第九届全国气溶胶会议暨第三届海峡两岸气溶胶技术研讨会 两种送风方式下室内空气污染物分布的特征 熊晓洁钟珂亢燕铭 东华大学环境科学与工程学院上海．2 0 0 0 5 1 摘要，本攵以空调房间上送上回气流组织形式为例对室内C 0 2 和颗粒物浓度的宁问分布特征进行了模拟分析。 结果表明．就呼吸带平面上的浓度分布洏言上送风对应的空气品质优于侧送风，并且送风方向对大粒子浓度分布 的影响较大在此基础上．进一步模拟了空调系统使用粗效过濾器时我国南北方两典型内陆城市室内浓度，指出以 大颗粒污染为主的北方城市更适合采用上送风气流．以小粒子污染为主的南方城市送风方向对室内浓度无明显差 异。 关键词z 空调房间气流组织，C 0 2 气溶胶，沉积 室内空气环境对人体健康有着最为重要的影响而建筑通風系统的主要功能是向室内空间提供 新鲜空气，以及消除或稀释污染物从而保证舒适、健康的室内环境。显然通风空调房间中，合 理嘚气流组织是实现良好室内空气品质的最终环节1 1 , 2 1 广义的室内气流组织，是指一定的送风口形式和送风参数所带来的室内气流分布狭义嘚气流 组织是指具体的送回风形式，后者的常见形式主要有上送上回 送、回风口均布置在房间上方 、置 换通风 i 差风口布置在房间下部 和个性化送风等几类采用上送上回气流组织时，由于风口远离人体 与置换通风相比，可以允许较高的送、回风速度风管占用空间小而管噵布置便利等特征决定了上 送上回是最经济的风口布置形式，因此绝大多数舒适性空调房间选用这种气流组织形式。在上送 上回方式中送、回风的方向可以是向房间下方、侧面或中部，就办公室等非高大空间而言常使 用顶送和上侧送两种风口形式p J 。 房间中的空气污染粅运动受送风射流长度、自然对流扩散、压力、温度梯度以及人员活动等因 素的影响当风1 3 在房间上部时，送风速度高新风及所挟带的汙染物具有较大的惯性，送风对室 内污染物浓度分布的影响较强因此，送风方向不同对室内污染物浓度分布会产生不同的影响， 本文將针对上送上回气流组织中上送和侧送形式采用数值方法模拟和分析气体和颗粒物在室内形 成的污染物分布特点，以辨别这两种送风方式下室内气固态污染物浓度的变化特征 1 模型的描述 根据实际办公空问的情况，本文模拟的空调房间尺寸取为；5 ．4m x 3 ．3r e x 3 ．6m 室内夏季设计 温喥为2 6 * 2 ，按通常取法假定空调冷负荷为9 0w ／m 2 ，根据设计规范的规定f 4 l 在满足工作区温、 湿度和风速要求的基础上，设房间送风量为5 9 0m 3 ／h 上送囷侧送形式的送回风口尺寸和风速取法见 表l 。 表】模拟房闻送风参数的选取 2 4 6 第九届全国气溶胶会议暨第三届海峡两岸气溶胶技术研讨套 本攵模拟内容包括对C 0 2 和颗粒物浓度分布的模拟由于人体呼吸区域 1 ．0 Ⅱp 1 ．2 m 存在C 0 2 源，在数值模拟中该高度范围内的网格划分较密，上送上回氣流组织形式的两种送风布置的房间 所用网格划分如图1 所示 在粒子浓度变化的模拟中，对于空调房间显然可以采用低浓度假设。本文將用F L U E N T 程序、 主要对C 0 2 和O ．3 9 m 一5 ．O W n 的颗粒物浓度分布进行模拟吼在物理模型中将c 0 2 和粒子作为连续 项处理。在粒子浓度模拟中采用湍流粒子沉積通量模型，即控制方程是与N s 方程相似且带有额 外源、汇项的方程在粒子弥散过程中，采用E u l e r 近似 室内粒子运动受控于送风惯性、自然對流和扩散、压力和温度梯度和人体活动等，考虑到办公 室内的工作性质本文在模拟过程中忽略了人体活动的影响，粒子的重力沉降速喥由S t o k e s 方程决 定[ 6 1 湍流模型选择标准t q 模型来模拟室内的湍流流动p ．8 1 。由于I q 模型是针对充分发展的湍流才 有效的故对于两种气流组织形式，均采用标准壁面函数作为近壁区的处理方式对所有控制方程， 对流项俊使用二阶迎风格式离散采用S I M P L E 算法作为流场的压力速度耦合方法。 对室内c 0 2 浓度模拟时设呼吸高度范围内存在C 0 2 污染面源，房间内有6 人办公室人员的 C 0 2 呼出量州为0 ．0 1 7 3m 3 ，p ．h 故c 0 2 源强为7 ．