫差越小，下部空間的空氣混合越均勻，越有利于CO2的擴散，CO2的平均質(zhì)量濃度越小.

圖12　不同空間位置CO2的平均質(zhì)量濃度及排風(fēng)質(zhì)量濃度Fig.12　Average mass concentrations of CO2in different zones and the mass concentrations of CO2in exhaust air

CO2排風(fēng)質(zhì)量濃度是影響污染物排除效率的一個重要參數(shù)，由圖12可知，IJV中CO2的排風(fēng)質(zhì)量濃度與室內(nèi)平均質(zhì)量濃度接近，而MV的CO2排風(fēng)質(zhì)量濃度則遠小于室內(nèi)平均質(zhì)量濃度.

2.3兩種送風(fēng)方式下被動式污染物濃度空間分布規(guī)律

圖13是兩種送風(fēng)方式在to= -5 ℃時x= 2.25 m 平面上2.5 μm顆粒物的濃度及速度等值線圖.由圖13可知，IJV中2.5 μm顆粒物的濃度分布比較均勻，與CO2在房間中的分布情況基本一致，而MV中顆粒物主要集中在遠離外墻的房間下部區(qū)域.這是因為IJV房間中近地面處的氣流速度明顯高于MV，由地面產(chǎn)生的2.5 μm顆粒物在近地面處氣流的作用下更容易被攜帶至主流區(qū)，在主流區(qū)內(nèi)慣性力對顆粒物起主要的誘導(dǎo)作用，從而使室內(nèi)的顆粒物均勻擴散，最終通過排風(fēng)口排出；而MV房間中近地面處氣流速度過小，約為0.006 m/s，不足以使2.5 μm顆粒物進入主流區(qū)，另外靠近外墻附近下沉的冷空氣沿著地板表面水平擴散，在該氣流的作用下使顆粒物聚集在遠離外墻的近地面區(qū)域.

圖13　x = 2.25 m剖面氣流形態(tài)與顆粒物的質(zhì)量濃度Cp分布圖Fig.13　Air flow pattern and particles mass concentration distributions at x = 2.25 m plane

圖14是不同高度平面上2.5 μm顆粒物的平均質(zhì)量濃度.通過圖14可以看出，在不同熱負荷條件下，MV房間中2.5 μm顆粒物的平均質(zhì)量濃度沿高度的變化不同，當送風(fēng)溫差較小時，房間下部顆粒物的質(zhì)量濃度高于送風(fēng)溫差大的情況，在近地面處二者的顆粒物質(zhì)量濃度甚至相差4倍，而在房間上部則出現(xiàn)相反的結(jié)果.這是因為負荷小時送風(fēng)熱氣流更多地進入下部空間，將顆粒物攜帶至房間上部，并被及時排出.IJV房間中由于氣流充分混合且近地面處氣流速度較大，不同送風(fēng)溫差時2.5 μm顆粒物質(zhì)量濃度均隨高度變化不大.此外，由圖14可知，MV房間中在近地面處2.5 μm顆粒物的質(zhì)量濃度遠高于碰撞射流，這是因為IJV在近地面處的氣流速度遠大于MV.

不同空間區(qū)域內(nèi)2.5 μm顆粒物的平均質(zhì)量濃度及排風(fēng)濃度大小關(guān)系如圖15所示.由圖15可知，對于MV，送風(fēng)溫差對顆粒物質(zhì)量濃度的空間分布有明顯影響，這與圖14的結(jié)果一致.在IJV中，不同送風(fēng)溫差下2.5 μm顆粒物的質(zhì)量濃度基本相等并且都遠小于混合通風(fēng)的情況.由此可以認為，IJV更有利于房間內(nèi)被動式污染物的擴散.

圖15　不同空間顆粒物的平均質(zhì)量濃度Cp及排風(fēng)濃度Fig.15　Average mass concentrations of particles in different zones and the mass concentrations of particles in exhaust air

3　兩種送風(fēng)方式下不同性質(zhì)污染物排污效率對比

排污效率是衡量通風(fēng)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，其大小反映了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)排除污染物的能力.在穩(wěn)態(tài)通風(fēng)情況下，排污效率εp[16]為

(2)

式中：Ce、Cs和Ch分別為房間內(nèi)回風(fēng)口、送風(fēng)口和任一空間點污染物的質(zhì)量濃度，μg/m3.本文數(shù)值模擬中，CO2和顆粒物的送風(fēng)質(zhì)量濃度分別為1.2×106和0 μg/m3， 回風(fēng)口處以及空間任一點的質(zhì)量濃度可以由模擬計算結(jié)果得到.

