劉宇 劉紅 洪國祥 廖春暉，2*

1 重慶大學土木學院

2 重慶科技學院健康環(huán)境研究院

0 引言

2013 年，“霧霾”成為年度關鍵詞，其主要成分為細顆粒物（PM2.5），即可以進入人體肺部的空氣動力學直徑小于2.5 微米的顆粒物質[1]。室內PM2.5 濃度是影響室內空氣質量的重要因素之一，因此，有必要建立室內PM2.5 濃度實時監(jiān)測系統。由于室內PM2.5 分布并不均勻，而傳感器的數量和布置位置受限，為了準確了解人員活動區(qū)的 PM2.5 濃度情況，應首先確定 PM2.5 在室內的分布規(guī)律。

近年來，計算機性能大幅度提升，采用 CFD 數值模擬方法研究室內空氣流動和顆粒物擴散等現象成為了一種常見方法，具有精度高、成本低等特點[2-5]。因此，本文使用 CFD 模擬方法，針對影響 PM2.5 空間分布均勻性的因素，開展了數值模擬研究，找出影響室內PM2.5 空間分布的關鍵性因素，為室內 PM2.5 監(jiān)測傳感器布置指名研究方向。

1 室內顆粒物分布影響因素分析

室內顆粒物分布受許多因素影響，有不少學者對比研究了不同氣流組織對室內顆粒物分布的影響。Naiping Gao 等人分析了混合通風，置換通風和地板送風下人體打噴嚏或咳嗽所產生的可吸入顆粒的時空分布，發(fā)現置換通風和地板送風更利于污染物在呼吸區(qū)集中[6]。施珊珊等對比了自然通風和機械通風下細顆粒物的室內暴露量[7]。袁麗麗等比較了置換通風和碰撞射流通風下顆粒物的分布特性。以上研究都表明氣流組織對于空氣中顆粒物（包括 PM2.5）的分布具有顯著的影響[8]。

《室內空氣質量標準》和 《室內環(huán)境空氣質量監(jiān)測技術規(guī)范》規(guī)定：在檢測室內顆粒物等污染物水平時，對不同面積的房間有不同的選點數量以及布點方法，說明房間面積和形狀（長寬比）不同，顆粒物的分布狀況不同[9-10]。

有學者研究指出：換氣次數決定了空間污染物被稀釋情況的好壞，高換氣次數能有效地降低室內污染物濃度，可見換氣次數也是影響室內顆粒物等污染物分布的因素之一[11]。

許婕等人在置換通風等氣流組織模式下研究了污染源在不同高度釋放對室內空氣品質的影響[12]。王清勤等人通過文獻調研，指出公共建筑內 PM2.5 的來源有室外、人員活動（包括吸煙）、設備運行等，污染源的強度和位置不同，對室內 PM2.5 的濃度分布影響也不一樣[13]。

綜上所述，確定了6 種影響建筑室內 PM2.5 空間分布的物理因素，分別是氣流組織形式，房間面積，房間長寬比，換氣次數，污染源位置和污染源強度。

2 正交試驗方案設計

經過文獻和現場調研發(fā)現，建筑的氣流組織形式主要包括：上送上回（散流器送風），側送風（風機盤管），上送上回（多聯機頂送），置換送風，分體式柜式空調和分體式壁掛式空調。根據《民用建筑室內熱濕環(huán)境評價標準》（GBT 507852012）中測量房間面積大小的劃分，選取了3 個水平：25 m2，45 m2和65 m2。根據辦公建筑設計規(guī)范（JGJ67-2006），選取了3 種房間的長寬比，分別是1:1，1.5:1 和2:1。辦公建筑 PM2.5 源，一般有室外源，打印機和人員走動或打掃引起的揚塵。揚塵，打印機和室外引起的散發(fā)強度一般不超過100 μg/s[14]，本文選取了三種 PM2.5 散發(fā)強度，分別是1 μg/s、50 μg/s 和100 μg/s。6 種影響因素的水平（具體見表1）。

表1 PM2.5 影響因素水平表

選取L18(61×36)正交設計表（見表2）進行試驗方案設計，共有18 種工況。通過數值模擬，確定每個工況下室內PM2.5 分布的均勻性。選取污染物濃度不均勻系數作為評價指標，其值越小，表示污染物分布的均勻性越好，其公式如下：

