陳湞斐，陳金璽，范晨陽(yáng)，晏 璐

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇省南京市，211100)

0 引言

我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源特點(diǎn)，決定了煤炭在我國(guó)一次能源的生產(chǎn)和消費(fèi)中，短期內(nèi)難以發(fā)生根本性改變[1]。根據(jù)中電聯(lián)報(bào)告顯示，全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量為24億kW，其中煤炭發(fā)電裝機(jī)容量為11.1億kW，占比為46.3%，同比增加2.5%。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的煤炭發(fā)電仍將占據(jù)主要地位[2-5]。因此，目前我國(guó)仍在規(guī)劃和建設(shè)一定數(shù)量的燃煤電廠，以保證電力需求得到充足供應(yīng)[6-7]。

由于燃煤電廠以燃煤為主，煤燃燒會(huì)對(duì)周邊環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定影響。隨著近年來(lái)碳中和目標(biāo)的提出，燃煤電廠的碳排放研究成為重點(diǎn)。蓋志杰等研究人員[8]以2臺(tái)300 MW的燃煤發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，計(jì)算該電廠3年的碳排放總量；高建強(qiáng)等研究人員[9]以330 MW燃煤機(jī)組為研究對(duì)象，探究在58%、74%、89%負(fù)荷下，碳排放強(qiáng)度在各系統(tǒng)中的折算比例以及隨負(fù)荷變換的規(guī)律；蔡宇等研究人員[10]以內(nèi)蒙古自治區(qū)某燃煤電廠為研究對(duì)象，介紹了碳排放量的計(jì)算過(guò)程以及碳排放量與供電量之間的定量關(guān)系；孫友源等研究人員[11]提出了2種碳排放強(qiáng)度的計(jì)算模型并給出計(jì)算實(shí)例；王通、索新良等研究人員[12-13]以燃煤發(fā)電機(jī)組為例，闡述燃煤電廠CO2排放量的測(cè)算方法，對(duì)計(jì)算CO2排放量意義重大。上述文獻(xiàn)是研究燃煤電廠發(fā)電量與碳排放量之間的折算比，并據(jù)此估算出實(shí)際的碳排放量。

隨著“低碳城市”的理念從提出到推廣，針對(duì)城市碳排放的研究也取得豐富成果。馬明義等研究人員[14]從多維視角下研究了新型城市化對(duì)我國(guó)二氧化碳排放影響的時(shí)空變化特征；王雅楠等研究人員[15]利用面板門(mén)檻模型研究城鎮(zhèn)化對(duì)碳排放的影響及其區(qū)域空間分布；王睿等研究人員[16]以縣級(jí)市作為研究單位，探究了我國(guó)縣級(jí)市碳排放空間分布格局及人口、經(jīng)濟(jì)對(duì)碳排放的影響；夏冰等研究人員[17]以城市街區(qū)為研究對(duì)象，從城市街區(qū)碳排放計(jì)算與評(píng)估、碳排放與街區(qū)形態(tài)關(guān)聯(lián)性等相關(guān)方面，對(duì)目前已有低碳城市街區(qū)形態(tài)導(dǎo)控方法進(jìn)行了整理與分析。上述文獻(xiàn)分別從宏觀和微觀角度對(duì)城市碳排放時(shí)空分布特征進(jìn)行研究。

研究表明，CO2本身并沒(méi)有毒性，但如果長(zhǎng)時(shí)間處于CO2濃度超過(guò)10%的環(huán)境中，人體的呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、大腦器官的機(jī)能就會(huì)受到影響，并引起頭痛、酸中毒和心悸等癥狀[18-19]。因此，筆者為研究城市中燃煤電廠排放CO2對(duì)其周邊居民的影響，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬技術(shù)，對(duì)燃煤電廠及周邊建筑群進(jìn)行有限元建模，研究不同風(fēng)速和煙囪高度影響下燃煤電廠周邊CO2含量的分布情況，并通過(guò)改變?nèi)济弘姀S周邊建筑群的布局結(jié)構(gòu)，研究出建筑群布局對(duì)CO2含量及速度場(chǎng)分布的影響，并剖析CO2的擴(kuò)散規(guī)律，為燃煤電廠周圍區(qū)域規(guī)劃以及建筑群布局提供理論依據(jù)。

1 仿真模型建立

1.1 物理模型

為了研究城市中燃煤電廠排放的CO2濃度對(duì)其周邊居民的影響，筆者采用CFD模擬技術(shù)搭建了燃煤電廠及其周邊建筑群的仿真模型，并結(jié)合流體力學(xué)方程設(shè)置仿真邊界條件，以空氣中的CO2含量為研究對(duì)象進(jìn)行分析。CFD分析法不僅模擬周期短、收斂速度快、經(jīng)濟(jì)性好且可以通過(guò)改變參數(shù)，迅速實(shí)現(xiàn)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得出計(jì)算結(jié)果。燃煤電廠及下風(fēng)向水平型建筑群布局如圖1所示。

