中央空调系统中污染物扩散的模拟研究
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作者:何曹阳 王亮 曹新悦 谢自浩 戴隆云
摘要：应用FLUENT软件模拟分析了房间在不同空调送风条件下的速度场与浓度场，得到此工况下的室内速度与污染物浓度分布图，并在此基础上得到气流组织最理想的形式，并可以采用文中的结果指导工程实际中设计空调，使建筑物中的空调系统达到最理想的送风效果。
关键词：数值模拟;FLUENT软件;气流组织;计算流体力学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）11-0109-02
在日常生活中，人们每天有90%以上的时间在室内度过，室内环境对人体健康的影响程度与其他因素相比，可以说是最大的[1]，因此在生活水平不断提高、科技发展不断进步的今天，人们对生活环境的关注度也是越来越高，追求更高质量。目前已经有很多研究表明，空调房间中常见的各种呼吸道疾病、过敏反应等或多或少与室内污染物有关联。因此，研究空调系统中污染物的扩散，找到适宜的送风条件和空调安装位置，对改善空调房间空气品质具有重要的现实意义。
一、数值模拟的物理模型
本房间的物理模型的尺寸为2.9m（△X）、4.8m（△Y）、3.1m（△Z）。由于房内家具等设施较少且简单，本文主要是以数值计算甲醛的分布来分析污染物分布的情况，所以有些与污染物的产生和与房间温度关系不大的设施，为了简化模型，舍去这些影响不大的部件，只保留一个办公桌和一个书柜在房间内。本文选择了三种气流组织方式：自然通风、上送上回式和置换通风，用来模拟分析室内空气污染物分布的情况。
二、边界条件
室内温度设定为300K。送风口以不变的速度向外送出温度不变的新风，回风口设置为求解前流速的出流边界。本文模拟以甲醛为代表的室内挥发性有机污染物的浓度场，故在Fluent Database Materials中复制CH2O的物性参数，假设办公桌和书柜表面是释放源，把边界条件设为质量进口，密闭和通风两种状态的甲醛释放强度均为7.2×10kg/s，不随时间变化，其他的地方均无甲醛释放。在工作区设置监测点A、B，A（2，3.4，1）、B（2，0.8，1.6）分别为房间内两点，室内空气质量标准中甲醛的限量值0.10mg/m3。
三、不同空调通风方式模拟结果及分析
1.数值模拟速度分布情况。反映热舒适性因素中包含室内空气气流的速度，根据相关文献规范规定，夏季室内风速必须达到舒适性空调的要求，风速应低于0.3m/s，否则会对人员产生较强的吹风感，会使人产生局部的冷感从而感觉不舒适[2]。
如图1、图2所示，当自然通风工况时，由两个不同位置的截面的速度分布图，我们可以看出，从房间的整体来说，复苏很小，远远低于0.3m/s。根据相关气象参数，将自然送风速度设置的是0.12m/s。由于会有风压作用，在窗户附近的空气扰动较大，所以局部的风速可能会达到0.3m/s。从横向看，风速从窗户向门口呈递减趋势，都在0.1m/s左右，同时由于受重力作用一部分气流呈抛物线形状流动，而室外空气对办公桌的位置影响较小，风速更低。因此，在这种情况下，利用自然通风足够满足室内舒适性对风速的要求。
如图3、图4所示，上送上回的送风速度设置为2m/s，当上送上回式通风工况时，由两个不同位置的截面的速度分布云图，我们可以看出，送风口的送风速度较高，在送风口处有一个高风速区，虽然呈递减趋势，但是区域内风速已经超过了室内舒适性要求。当空气受到阻力和办公桌阻挡后，来到工作区的风的速度已经降低了许多，风速在0.14m/s左右，是满足舒适度要求的。回风口附近也有类似送风口的高风速区，但是由于回风口设计的面积是比送风口大的，所以风速不是很高，大部分是低于规范的。在上送上回式通风方式下，室内空气的速度分布具有明显的不均匀性，中间区域风速高，两边区域风速低，总体来说，满足了活动区域对风速的要求。
置换式的送风速度设置为0.3m/s，置换通风工况下，送风口位于房间底部，而且风速本来就低，越往上速度越小。办公桌在这里阻碍了气流的流动，使书柜附近的风速较小，排污能力下降。由于回风口位于房间顶部，再加上模型空间的限制，在回风口处速度会逐渐增大。根据文献，置换通风系统需要保持室内人员活动区域的风速不高于0.2m/s[3]。除了送风口和回风口附近，其他区域风速都小于0.1m/s，所以满足要求舒适性。
2.数值模拟CH2O浓度分布情况。本文以CH2O为室内空气污染物的代表进行数值模拟，假定只有室内办公桌和书柜作为CH2O的散发源。根据卫生部制定的室内空气质量标准（GBT 18883-2002），里面对甲醛含量的标准是关闭门窗12个小时，甲醛含量≤0.1mg/m3算达标。由于室内空气逐渐被室外新风取代，而甲醛向门口方向积聚，从窗户向门口方向室内甲醛浓度递增。此外，因为办公桌和柜子是甲醛的散發源，又要尽量避免受室外风直吹所致不舒适，所以办公桌和书柜附近区域的浓度也高于自然通风流通的区域。上送上回式通风工况，在送风口送入新鲜空气之后，甲醛浓度迅速降低。而甲醛的密度比空气大，所以房间底部的甲醛浓度明显比顶部高，上送上回式通风工况无法有效地将桌柜附近的甲醛排放到室外。置换通风方式下甲醛浓度分布也存在垂直梯度，新风被从房间的底部以较低的速度送入，部分区域产生涡旋，对周围的空气卷吸，室内的热浊空气也随之上升，由此将室内的污染物排出。由于办公桌在房间中间对气流产生障碍作用，新风不能很好地流动到左侧，且从图中可看出左侧的甲醛浓度要明显高于右侧。总体来说，除了办公桌和书柜这些散发源小范围的甲醛浓度略高0.1mg/m3的标准要求，房间其余大部分区域皆满足要求。
四、结语
针对房间内的空气质量问题，本文首先建立了物理模型，选择了自然通风、上送上回式通风、置换式通风这三种气流组织方式，然后利用FLUENT软件模拟在不同情况下甲醛的扩散情况，得到不同工况下的速度分布图以及甲醛浓度分布图，最后对此进行研究分析。置换式通风，整个室内的风速均在一个较低的范围内，热舒适性最好。送风速度、送风角度、送风位置等各种因素都会影响室内甲醛浓度分布，自然通风的排污能力与室外风速有直接的联系，当室外风速足够大时，足够满足室内卫生要求，将污染物排除。置换式通风是最有效的排污方式，可以将室内大部分区域的污染物通过排风口排出，送风速度小，所以热舒适性高。但在选择置换式通风方式时，室内环境对空气的分层效果影响较大，室内物品的大小以及摆放的位置都会影响空气的分层，进而影响排除室内污染物的效果。并且若室内风速过低时，不能很好地达到污染物在房间顶部聚集的理想效果，室内污染物的排出也更困难。所以，为了理想高效地排出室内空气污染物，可以首选置换式通风方式，而自然通风作为辅助方案。
参考文献：
[1]于明.中央空调引起室内空气污染与控制的研究[D].山东：山东大学，2007.
[2]赵国凌.防排烟工程[M].天津：天津科技翻译出版公司，1991.
[3]孟广田，李强民.置换通风的热舒适分析与评价[J].建筑热能通风空调，2000，（1）：21-23.
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