表2 正交設計表L18(61×36)

式中：KC——污染物濃度不均勻系數；σC——均方根偏差；——污染物濃度算數平均值，μg/s；Ci——各測點污染物濃度，μg/s；n——空間測點個數。

3 室內PM2.5 分布數值模擬

3.1 物理模型

以一個環(huán)境艙作為研究對象建立物理模型，如圖1（a）所示。物理模型的尺寸為5.85 m×5.05 m×2.55 m，風口位置及尺寸見圖1（b）。

圖1 物理模型及風口位置平面圖

3.2 參數設置

選擇商業(yè)軟件ANSYS Fluent19.0 作為模擬工具，求解房間風速、PM2.5 濃度分布。房間內的空氣當作連續(xù)流體計算，顆粒物當作離散項處理，采用歐拉-拉格朗日法進行計算。與房間體積相比，離散項的體積可以忽略不記，因此，只考慮流體對顆粒物的作用力，即單項耦合。選擇SIMPLE 來耦合速度場和壓力場。湍流動能，耗散率和動量方程采用二階迎風方案離散化。在連續(xù)相中，考慮浮力對流場的影響，壁面函數選用加強壁面函數。模擬的連續(xù)性殘差，動量殘差，湍流動能k殘差和湍流耗散ε殘差的收斂準則設置為10-5。

散流器送風口下的氣流為明顯的湍流，采用風口N點模型[15-16]，這里取N=9[17]，散流器風口劃分見圖2，各小風口的三維取值系數可見表3，模擬邊界條件見表4。

圖2 散流器風口劃分

表3 風口N點模型中各點x、y、z分量（N=9）

表4 邊界條件設置

模型房間中共均勻設置125 個離散軌道，每個軌道中 PM2.5 的質量為331 μg（實驗測得值），PM2.5 顆粒數量為33×106。

3.3 網格劃分及網格獨立性檢驗

本文采用加強壁面函數（Enhanced Wall Treatment）。在加強壁面函數中，無量綱壁面距離y+要小于1，考慮到模擬計算成本，對第一層網格高度y進行估算。其估算方法如下：

1）估算出雷諾數，計算公式為Re=ρuL/u；

2）估算出壁面摩擦系數，計算公式為Cf=0.058Re-0.2；

3）計算壁面剪切應力，計算公式為τw=0.5CfρU∞2，其中U∞表示掠過壁面的速度；

4）利用壁面剪切應力估算速度uτ，計算公式為；

5）計算第一層網格高度y，計算公式為y=y+μ/uτρ。估算得邊界層第一層網格高度y=2 mm，層數取10。送回風口邊界網格高度設置為10 mm，不同高度層過渡比例控制在1.0～1.5。

本次模擬共生成了5 種數量的網格，根據最大網格尺寸依次排序為140 mm、100 mm、75 mm、50 mm、38 mm，網格數量依次為253w，285w，335w，480w 和839w。通過對比可以發(fā)現，隨著網格數量的不斷增加，四個檢驗處的風速及其偏差越來越穩(wěn)定，并且變化坡度越來越小。從風速對比結果來看，當網格數量達到480w 時，四個檢驗點的風速都趨于平緩，且與839w 模型的計算結果的偏差在2%以內。從風速標準差對比結果看，當網格數量達到335w 時，標準差趨于平穩(wěn)，且達到480w 時，標準差為0.6。因此，從兩個對比結果和計算成本來看，本文中的模擬宜采用網格數量為480w 的模型來進行CFD 計算。

3.4 CFD 模型的實驗驗證

3.4.1 實驗設計

以上送上回氣流組織工況為例，對 CFD 數值模擬的模型進行驗證。房間的布局如圖3 所示。采用 TSI 8380 數字式風量罩測得各風口風量，測得送風口一、二、三、四的風量分別為190、184、80、92 m3/h，以此得到的送風口的送風速度。房間內風速測量采用 SWEMA 03+萬向風速儀，測量三條鉛垂線上各5 個測點的風速，每秒記錄一次數據。測量點位置如圖4 所示。PM2.5 濃度測量經濟性傳感器，并用 TSI-DUSTTRK DRX AEROSOL MONITOR 8534 經行校準。PM2.5 水平監(jiān)測點布置如圖4 所示，鉛垂線上同樣布置5 個測點，與風速測量位置一致。

