室內(nèi)污染物顆粒運(yùn)動(dòng)模擬與空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制分析

陳龍

摘 要 氣流組織是影響室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的重要因素，本文對(duì)穩(wěn)態(tài)下不同送風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)污染顆粒物濃度的影響做模擬分析，以掌握送風(fēng)方式與室內(nèi)顆粒濃度之間的影響關(guān)系。最終參考模擬分析結(jié)果，構(gòu)建有助于人體健康的空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制方案，供相關(guān)研究的開(kāi)展借鑒參考。

關(guān)鍵詞 氣流組織;顆粒運(yùn)動(dòng)模擬;空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化

引言

現(xiàn)代建筑室內(nèi)大多安裝空調(diào)系統(tǒng)，用以空間舒適度調(diào)節(jié)及室內(nèi)環(huán)境控制。隨空調(diào)系統(tǒng)普及和人處于室內(nèi)時(shí)間的延長(zhǎng)，空調(diào)房?jī)?nèi)空氣質(zhì)量成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。室內(nèi)污染物顆粒包括人體釋放的飛沫氣溶膠、可吸入灰塵等，其分布受氣流組織的顯著影響，進(jìn)而改變?nèi)梭w感受。分析空調(diào)送風(fēng)速度與顆粒運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系，能夠?yàn)槭覂?nèi)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)化提供可靠依據(jù)。

1送風(fēng)方式與污染物顆粒運(yùn)動(dòng)影響關(guān)系模擬分析

1.1 送風(fēng)方式對(duì)顆粒物濃度的影響

（1）空間樣本。為簡(jiǎn)化模擬試驗(yàn)流程，本文主要分析穩(wěn)定狀態(tài)下，空調(diào)送風(fēng)方式與污染物顆粒濃度間的關(guān)系。本次模擬實(shí)驗(yàn)在夏季開(kāi)展，樣本空間尺寸為7.5×4.5×2.7m，來(lái)自某高校教學(xué)樓常規(guī)教室，該棟教學(xué)樓安裝地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。以該空間樣本為基礎(chǔ)，分析側(cè)送風(fēng)、落地送風(fēng)和卡式送風(fēng)三種送風(fēng)方式下空間污染物顆粒濃度變化情況。主要儀器設(shè)備包括室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量綜合檢測(cè)儀、粒子計(jì)數(shù)器、細(xì)顆粒物濃度測(cè)試儀等。

（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。樣本空間長(zhǎng)度為7.5m，沿長(zhǎng)度方向每2.5m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共包括3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);空間寬度為1.5m，每1.5m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共包括3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);空間高度為2.7m，依照0.5m、1.2m和2.0m高度將其劃分為三個(gè)平面，最終樣本空間內(nèi)設(shè)置27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（3）結(jié)果分析。在樣本空間中心位置設(shè)置模擬污染源，待空間內(nèi)顆粒物達(dá)到一定濃度后，啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，分別采用不同方式進(jìn)行送風(fēng)，控制送風(fēng)量均為680m3/h，連續(xù)送風(fēng)2h，采集2h內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒物濃度數(shù)據(jù)。從空間呼吸區(qū)平面9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)情況可以看出，實(shí)驗(yàn)0時(shí)刻，空間內(nèi)顆粒物濃度恒定（355?g/m3），實(shí)驗(yàn)1h內(nèi)，不同送風(fēng)方式下空間顆粒物濃度下降速度均較快，1h后各送風(fēng)方式下顆粒物濃度降幅變緩。最終發(fā)現(xiàn)，側(cè)送風(fēng)條件下，室內(nèi)顆粒物濃度降低至40?g/m3;落地送風(fēng)條件下，顆粒物濃度降低至60?g/m3;卡式送風(fēng)條件下，顆粒物濃度降低至50?g/m3?？梢郧逦匕l(fā)現(xiàn)，當(dāng)送風(fēng)量不變時(shí)，側(cè)送風(fēng)方式去除空間污染物顆粒的效果最優(yōu)，其次為卡式送風(fēng)方式。產(chǎn)生該結(jié)果的原因可能為：相較于其他兩種送風(fēng)方式，側(cè)送風(fēng)與室內(nèi)空氣的摻混距離更大，新風(fēng)能夠與室內(nèi)空氣充分混合，形成均勻的速度場(chǎng)，更有效清除空間顆粒物[1]。

1.2 送風(fēng)速度對(duì)顆粒物濃度的影響

為進(jìn)一步明確空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)空間空氣質(zhì)量的影響，基于以上分析結(jié)果，繼續(xù)探究側(cè)送風(fēng)方式下，不同風(fēng)速對(duì)顆粒物濃度的影響，設(shè)計(jì)如下模擬實(shí)驗(yàn)：

