孫 斌，李英嘉

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

通風方式對PM2.5顆粒分布影響的模擬研究

孫 斌，李英嘉

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

PM2.5顆粒對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響日益受到重視，可吸入的顆粒物對人體的健康造成直接的威脅。采用數(shù)值模擬的方法分析空調(diào)系統(tǒng)送風條件下，四種不同的通風方式對PM2.5顆粒濃度及運動分布的影響。結(jié)果表明：四種通風方式中，頂送頂回方式下室內(nèi)PM2.5顆粒濃度最小，空氣凈化效果最佳。選擇合理的通風方式，合理的氣流組織，對于降低室內(nèi)PM2.5顆粒物濃度有著重要作用。

通風方式；室內(nèi)空氣；PM2.5顆粒濃度；數(shù)值模擬

當前，中國很多地區(qū)飽受霧霾天氣侵擾，室外空氣中PM2.5濃度嚴重超過國家標準，直接影響室內(nèi)空氣品質(zhì)，室內(nèi)環(huán)境中PM2.5的污染相對較重。統(tǒng)計表明，絕大多數(shù)人70%～90%的時間是在室內(nèi)度過的[1]，所以良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體健康尤為重要。伴隨經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的提高，人們對建筑環(huán)境的要求也越來越高，可吸入顆粒物，特別是其中細粒子PM2.5的污染日益引起人們的重視[2-3]。PM2.5是指空氣動力學當量直徑小于2.5μm 的大氣顆粒物。近年來眾多學者的研究表明，顆粒物上富集了重金屬、酸性氧化物、有機污染物，如多環(huán)芳烴、農(nóng)藥等，并且是細菌、病毒和真菌的載體。長期暴露在顆粒物質(zhì)中，對人體呼吸道疾病、眼睛和皮膚過敏的健康影響很大，也導致死亡率和發(fā)病率有所增加?；谖覈壳碍h(huán)境污染形式，PM2.5顆粒是當前對人體危害最大的污染物，已引起世界各國的廣泛關(guān)注[4-5]。

空調(diào)房間內(nèi)PM2.5顆粒的運動和分布受很多因素的影響，主要是由空調(diào)系統(tǒng)氣流組織形式、PM2.5顆粒特性、房間的布局等因素決定的。其中，通過調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)通風方式，如送風口風速、送風量、送回風口布置形式等因素的改變，將直接引起室內(nèi)氣流組織形式的變化，進而影響PM2.5顆粒的運動和分布。本文將借助數(shù)值模擬手段，在相同工況的空調(diào)系統(tǒng)房間內(nèi)，設(shè)置四種不同的通風方式，模擬分析PM2.5顆粒進入室內(nèi)運動軌跡和濃度的差異，對結(jié)果進行對比分析。使得在技術(shù)上的可行性外，在經(jīng)濟上更加合理[6]。

1 物理模型

以全空氣系統(tǒng)通風房間為研究對象，并根據(jù)PM2.5的顆粒特性，將顆粒的粒徑設(shè)置為2.5 μm，顆粒跟隨空氣運動[7]。此次模擬分析了四種不同的送、回風口布置方式，分別為頂送頂回、同側(cè)下送上回、側(cè)下送頂回、異側(cè)下送上回，并應用于相同的空調(diào)房間內(nèi)。房間幾何尺寸為：長(X)×寬(Y)×高(Z)=12 m×9 m×2.8 m，如圖1所示。送風口和回風口的位置，詳見各模擬工況中模型圖。

圖1 空調(diào)房間物理模型

2 控制方程與邊界條件設(shè)置

2.1 控制方程

空氣中PM2.5顆粒相非常稀薄[8]，因而顆粒與顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數(shù)對連續(xù)相的影響可忽略不計，且顆粒相的體積分數(shù)非常低，遠小于10%，因此選擇FLUENT進行數(shù)值模擬[9]。

基于室內(nèi)空氣與PM2.5顆粒完全混合，從顆粒質(zhì)量平衡的角度出發(fā)，建立室內(nèi)顆粒濃度的方程。對于圖1所示的最常見的通風房間而言，計算所用的數(shù)學基本方程如下：

(1)連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律的數(shù)學表達式

(1)

