趙大周 阮慧鋒 王明祥 徐瑋 葉飛

（1 華電電力科學(xué)研究院有限公司 浙江杭州 310030 2 浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室 浙江杭州 310030 3 廣州大學(xué)城華電新能源有限公司 廣東廣州 511400）

樓宇型分布式是分布式能源系統(tǒng)的主要形式之一，布置于人群密集的城市中解決周邊樓宇冷、熱、電等負(fù)荷需求。天然氣內(nèi)燃機因具有體積小、啟停迅速、余熱利用率高等優(yōu)點被廣泛用作樓宇型分布式的原動機，然而天然氣內(nèi)燃機煙氣排放對周邊環(huán)境造成的影響不可忽視。目前北京市已發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對其排放中的污染物進(jìn)行限制。

數(shù)值模擬作為一種高效、便捷的技術(shù)手段越來越多的應(yīng)用于工程優(yōu)化設(shè)計中。目前多數(shù)學(xué)者利用數(shù)值模擬針對城市移動源的污染物擴散進(jìn)行了研究：戰(zhàn)乃巖等［1］以城市道路某段典型的街道峽谷為研究對象，研究了不同風(fēng)向下空氣流動狀態(tài)及污染物CO 濃度的分布規(guī)律。楊志斌等［2］采用SST k-ω 湍流模型研究了城市復(fù)雜地形下大氣污染問題，模擬結(jié)果得到了實驗的驗證。張瑩等［3］采用天氣預(yù)報提供初始條件驅(qū)動Fluent的模式研究了城市街區(qū)流場和污染物擴散，模型有較好的準(zhǔn)確率。翁佳烽等［4］利用三維微尺度氣象模擬軟件模擬研究了典型氣象條件下，來流與街區(qū)平行及垂直時污染物CO 的分布規(guī)律，模擬結(jié)果為小區(qū)布局提供一定的參考。劉紅姣等［5］采用CFD 數(shù)值模擬方法研究了斜屋頂建筑在不同風(fēng)速及不同開窗率的條件下污染物的濃度分布，模擬發(fā)現(xiàn)提高風(fēng)速及增大開窗率有利于污染物的移除。劉治廷等［6］研究了機動車嵌入對城市街谷的環(huán)境影響，模擬研究了不同風(fēng)速下街谷內(nèi)流場及污染物的分布。

上述研究大多針對機動車等移動源污染物的數(shù)值模擬，且污染物大多研究CO 的擴散。本文借助商業(yè)流體力學(xué)計算軟件FLUENT，研究了國內(nèi)某商務(wù)區(qū)分布式能源站固定式天然氣內(nèi)燃機排氣中污染物NOx 的擴散規(guī)律，并提出了優(yōu)化改造方案，為同類型天然氣內(nèi)燃機排煙污染物擴散提供一定參考。

1 模型的建立

1.1 研究對象簡介

研究對象為國內(nèi)某商務(wù)區(qū)，商務(wù)區(qū)建筑主要包含辦公樓、創(chuàng)意工坊、藝術(shù)家工作室、藝術(shù)商鋪、酒店、交易中心、餐廳、劇場以及商業(yè)中心幾個區(qū)域。占地面積近20 萬m2，規(guī)劃建筑面積31 萬m2，容積率1.6，綠化率40%。具體的建筑信息見表1，具體布局見圖1。

表1 建筑信息

圖1 研究對象

目前商務(wù)區(qū)由分布式能源系統(tǒng)供能，系統(tǒng)配置2 臺3.83 MW 顏巴赫燃?xì)鈨?nèi)燃機，同時搭配2 臺制冷量為3.93 MW 的煙氣熱水型溴化鋰機組，離心式冷水機組及燃?xì)忮仩t承擔(dān)調(diào)峰。系統(tǒng)布置于辦公樓D 地下二層。2 臺內(nèi)燃機共用1 根排煙煙囪，煙囪布置于辦公樓D 樓樓頂，煙囪截面尺寸為1m×1 m的矩形煙道，總高3 m。

1.2 物理模型

幾何模型采用三維繪圖軟件SolidWorks 進(jìn)行全尺寸建模，流體域尺寸為1 000 m×2 000 m×150 m 以保證空氣流體邊界對商務(wù)區(qū)建筑群不造成明顯影響。模型建立后導(dǎo)入ANASYS WORKBENCH 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，規(guī)則的幾何體采用規(guī)則的六面體或楔形網(wǎng)格，建筑群表面設(shè)置邊界層并做局部加密處理，模型的總網(wǎng)格數(shù)約1000 萬。

1.3 數(shù)學(xué)模型

煙氣為湍流流動，控制方程包括能量方程、連續(xù)性方程、動量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε 方程，其通用形式可表示為：

式中：ρ 為煙氣密度，kg/m3；u 為煙氣流速，m/s；φ 為通用變量；為廣義擴散系數(shù)；S 為廣義源項。

2 模擬條件及模型假設(shè)

在距離地面高度100 m 以內(nèi)的表面層中，風(fēng)剖面可采用普朗特對數(shù)分布或指數(shù)分布表示，其中指數(shù)分布因計算風(fēng)速較簡單，被多數(shù)國家采用，我國建筑規(guī)范采用的指數(shù)分布可表示為：