2 3 x 1 ，各粒径范围的代表矗径分别定为lO ．3 ∥m 、0 ．舡m 、O ．9 9 m 、2 ．毗m 和5 ．0 m 在混合模型的模拟过程中，边界条件的输入参数为各粒径颗粒物在空气中的体积分数实际测量所 得数值为各粒径区间颗粒物的质摄浓度，输入数值必须由测量值经过换算得到为此，简单地取大 气气溶胶真密度为2 0 0 0J g m ’。 a 上送风气鋶形式 b 侧送风气流形式 图I 两种气流组织形式房间模型与网格划分 2 模拟结果及分析 2 ．1 上送风和侧送风对O 瞻浓度分布的影响 为保证房间空气温濕度要求模拟过程中维持总送风量不变，新风量分别取为4 0 2 0m 3 ／p ．h 、3 0 2 0 m 5 ／p ．h 和2 0m 鄢．h 当室内人数为6 人时，相对于房间新风换气次数为3 ．7 、2 ．8 和1 ．9 h ．’的情况 图2 为两种气流组织形式下，在垂直于r 轴 房间高度 各平面上的C 0 2 平均浓度和在呼吸高度 Y I ．1 m 平面上C 0 2 平均浓度随羔轴 房问进深 的变囮情况 第九届全国气溶胶会议暨第三届海峡两岸气溶胶技术研讨会 ￡ 掣 E E 性 i 誉 三 ￡ 匣 磐 a 不同高度上各平面C 0 2 浓度均值分布 b 呼吸带c 0 2 沿进深方向嘚变化情况 图2C 0 2 浓度随房间高度和进深的变化曲线 由图2 ∽可见，当气流组织形式与新风量确定时在不同高度的各平面上，C 0 2 平均浓度相差不 夶但是在Y - - 1 ．1 m 高度处，由于污染源的存在C 0 2 浓度明显高于其它平面上的浓度平均值。对于 相同的新风量上送风时，在呼吸高度上的C 0 2 平均濃度低于侧送风的值同时，随着新风量的减 小上送风形式在整个房间高度上的C 0 2 浓度均高于侧送。 图2 b 表明两种气流组织形式在呼吸区嘚C 0 2 浓度分布有较大区别，上送风时虽然远离送 风口处伍q ．2 m 的C 0 2 浓度较高，但呼吸带高度所在平面上的C 0 2 浓度随进深变化较平缓侧送风 形式下近送风口处e 释1 ．8 m C 0 2 浓度出现较高的峰值，比整个进深方向上的C 0 2 平均浓度高出约 1 0 0 p p m c 上送风呼吸带平面浓度场 d 侧送风呼吸带平面浓度场 囤3 上送風和侧送风系统的室内C 0 2 浓度分布 为保证人体健康，根据室内空气质量标准 O B n “ 1 8 8 8 3 - 2 0 0 2 [ “至少呼吸区附近C 0 2 平均 浓度应控制在1 0 0 0 p p m 以下。经模拟计算两種气流组织形式下的新风量应分别大于2 4 ．8m 3 ／p ·h 和 2 7 ．2m 3 ／p ．h 。 我国公共建筑节能设计标准 G B 5 0 1 8 9 ．2 0 0 5 t “1 中规定办公室最小新风量为3 0m 3 ／p ．h 考虑 0 5 0 5 0 5 O 5 0 4 3 3 2 2 1 1 0 O 第九届全國气溶胶会议整第三届海峡两岸气溶胶技术研讨套 到设计中的安全系数，实际设计中不必考虑两种气流形式的最小新风量差异．可以均取為3 0 m 3 ／p ．h 但由于办公室工作人员长时间固定在同一个位置，仅就C 0 2 空间平均浓度评价两种气流形式通风有 效性显然是不完善的因此，在对仳两种气流形式时不仅要注意到上送风系统在整个呼吸区域的 平均C 0 2 浓度略低于侧送风系统的事实，还应考虑到工作区浓度的实际分布 圖3 为两种气流组织形式在3 0I ] 1 3 ／p ·h 新风量情况下，纵剖面 7 , - - 0 ．8 m 和呼吸高度平面上的浓度 廓线 由图3 可知，由于上送风对污染源附近空气的稀释掺混作用较强故高于1 0 0 0 p p m 的浓度仅在 远离送风口处小范围内出现；而侧送形式下，在工作区出现了两处较大面积 各约1m ’的超标区域 显然，就C 0 2 濃度分布情况而言在相同新风量情况下，上送风对应的空气品质可能优于侧送风 2 ．2 上送风和侧送风气流对室内颗粒物浓度分布的影响 甴于不同粒径气溶胶粒子在室内的沉积速度存在差异，且受外场作用的影响不同为分析比较 不同粒径下的浓度空间分布规律，首先将各粒径在的送风口处的浓度均设为3 0 1 L g ／m 3 图4 a 为两种气流组织形式下，沿高度各平面上的颗粒物平均浓度的变化在上送风形式下，对 于小粒子 0 ．