式中：u、v、w為流體速度矢量；ρ為密度。式中的后三項用散度表示可簡寫成如下公式：

(2)

(2)動量守恒方程

動量守恒定律反映了流體微元中動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，該定律實際上是牛頓第二定律，矢量方程如下：

(3)

(4)

(5)

式中：Su，Sv，Sw分別為三個動量方程的廣義源項；對于不可壓縮氣體Su，Sv，Sw=0。

2.2 邊界條件設(shè)置

求解方程需要給出合理的邊界條件，以便能較準確地模擬出房間內(nèi)的流動情況。入口邊界條件根據(jù)風口模型給出[10]，所有變量的數(shù)值均在入口處設(shè)定。送風口空氣質(zhì)量流量與排風口空氣質(zhì)量流量相等，以達到質(zhì)量守恒。具體邊界條件如下：

(1)室內(nèi)送風口流面為壓力進口，壓力設(shè)為1.4 Pa。回風口為壓力出口，出口壓力設(shè)為-0.5 Pa；

(2)房間內(nèi)送、回風口均為四個，尺寸均為0.5 m×0.3 m。回風量等于送風量，出口風速均為0.8 m/s；

(3)室內(nèi)空間的墻面、屋頂壁面、地面均設(shè)為光華壁面條件；

(4)考慮顆粒在邊界上的沉降，認為顆粒碰到壁面即沉降，不考慮二次懸??；

(5)明確PM2.5粒子平均散發(fā)強度為3.5 ug/s；

(6)不考慮空氣滲透的情況，且對室內(nèi)源散發(fā)粒子采取追蹤捕集條件。

3 計算結(jié)果及分析

模擬過程中，選擇追蹤一定量的PM2.5顆粒，可以清晰的觀察PM2.5顆粒從進入房間直至離開的全過程運動軌跡。同時，可顯示出PM2.5顆粒在室內(nèi)空間的位置分布，將PM2.5粒徑進行放大處理，通過觀察房間的俯視圖、正視圖，確定顆粒位置和數(shù)量。由于辦公人群長時間處于坐姿狀態(tài)，此處重點分析Z=1.5 m處的PM2.5顆粒濃度。圖2-圖5為頂送頂回通風方式模擬下的PM2.5顆粒運動軌跡線、顆粒濃度分布圖及懸浮位置分布圖。

3.1 頂送頂回

由模擬結(jié)果知，Z=1.5m平面內(nèi)，兩側(cè)邊緣小部分區(qū)域內(nèi)PM2.5顆粒濃度較高，達到了8.99×10-9(kg/m3)，中間區(qū)域內(nèi)濃度較低為2.87×10-9(kg/m3)，平均濃度為4.53×10-9(kg/m3)。由于PM2.5顆粒隨空氣進入室內(nèi)時，帶有一定的初速度，但是粒子運動受空氣阻力的影響，顆粒進入房間后，豎直向下擴散，運動速度逐漸減弱會產(chǎn)生一段緩沖距離。圖2(a)～圖2(d)分析知，PM2.5顆粒在室內(nèi)無規(guī)則擴散，分布較為均勻，擴散范圍也比較大，房間上方的粒子軌跡數(shù)量較下方集中。

圖2 頂送頂回PM2.5模擬結(jié)果

PM2.5顆粒在房間中分布較為分散，靠近室內(nèi)墻體的顆粒濃度較高，其他區(qū)域并未出現(xiàn)明顯的顆粒集中區(qū)域，且房間上部PM2.5顆粒的數(shù)量多于下部的數(shù)量。氣流自頂部送出，最后從頂部流出，使PM2.5顆粒在室內(nèi)上部運動活躍，沒有明顯的沉降趨勢，有利于室內(nèi)新鮮空氣的流通及PM2.5顆粒物的消散，室內(nèi)空氣品質(zhì)較好。

3.2 同側(cè)上送下回

Z=1.5 m平面內(nèi)PM2.5濃度總體偏高，中間小區(qū)域內(nèi)的濃度為3.47×10-9(kg/m3)，靠近墻體和墻角處的濃度最高，達到了9.64×10-9(kg/m3)，平均濃度為6.47×10-9(kg/m3)。顆粒運動軌跡成較規(guī)律的漩渦狀，下落至底部時，隨室內(nèi)氣流組織運動，從側(cè)墻上的回風口出房間。送風口流出的顆粒軌跡線數(shù)量多于進入回風口的軌跡線，運動軌跡在靠近送、回風口側(cè)的區(qū)域內(nèi)，粒子軌跡密集，而另一側(cè)的粒子軌跡較為稀少。