圖3 環(huán)境倉及PM2.5 檢測點布局

圖4 驗證實驗風速測點布置圖

在實驗艙內點燃熏香，作為 PM2.5 污染源，并通過機械擾動使房間分布均勻，停止釋放后。再將通風系統設定為預定空氣流量，開啟風機及監(jiān)測設備。連續(xù)監(jiān)測30 分鐘，每分鐘測量一次顆粒物濃度，記錄 PM2.5 在衰減過程中的濃度變化及房間的風速變化。

3.4.2 模擬結果驗證

選取實驗測得的三條鉛垂線上5 個高度處的風速進行室內測點風速的驗證，每個測點連續(xù)測量風速60 次取平均值，與模擬結果進行比較，如圖5。

從圖5 可以看出，實驗測量值與模擬值隨高度的變化趨勢相近，兩者的數值對比可用偏離度來判斷。其意義是指實際數據與目標數據相差的絕對值所占目標數據的比重，計算公式如下所示。偏離度越小就能說明模擬數據（實際數據）與實驗數據（目標數據）之間的差異性就越小。

圖5 實驗數據與模擬計算的數據驗證

式中：D——偏離度；A——目標數據（這里指實驗風速測量平均值）；X——實際數據（這里指風速模擬結果值）。

從表5 可以看出，大部分驗證點的偏離度在0.2 以下，有3 個驗證點的偏離度在0.2～0.3 之間，模擬結果與實驗結果基本相符，所采用的數值模擬模型計算結果可以接受。

表5 風速實驗測量的平均值與模擬值的偏離度

圖6 展示的是室內 PM2.5 濃度模擬結果與實驗結果之間的對比。實驗數據點為各室內監(jiān)測點的平均值，模擬數據為室內PM2.5 質量濃度在房間體積內的算術平均值。

圖6 實驗數據與模擬結果的對比

根據計算結果來看，PM2.5 質量濃度的偏離度在0.2 以下，模擬結果與實驗數據的差異性較小，正交試驗設計工況的模擬可以遵循此次模型的網格劃分原則以及模型參數設置。

4 正交試驗結果分析

通過數值模擬，可以得到每個模擬工況下室內 PM2.5 濃度分布情況，進而計算出濃度分布不均勻系數，將不均勻系數作為該工況下 PM2.5 分布的評分標準。計算每列因素各水平導致的結果的評分之和K1、K2、K3、K4、K5、K6已列入表中，且按它們的水平數取平均值為，并且按這些值來求得各因素的極差ΔK。正交設計結果分析可見表7。

式中：KCi——j水平下，一個實驗工況所得不均勻系數；Kj——j水平評分之和；m——水平數量；——j水平評分的算術平均值；ΔK——各因素的極差。

表6 正交試驗結果分析表

通過正交試驗研究和極差分析發(fā)現，對室內顆粒物分布均勻性影響最大的因素是氣流組織形式，其次是房間形式和面積，污染源濃度和位置的影響相對較小?？赡苁且驗楸敬卧囼炦x擇的三個換氣次數均較大，對結果的影響最小。

PM2.5 受重力影響較小，在房間里擴散的動力主要依賴于房間內氣流的帶動，各種氣流組織在房間內形成的流場不同，也就直接造成了 PM2.5 擴散的不同，最后呈現在房間里有不同的 PM2.5 濃度分布。而房間的形式及大小，又會影響室內流場，進而也能夠影響到房間內PM2.5 分布。

5 結論

通過文獻調研，確定了6 個影響室內 PM2.5 空間分布的因素。本文通過 CFD 模擬的方法開展正交實驗，以污染物濃度不均勻系數作為評價指標，發(fā)現氣流組織形式是影響室內 PM2.5 空間分布的最重要因素。因此，有必要針對不同氣流組織形式下室內顆粒物監(jiān)測傳感器的位置優(yōu)化展開下一步研究。