式中：UZ為高度為Z 處的風(fēng)速，m/s；U0為高度10 m 處天氣預(yù)測風(fēng)速，m/s；Z0為氣象站觀測高度，一般取10 m，入口速度通過UDF 編程實現(xiàn)。

夏季主導(dǎo)SSE 風(fēng)向?qū)ι虅?wù)區(qū)的影響最大，因此本文僅對該風(fēng)向的影響進(jìn)行模擬研究，入口速度分布示意圖見圖2。

圖2 入口速度分布示意圖

實驗測得2 臺內(nèi)燃機滿負(fù)荷條件下煙氣排放數(shù)據(jù)見表2。

表2 內(nèi)燃機排放數(shù)據(jù)

模型忽略地面移動源NOx 的排放，不考慮用戶開窗對污染物擴散造成的影響，不考慮樓頂冷卻塔等散熱對擴散的影響。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 速度及污染物濃度分布

當(dāng)室外空氣流過辦公樓D 時，在建筑物的頂部和后側(cè)產(chǎn)生彎曲的循環(huán)氣流，屋頂上部的渦流區(qū)稱為回流空腔，建筑物背風(fēng)面的渦流區(qū)稱為回旋氣流區(qū)。這兩個區(qū)域的靜壓均低于大氣壓力，形成負(fù)壓區(qū)，成為空氣動力陰影區(qū)，如圖3 所示。

圖3 空氣動力陰影區(qū)

文獻(xiàn)［7］給出了空氣動力陰影區(qū)的影響高度Hk 計算公式：

式中：A 為建筑迎風(fēng)面的面積，m2。本文模擬得到動力陰影區(qū)的影響高度約9.7 m，與公式計算得到的11.6 m 較吻合，說明了模型的有效性?？諝鈩恿﹃幱皡^(qū)對煙氣擴散的影響見圖4。

圖4 NOx 摩爾分?jǐn)?shù)分布

由圖4 可看出，當(dāng)煙囪處于該動力陰影區(qū)的影響范圍之內(nèi)，受其影響煙氣中污染物富集于屋頂及近樓層壁面附近，不能有效的排出。為進(jìn)一步了解污染物分布規(guī)律，選取典型的10 m、30 m 處2 個位置高度進(jìn)行研究，分別見圖5 及圖6。

圖5 10 m 位置NOx 摩爾分?jǐn)?shù)分布

由圖5 可看出，10 m 位置建筑密度相對較高，空氣經(jīng)過建筑群發(fā)生繞流動，建筑群范圍內(nèi)空氣流速整體較低。污染物NOx 主要富集于風(fēng)向下游200 m 范圍內(nèi)，局部最大污染物NOx 摩爾分?jǐn)?shù)為7×10-8，10 m 位置NOx 總體濃度較低。由于空氣速度較低，不利于污染物的擴散，因此污染物影響范圍較廣。

由圖6 可看出，30 m 位置建筑密度降低，NOx 主要富集于辦公樓D 的背風(fēng)側(cè)區(qū)域，NOx 局部最大摩爾分?jǐn)?shù)為4×10-7，同時影響到風(fēng)向下游的辦公樓B，NOx 局部最大摩爾分?jǐn)?shù)為5×10-8，污染物NOx 呈現(xiàn)連續(xù)線狀分布。

圖6 30 m 位置NOx 摩爾分?jǐn)?shù)分布

隨著建筑高度的進(jìn)一步提升，50 m 位置建筑密度明顯降低，污染物對辦公樓D 的影響進(jìn)一步降低，僅對下游辦公樓B略有影響，NOx 摩爾分?jǐn)?shù)約3×10-8。

3.2 提升煙囪布置高度后污染物濃度分布

上文的模擬結(jié)果顯示，排煙受空氣動力陰影區(qū)的影響，不利于其擴散，對商務(wù)區(qū)造成影響。為擺脫空氣動力陰影區(qū)的影響，本文在原基礎(chǔ)的條件下，將煙囪高度提升至12 m 進(jìn)行模擬研究，模擬結(jié)果見圖7。

圖7 模型的網(wǎng)格劃分

由圖7 可看出，當(dāng)煙囪高度提升至12 m 后，煙氣將不受空氣動力陰影區(qū)的影響，對商務(wù)區(qū)層高50 m 以下的建筑幾乎無影響。

5 結(jié)語

本文建立了國內(nèi)某商務(wù)區(qū)分布式能源站燃?xì)鈨?nèi)燃機排煙污染物NOx 擴散的三維數(shù)值模型，模擬研究了夏季SSE 風(fēng)向條件下煙氣中NOx 摩爾分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）受空氣動力陰影區(qū)影響，NOx 富集于辦公樓區(qū)30 m～55 m 以及樓頂位置，NOx 局部摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)1×10-6，污染物易富集于背風(fēng)側(cè)的低速區(qū)，影響風(fēng)向下游處的建筑。

（2）提升煙囪高度至12 m，排煙將不受空氣動力陰影區(qū)的影響，有效降低高度50 m 以下NOx 的濃度，排煙僅對風(fēng)向下游辦公樓B 層高40 m 以上的建筑有輕微影響。