分析圖3(a)～圖3(d)知，PM2.5顆粒在房間內(nèi)分散并不均勻，PM2.5顆粒在房間上方數(shù)量明顯多于房間下方的數(shù)量，且房間兩側(cè)上方有少量的顆粒積聚。除中間區(qū)域粒子濃度較低外，其他區(qū)域顆粒污染嚴重，越靠近墻體則PM2.5顆粒濃度越大。該通風方式下氣流流通不暢，導致大量PM2.5顆粒懸浮于室內(nèi)，且沒有沉降的趨勢不利于室內(nèi)污染物的消散。

圖3 同側(cè)上送下回PM2.5模擬結(jié)果

3.3 側(cè)下送頂回

側(cè)下送頂回工況下氣流組織平穩(wěn)，通風效果良好。結(jié)果顯示，Z=1.5 m平面內(nèi)顆粒無濃度分布較為均勻，墻角處最高達到了9.12(kg/m3)，而中間大部分區(qū)域內(nèi)為3.16×10-9(kg/m3)，平均濃度為5.11×10-9(kg/m3)。分析圖4(a)～圖4(d)可知，PM2.5顆粒同樣是在送、回風口間的半側(cè)區(qū)域內(nèi)較密集。中間兩個送風口的PM2.5顆粒流出后，直接通過室內(nèi)區(qū)域離開室內(nèi)，沒有做迂回運動，軌跡清晰。而兩側(cè)邊緣區(qū)域，運動軌跡數(shù)量明顯增多，PM2.5顆粒被送到了房間側(cè)上方，不易流出室內(nèi)濃度較高。

圖4 側(cè)下送頂回PM2.5模擬結(jié)果

室內(nèi)PM2.5顆粒濃度較小，可以保證室內(nèi)氣體的有效流通及顆粒污染物的排放。在靠近送、回風口的半側(cè)房間內(nèi)，顆粒軌跡運動活躍，且房間兩側(cè)邊緣的顆粒很難流出房間，兩側(cè)區(qū)域污染濃度略大。室內(nèi)空間下部分的PM2.5顆粒較少，可以減少顆粒污染對人體健康的損害。

3.4 異側(cè)下送上回

結(jié)果表明，Z=1.5 m平面內(nèi)墻體周邊的顆粒濃度較高，普遍達到了8.96×10-9(kg/m3)，其他區(qū)域內(nèi)濃度較低，接近4.09×10-9(kg/m3)，平均濃度為6.11×10-9(kg/m3)。分析圖5(a)～圖5(d)知，由于送、回風口不再同一水平面上，氣體自下而上徑直流過室內(nèi)，至回風口排出室外，并沒有過多繞動，運動軌跡長度較長。且中間區(qū)域顆粒軌跡線集中，而室內(nèi)送風口上方和回風口下方的PM2.5顆粒運動軌跡稀少。

圖5 異側(cè)下送上回PM2.5模擬結(jié)果

PM2.5顆粒在室內(nèi)分布均勻，房間兩側(cè)附近的顆粒數(shù)量略多。室內(nèi)空間中，送風口到回風口的斜面內(nèi)氣流組織良好，PM2.5顆粒可以很好的排出，而其他區(qū)域內(nèi)PM2.5顆粒容易積聚，不易被稀釋。由顆粒濃度分布圖可以看出，室內(nèi)墻角附近PM2.5顆粒濃度偏高，中間區(qū)域的顆粒濃度容易消散。

3.5 對比分析

表1為四種不同通風工況下不同平面內(nèi)顆粒物濃度，圖6為四種工況下顆粒物濃度隨高度變化趨勢圖。

表1 四種不同通風工況下不同平面內(nèi)PM2.5顆粒物濃度(kg/m3)