圖1 燃煤電廠及下風(fēng)向水平型建筑群布局

仿真模型中，設(shè)置燃煤電廠煙囪為CO2排放源頭，其碳排放量為1 000 kg/s。設(shè)置煙囪直徑為10 m，位于居民建筑群左側(cè)，煙囪周圍有6棟邊長(zhǎng)為10 m的正方形燃煤電廠建筑。居民建筑群一共設(shè)置了16棟居民樓，每棟居民樓的長(zhǎng)度25 m、寬度10 m、相鄰居民樓之間的距離為10 m。整個(gè)仿真計(jì)算域大小為530 m×310 m×140 m(X,Y,Z)，如圖1所示。圖中L1、L2、L3、L4、L5、L6、D-1、D-2、D-3、D-4是分析CO2含量分布所設(shè)置的采樣線，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)采樣線的位置坐標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)采樣線的位置坐標(biāo)參數(shù) m

1.2 流體動(dòng)力學(xué)方程

流體流動(dòng)受物理守恒定律的支配，從本質(zhì)講基本守恒定律由能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和牛頓第二定律組成。對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)而言，流體力學(xué)基本方程組是由連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程組成。

連續(xù)性方程見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：?——對(duì)各變量求偏導(dǎo)；

ρ——質(zhì)量密度， kg/m3；

t——時(shí)間， s；

u、v、w——流速在各個(gè)方向上的分量， m/s；

x、y、z——速度方向。

動(dòng)量守恒方程見(jiàn)式(2)：

(2)

式中：p——?dú)饬鲏毫Γ?Pa；

v——粘性系數(shù)， Pa·s；

Su——?jiǎng)恿吭错?xiàng)， kg·m/s；

ui、uj——流體在對(duì)應(yīng)方向上的平均速度，m/s；

xi、xj——笛卡爾坐標(biāo)分量，i、j的范圍在1～3之間。

能量守恒方程見(jiàn)式(3)：

(3)

式中：θ——位溫， K；

Km——熱量擴(kuò)散系數(shù)， m/s；

Sθ——能量源項(xiàng)， J。

當(dāng)研究氣體擴(kuò)散時(shí)，應(yīng)根據(jù)氣體的特性添加組分輸運(yùn)方程?？紤]到居民主要在地面活動(dòng)，筆者采用k-ε輸送方程，k-ε輸送方程見(jiàn)式(4)和式(5)：

式中：k——湍流動(dòng)能， J；

vt——湍流粘性系數(shù)， m2/s；

u——湍流流動(dòng)的流速， m/s；

ε——湍流耗散率， %；

Cμ，Cε1，Cε2，σk，σε——k-ε輸送方程常數(shù)，分別取值為0.09、1.44、1.92、1.30、1.00。

組分輸運(yùn)方程見(jiàn)式(6)：

(6)

式中：Ci——i點(diǎn)處氣體濃度，mg/m3；

K——湍流擴(kuò)散系數(shù)， m/s；

S——?dú)怏w源項(xiàng)， mg/(m·s)。

1.3 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義

常見(jiàn)的氣體含量表示方法有6種，分別是摩爾分?jǐn)?shù)x、質(zhì)量摩爾濃度m、質(zhì)量分?jǐn)?shù)w、質(zhì)量濃度p、體積分?jǐn)?shù)φ、物質(zhì)的量濃度c。筆者采用CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)代表氣體的含量見(jiàn)式(7)：

(7)

式中：wB——組分氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

mB——組分氣體的質(zhì)量， g/L；

mm——混合氣體中各組分的質(zhì)量之和， g/L。

2 風(fēng)速對(duì)CO2含量影響分析

風(fēng)速是影響燃煤電廠排放氣體擴(kuò)散的重要因素之一，在研究CO2含量分布時(shí)，在無(wú)風(fēng)和有風(fēng)這2種情況下，對(duì)燃煤電廠周邊4個(gè)方向上的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了仿真分析。

假設(shè)燃煤電廠煙囪高度設(shè)置為100 m，建筑群類型為水平型，無(wú)風(fēng)和有風(fēng)時(shí)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖2所示。