（1）條件設(shè)置。沿用之前的空間樣本，選用側(cè)送風(fēng)方式，固定送風(fēng)角度（30°）、送風(fēng)溫度（18℃）不變，研究1.0m/s、1.5m/s和2.0m/s風(fēng)速條件下空間顆粒物濃度變化。

以樣本空間為CFD計(jì)算區(qū)域，以ANSYS/ICEM平臺(tái)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)格劃分，其中最小網(wǎng)格為0.01m，設(shè)漸變率為1.2。然后利用Fluent平臺(tái)構(gòu)建壓力求解器，使用SIMPLE算法對(duì)壓力和速度做耦合求解。

（2）結(jié)果分析。①當(dāng)送風(fēng)速度為1.0m/s時(shí)，當(dāng)送風(fēng)路徑縱向作用距離未達(dá)到樣本空間0.5倍縱深時(shí)，各點(diǎn)溫度與送風(fēng)口差別不大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的最高溫度僅為21℃。在空間呼吸水平面，統(tǒng)計(jì)到的最高溫度為24℃，且有一半以上的面積溫度達(dá)到22℃以上。在顆粒物濃度方面，沿送風(fēng)路徑自送風(fēng)口至對(duì)面墻壁，顆粒物濃度逐漸降低，呼吸高度處絕大部分面積的顆粒物濃度在送風(fēng)口的1.03倍左右[2]。②當(dāng)送風(fēng)速度為1.5m/s時(shí)，沿送風(fēng)路徑方向更大面積的溫度與送風(fēng)口接近，統(tǒng)計(jì)到的最大溫度為19℃，且約3/4縱深的區(qū)域溫度穩(wěn)定在21℃，說(shuō)明該風(fēng)速條件下空間制冷效果更優(yōu)。在顆粒物濃度方面，沿送風(fēng)路徑自送風(fēng)口至對(duì)面墻壁，顆粒物濃度逐漸降低，呼吸高度處絕大部分面積顆粒物濃度為送風(fēng)口的1.06倍。③當(dāng)送風(fēng)速度為2.0m/s時(shí)，樣本空間呼吸高度及空間中截面位置的溫度幾乎均為19℃，說(shuō)明該風(fēng)速下空間制冷效果進(jìn)一步增強(qiáng)。但在顆粒物濃度方面，濃度變化規(guī)律保持不變，空間呼吸面的顆粒物污染程度進(jìn)一步加劇，大部分區(qū)域的顆粒物濃度達(dá)到送風(fēng)口的1.13倍。

從以上分析可以看出，當(dāng)選用側(cè)送風(fēng)方式時(shí)，送風(fēng)速度提高會(huì)優(yōu)化空間制冷效果，使得室內(nèi)溫度分布更為均勻。但風(fēng)速提高會(huì)增大顆粒物的污染范圍，局部空間顆粒物濃度明顯上升，若長(zhǎng)期處于此類環(huán)境，會(huì)給人體健康造成不利影響。

2基于人體健康的空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制建議

外部條件允許的情況下，優(yōu)先選用側(cè)送風(fēng)的方式，其次為卡式送風(fēng)、最后為落地送風(fēng)，以通過(guò)送風(fēng)方式優(yōu)化，促使空調(diào)系統(tǒng)送入新風(fēng)與室內(nèi)渾濁空氣充分融合，排除更多室內(nèi)污染物顆粒。

空調(diào)制冷過(guò)程中，合理選擇送風(fēng)速度，在體感溫度適宜的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低送風(fēng)速度，防止污染物顆粒在空間內(nèi)大范圍擴(kuò)散。例如，優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)閥設(shè)計(jì)，綜合考慮室內(nèi)空間溫度、濕度及污染物顆粒濃度情況，對(duì)風(fēng)速和風(fēng)量做合理調(diào)節(jié)，以有效平衡空間舒適度與污染物濃度間的矛盾關(guān)系。

定期進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)清潔，去除送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部灰塵等雜質(zhì)，以免污染物顆粒隨空調(diào)系統(tǒng)在室內(nèi)大量囤積。目前市面上不少空調(diào)設(shè)備均自帶空氣凈化功能，以在確?？照{(diào)制冷效果的同時(shí)，有效清除室內(nèi)污染物顆粒。

3結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與室內(nèi)空間污染物顆粒濃度之間密切相關(guān)，可通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)方式及狀態(tài)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。本文研究基于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行，在結(jié)果普遍性上存在一定不足，希望得到其他學(xué)者的補(bǔ)充指正，以找出最佳的空調(diào)系統(tǒng)控制方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 申慧淵，杜芳莉，劉昆讓，等.穩(wěn)態(tài)下空調(diào)風(fēng)速對(duì)室內(nèi)污染物分布影響研究[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，38（3）：28-33.

[2] 祝琦琦.不同送風(fēng)方式下室內(nèi)氣流組織及顆粒物分布的模擬實(shí)驗(yàn)研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2019.