圖6 四種工況下PM2.5顆粒物濃度隨高度變化趨勢

PM2.5顆粒隨氣流進入室內(nèi)，運動軌跡與空氣的流動方向相近，說明氣流是顆粒運動的良好載體。根據(jù)模擬分析結(jié)果可知，在室外高污染天氣下，室內(nèi)由通風系統(tǒng)進行氣體交換，頂送頂回工況下，室內(nèi)空氣流動平穩(wěn)，大量PM2.5被攜帶排出室外，室內(nèi)顆粒污染被稀釋，室內(nèi)PM2.5顆粒的平均濃度為4.45×10-9(kg/m3)，污染濃度最低；同側(cè)上送下回工況下，送、回風口設(shè)置與相同一側(cè)墻面上，且送風方向與回風方向完全相反，所以很難形成有利的氣流組織，將顆粒從送風口輸送到回風口排出。通風的不流暢，PM2.5顆粒在室內(nèi)積聚，室內(nèi)PM2.5顆粒的平均濃度為6.74×10-9(kg/m3)，污染濃度最高；而側(cè)下送頂回工況和異側(cè)下送上回工況，室內(nèi)PM2.5顆粒的平均濃度分別為5.30×10-9(kg/m3)、6.39×10-9(kg/m3)，介于前兩種工況之間。

豎直高度方向上，四種不同的通風方式造成了不同的顆粒濃度分布。頂送頂回工況下，由于顆粒自上到下做迂回運動，在房間中部區(qū)域懸浮時間較長，所以顆粒物濃度在1.5 m處高于其他平面。其他三種工況呈現(xiàn)出顆粒濃度隨著高度的升高而降低的趨勢。同側(cè)上送下回和異側(cè)下送上回工況下，顆粒濃度在高度方向上有明顯的減小，而側(cè)下送頂回工況下，變化平穩(wěn)，顆粒濃度分布較為均勻。辦公人群長時間處于坐姿狀態(tài)，頂送頂回工況在房間下方的PM2.5顆粒濃度也是最低的，可有效降低顆粒污染對人體的危害。

4 結(jié) 論

本文采用FLUENT軟件模擬四種通風方式對 PM2.5顆粒運動及濃度分布的影響，根據(jù)模擬結(jié)果分析，得以下結(jié)論：

(1)空調(diào)房間內(nèi)，通風方式是影響室內(nèi)PM2.5顆粒物濃度的重要因素。

(2)PM2.5顆粒重量小，氣流組織是細顆粒物的良好載體，通風條件下，PM2.5顆粒的軌跡與流場方向相似，具有一定的流動性和跟隨性。

(3)水平方向上，PM2.5顆粒在靠近室內(nèi)墻體邊緣及墻角處濃度較高。豎直方向上，PM2.5顆粒濃度呈現(xiàn)出隨著高度的升高而降低的趨勢。

(4)不同通風方式下，室內(nèi)PM2.5顆粒平均濃度大小依次為：頂送頂回<側(cè)下送頂回<異側(cè)下送上回<同側(cè)下送上回。頂送頂回方式下室內(nèi)通風順暢，顆粒污染物可以快速的被排出室外，有利于降低室內(nèi)污染濃度，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。同側(cè)下送上回方式下，室內(nèi)氣流組織不平穩(wěn)，造成大量PM2.5顆粒在室內(nèi)積聚，難以稀釋和消散，室內(nèi)空氣品質(zhì)差，不利于身體健康。

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Abstract：The influence of PM2.5 particles on indoors air quality has received growing attention.Particulate matter poses a direct threat to human health.This paper adopts the method of numerical simulation，and analyzes the influence of four kinds of ventilation patterns to the distribution and concentration of PM2.5particles under the air-conditioning system supply condition.The results shows that among four ventilation modes，upper air supply and upper air return mode can make the lowest indoor PM2.5particle concentration and the best air purfication effect.Choosing a reasonable ventilation and air distribution play a vital part to reduce PM2.5concentration indoor.

Keywords：Ventilation way；Ndoor air；PM2.5particles；Numerical simulation

SimulationStudyonInfluenceofVentilationPatternstotheDistributionofPM2.5Particles

SunBin，LiYingjia

(Energy Resources and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

TU834

A

2017-05-12

孫 斌(1972-)，男，博士，教授，主要研究方向：多相流理論及應用.

電子郵箱：jlsunbin@126.com(孫斌)；540028891@qq.com(李英嘉)

1005-2992(2017)05-0032-07