圖2 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

由圖2(a)可以看出，無(wú)風(fēng)時(shí)碳排放源周邊4個(gè)方向的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大，且變化規(guī)律基本相同，離排放源越遠(yuǎn)CO2濃度越低；由圖2(b)可以看出，有風(fēng)時(shí)下風(fēng)向附近CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其他方向的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，其數(shù)值呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)上升，說(shuō)明在有風(fēng)的情況下，CO2主要朝下風(fēng)向擴(kuò)散。

因此，筆者重點(diǎn)研究分析了燃煤電廠下風(fēng)向CO2含量的分布。

為進(jìn)一步研究不同風(fēng)速對(duì)燃煤電廠周圍CO2含量的影響，設(shè)置了5 m/s和7 m/s2種風(fēng)速，對(duì)圖1中提到的L1～L66條采樣線處的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行仿真，不同風(fēng)速下CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 不同風(fēng)速下CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

由圖3 (a) 可以看出，當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)速為7 m/s時(shí)，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上呈現(xiàn)振蕩上升的趨勢(shì)。在距離395～430 m時(shí)，風(fēng)速為5 m/s的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)要比風(fēng)速為7 m/s的高；在距離430～495 m時(shí)，風(fēng)速為7 m/s的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)要比風(fēng)速為5 m/s的高。

由圖3 (b)和圖3(c) 可以看出，在距離395～409 m及421～429 m時(shí)，風(fēng)速為5 m/s的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)要比風(fēng)速為7 m/s的高。

由圖3 (d)～圖(f) 可以看出，在距離441～449 m、461～469 m及481～495 m時(shí)，風(fēng)速為7 m/s的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)要比風(fēng)速為5 m/s的高，且當(dāng)距離超過(guò)488 m時(shí)，兩者的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)都接近于零。

由圖3整體可以看出，風(fēng)速的大小會(huì)對(duì)燃煤電廠下風(fēng)向周邊建筑群CO2的含量產(chǎn)生影響。風(fēng)速越大，大氣湍流就越強(qiáng)，CO2就擴(kuò)散的更快。因此，當(dāng)風(fēng)速變大時(shí)，與碳排放源相距較遠(yuǎn)處的CO2含量會(huì)增加，與碳排放源相距較近處的CO2含量會(huì)降低。所以，在確定建筑群與燃煤電廠的距離時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐脑缕骄L(fēng)速進(jìn)行綜合考慮，以保證居民生活的舒適度。

3 排放源高度對(duì)CO2含量影響分析

通過(guò)將燃煤電廠的煙囪高度分別設(shè)置成100 m和120 m，進(jìn)一步研究排放源高度對(duì)CO2擴(kuò)散的影響。此時(shí)，將風(fēng)速設(shè)置為7 m/s，不同碳排放源高度下CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖4所示。

圖4 不同碳排放源高度下CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

由圖4 (a) 可以看出，在燃煤電廠距離建筑物395～495 m時(shí)，碳排放源高度為120 m的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)與碳排放源高度為100 m的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比呈指數(shù)級(jí)下降，且當(dāng)距離小于285 m時(shí)，兩者的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)都接近于零。

由圖4(b)～(f)可以看出，在燃煤電廠距離建筑物395～409 m、421～429 m、441～449 m、461～469 m及481～495 m時(shí)，碳排放源高度為120 m的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)與碳排放源高度為100 m的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比呈指數(shù)級(jí)下降，且當(dāng)距離超過(guò)343 m時(shí)，兩者的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)都接近于零。

由圖4整體可以看出，當(dāng)燃煤電廠煙囪高度從100 m 升至120 m時(shí)，燃煤電廠下風(fēng)向相同位置的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)級(jí)下降。因此，可以適當(dāng)增加燃煤電廠煙囪高度以降低燃煤電廠下風(fēng)向建筑群周邊區(qū)域CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

4 建筑群類型對(duì)CO2含量影響分析

為了進(jìn)一步分析燃煤電廠周邊建筑群結(jié)構(gòu)類型對(duì)CO2含量的影響，建立了水平型、下降型、凹字型、上升型、凸字型這5種典型建筑群的仿真模型，對(duì)建筑群中的空氣流速和CO2含量進(jìn)行仿真分析。燃煤電廠的煙囪高度設(shè)置為100 m，并將風(fēng)速設(shè)置為7 m/s。水平型建筑群的具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1所示；其他4種類型的建筑群中建筑物的長(zhǎng)度、寬度與水平型相同，不同類型的建筑群高度及結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 不同類型的建筑群高度及結(jié)構(gòu)