不同高度平面CO2和2.5 μm顆粒物的平均排污效率如圖16所示.由圖16(a)可以看出，IJV中CO2的平均排污效率高于MV，在房間下部近地面處排污效率甚至出現(xiàn)了大于1的情況，并且送風(fēng)溫差越小排污效率越大.由圖16(b)可知，兩種送風(fēng)方式對2.5 μm顆粒物的排除能力有明顯不同，MV中在不同高度平面上排污效率變化很大，在房間下部排污效率遠小于1，而在房間上部出現(xiàn)接近1的情況，IJV中不同高度上排污效率均接近于1.同時可以看出，兩種送風(fēng)方式下近地面處顆粒物的排污效率均低于房間上部，這是由于顆粒物自身重力作用的結(jié)果.總的來看，IJV比MV更有利于污染物的排除.

(a) CO2排污效率

(b) 顆粒物排污效率

4　結(jié)　語

本文利用數(shù)值模擬的方法研究分析了混合通風(fēng)供暖和碰撞射流通風(fēng)供暖時，高大空間內(nèi)的熱環(huán)境及污染物濃度分布特征，得到以下主要結(jié)論.

(1) 混合通風(fēng)供暖時，熱浮力使得送風(fēng)氣流主要在高大空間上部循環(huán)；碰撞射流通風(fēng)供暖時，直接進入人員空間的熱空氣在整個空間內(nèi)循環(huán)流動.兩種送風(fēng)方式不同的氣流形態(tài)導(dǎo)致室內(nèi)溫度沿高度分布特征完全不同，混合通風(fēng)呈明顯的下低上高特征，碰撞射流氣溫分布非常均勻.

(2) CO2和2.5 μm顆粒物在碰撞射流和混合通風(fēng)中的分布有很大不同，碰撞射流通風(fēng)時兩者在房間內(nèi)均勻分布，而采用混合通風(fēng)時污染物質(zhì)量濃度分布很不均勻，CO2集中分布于房間中部，2.5 μm顆粒物聚集在遠離外墻的近地面區(qū)域.

(3) 送風(fēng)溫差對碰撞射流通風(fēng)污染物的分布影響不大，而對混合通風(fēng)有明顯的影響，送風(fēng)溫差越小，混合通風(fēng)工作區(qū)內(nèi)CO2的質(zhì)量濃度越小，2.5 μm顆粒物的質(zhì)量濃度越大.

(4) 對于主動式污染物，采用碰撞射流通風(fēng)時排污效率在近地面處甚至可能大于1.對于被動式污染物，碰撞射流通風(fēng)的排污效率在整個空間都基本上接近于1，而混合通風(fēng)在人員空間的排污效率小于0.3.由此表明碰撞射流通風(fēng)比混合通風(fēng)更有利于污染物的排除.

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Effects of the Warm-Air Heating Supply Modes on Pollutant Diffusion in Large-Height Spaces

YEXiao,KANGYan-ming,ZUOBin,ZHONGKe

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The indoor thermal environment and contaminant concentration distribution are studied numerically in large-height spaces under mixing ventilation (MV) and impinging jet ventilation (IJV). The results show that the indoor air flow fields are different in the two ventilation strategies when they are used for room heating, and then results in a considerable difference in the spatial distribution of contaminants. The two types of pollutants (CO2and particles with size of 2.5 μm) are seemed to be uniformly distributed in the IJV, while the concentration field in the MV is different, i.e., the CO2is mainly distributed in the center of the room and the particles are distributed near the floor away from the external wall. The results also show that the IJV is more efficient for pollutant removal than the MV. In addition, the air supply temperature difference has a strong influence on the distribution characteristics of contaminations in the MV, and this effect can be neglected in the IJV.

large-height space; warm-air heating; mixing ventilation; impinging jet ventilation; active pollutant; passive pollutant

1671-0444(2015)06-0821-08

2014-10-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278094)；上海市教委科研創(chuàng)新重點資助項目(13ZZ054)

葉筱(1990—)，女，河南南陽人，博士研究生，研究方向為建筑環(huán)境與節(jié)能.E-mail: jhyexiao@126.com

鐘珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3

A