4.1 不同類型建筑群對(duì)氣流的影響

燃煤電廠排放的CO2主要從煙囪集中排放，其周邊CO2含量的分布會(huì)受到氣體流速的影響。而不同建筑群類型對(duì)氣流的影響也不同，間接影響到空氣中CO2的含量分布。因此，研究了不同建筑群類型對(duì)CO2氣體流速的影響。不同類型建筑群中CO2氣體流速分布如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，在水平型建筑群中，氣流在建筑物A和D之間僅形成了較小的逆時(shí)針?shù)鰷u，在C和D之間的漩渦稍強(qiáng)，并在建筑物D后方沿著墻面逆時(shí)針進(jìn)行爬升；由圖6(b)可以看出，在凸字型建筑群中，氣流在建筑物D的上方形成一個(gè)較大的逆時(shí)針?shù)鰷u，且在建筑物B后方有上升趨勢(shì)，由于建筑物B的遮擋，氣流速度在建筑物A和B之間得到提升；由圖6(c)可以看出，在凹字型建筑群中，氣流在建筑物B和D的上方形成一個(gè)較大的逆時(shí)針?shù)鰷u，且在建筑物A后方有先升后降的趨勢(shì)，建筑物D后方沿著墻面逆時(shí)針進(jìn)行爬升；由圖6(d)可以看出，在上升型建筑群中，建筑物之間沒(méi)有形成逆時(shí)針?shù)鰷u，但相鄰建筑物之間的氣流速度得到提升，且在建筑物D后方沿著墻面逆時(shí)針進(jìn)行爬升；由圖6(e)可以看出，在下降型建筑群中，氣流在建筑物B和C上方形成一個(gè)較大的逆時(shí)針?shù)鰷u，且在建筑物D后方形成了一個(gè)小型漩渦，此外，氣流在經(jīng)過(guò)建筑物A后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖6 不同類型建筑群中CO2氣體流速分布

4.2 不同類型建筑群中的CO2含量分布

在分析不同類型建筑群中氣體流速的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)建筑群中的CO2含量進(jìn)行分析。不同類型建筑群中6條采樣線處CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況如圖7所示。

由圖7(a)可以看出，在燃煤電廠距離建筑物385～485 m時(shí)，凹字型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，上升型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈現(xiàn)震蕩趨勢(shì)，其余類型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)近似保持不變且接近于零；由圖7(b)可以看出，在燃煤電廠距離建筑物385～409 m時(shí)，凹字型和水平型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其他類型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)近似不變且接近于零；由圖7(c)可以看出，在燃煤電廠距離建筑物421～429 m時(shí)，凹字型、上升型、凸字型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其他類型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上保持不變且接近于零；由圖7(d)可知，在燃煤電廠距離建筑物441～449 m時(shí)，上升型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其他類型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上保持不變且接近于零；由圖7(e)可以看出，在燃煤電廠距離建筑物461～469 m時(shí)，上升型和凹字型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其他類型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上保持不變且接近于零；由圖7(f)可以看出，在燃煤電廠距離建筑物481～495 m時(shí)，上升型和凹字型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，其他類型建筑群的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上保持不變且接近于零。

由圖7整體可以看出，凸字型和下降型建筑群附近的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，適合作為燃煤電廠下風(fēng)向建筑群。

圖7 不同類型建筑群CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

5 結(jié)論

隨著城市低碳環(huán)保工作的推進(jìn)，居民對(duì)其居住環(huán)境中的CO2濃度的關(guān)注度也逐漸提高。筆者采用CFD模擬技術(shù)對(duì)燃煤電廠及周邊建筑群進(jìn)行有限元建模，研究了風(fēng)速、排放源高度和建筑群類型等因素影響下燃煤電廠周邊CO2含量分布情況。得出以下結(jié)論。

(1)無(wú)風(fēng)時(shí)CO2在碳排放源周邊均勻擴(kuò)散，4個(gè)方向的CO2含量相差不大，變化規(guī)律基本相同；有風(fēng)時(shí)CO2主要朝碳排放源下風(fēng)向方向擴(kuò)散，下風(fēng)向方向上的CO2含量與其他方向的CO2含量相比較高。

(2)風(fēng)速和碳排放源的高度會(huì)對(duì)下風(fēng)向建筑群附近的CO2含量產(chǎn)生影響。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，與排放源相距較近處的CO2含量降低，與碳排放源相距較遠(yuǎn)處的CO2含量增加；當(dāng)燃煤電廠煙囪高度增加時(shí)，地表相同高度的CO2含量會(huì)呈現(xiàn)大幅下降。

(3)當(dāng)風(fēng)速以及碳排放源高度相同時(shí)，不同類型建筑群附近的CO2含量也有所不同。在水平型、凸字型、凹字型、上升型和下降型這5種類型建筑群中，下降型和凸字型建筑群附近的CO2含量較低，適合作為燃煤電廠周邊的建筑群類型。