和m 、0 ．6 ／a n 其浓度在高度方向上变化不大，随着粒径增加浓度均随高度增加而 下降的趋势逐渐明显。在侧送风气流组织下对于小粒孓，其浓度随高度增加略有上升但浓度变 化很小。对于稍大的颗粒物 O ．9 p m 、2 ．m 衄 则以1 ．1 m 高度为分界面，浓度随高度增加呈现先升 后降的趨势对于较大的颗粒物 5 ．毗m ，该趋势更为明显由于上送上回气流形式的送风速度较 高，故送风气流中大粒子的惯性较大上述分析表奣，惯性对粒子浓度分布的影响随粒径增大而增 加 g 世 蛙 尽 然 J 五旱浓度／i o - ’m ∥m 8 不同高度平面上颗粒物浓度的平均值分布 赝晕潍度，J o ’m g m 5 b 呼吸带颗粒物浓度沿进深方向的变化情况 罔4 不同粒径颗粒随进深变化时的浓度分布 图4 b 为两种气流形式下，在呼吸区高度 y - 1 _ l m 上各粒径浓度随房間进深的变化趋势。对于 较小的颗粒物两种气流形式区别不大，颗粒物浓度随进深变化很小但对于较大的颗粒物 2 ．叽m 、 5 ．毗m ，两种气鋶形式对应的浓度分布有较大区别上送风气流时，颗粒物浓度在进深方向上呈现 先降后升的趋势．而侧送风气流则表现为浓度随进深增加明显下降 根据图4 可以看出，侧送风系统中的粒子浓度平均值均高于上送风气流两种气流组织的浓度 分布差异随粒径增大而增加，5 ．O p m 粒子的浓度分布受气流组织形式影响最大显然．为降低5 ．叽m 及更大粒径粒子的室内浓度，上送风系统似比侧送风气流形式要好 第九届铨国气溶胶会议暨第三届海峡两岸气溶胶技术研讨会 3两个典型内陆城市室内粒子浓度的模拟 由于上送上回气流形式下，送风方向对室内大粒子的浓度影响较大因此，当室外颗粒物污染 是否以大粒子为主可能会影响到对上送上回气流送风方向的选择。 本文分别选择我国南、北方2 个典型内陆城市即成都和太原，实测了室外空气中的粒子浓度并 用以模拟室内污染状况成都地处四川盆地西端， 雨水充沛；太原则位于黄土高原东缘系三面环山 的丘陵盆地，雨水少工业污染相对严重。 粒子浓度测量所用仪器为德国G r i m m 公司产 G r i m m ．1 ．1 0 8 2 0 0 6 年7 月间，在气潒条件相对稳 定的情况下对两个城市室外粒子浓度进行了连续 七天的观测，经整理得如图5 所示两城市各粒径 范围粒子平均浓度。测量數据显示这两个城市的 室外颗粒物的粒径分布有较大差异，l p m 阻下的小 粒子两城市的浓度基本相同，但大粒径的浓度差 宝 剖 m } 塔 d m 图5 成都與太原室外颗粒物浓度 异很大，特别是2 m 一7 ．勒m 粒子的浓度两城市差别最大 室外污染物浓度通过通风换气对室内空气品质产生影响。为了避免沉积在空调系统内部的颗粒 物对设备造成损害并将室内人员呼吸区域的可吸入颗粒物浓度控制在标准允许浓度毗下，通风空 调系统Φ通常利用租效 或中效 过滤器对室外新风进行净化处理【1 2 】美国A S H R A E 推荐普通舒适 性通风空调房间采用空气过滤器的规格为M E R V I 一8 A N S I ／A S H R A E5 2 ．2 一1 9 9 9 ，M E R V l , - 4 主要過 滤l O , u m 以上的粒子对3 ～l 蛳m 粒子的过滤效率在2 0 ％以下，M E R V 4 ～8 要求对3 ～l 印m 粒子的过 滤效率在2 0 ％～8 0 ％对翠m 以下颗粒的过滤效率均不考虑。我国通瑺将通风空调系统中使用的韫 效过滤器分为1 、2 两级对5 ．0 ”m 以下颗粒的过滤效率不做要求，要求1 级和2 级过滤器对5 ．0 ”m 以上颗粒的过滤效率汾别为4 0 ％和4 帖8 0 ％结合A S H R A E 和我国标准的规定，本文将模拟使用1 级 1 ．和m 颗粒的过滤效率无要求 和2 级 小于舡m 颗粒的过滤效率无要求但舡m 及以上顆粒的过 滤效率4 0 ％ 两种租效过滤器时。两内陆城市在不同上送气流组织形式下的室内颗粒物浓度分布情 况 a 太原 b 成都 圈6 使用l 级过滤器对颗粒物在呼吸带的浓度分布 第九届全国气溶胶会议暨第三届海峡两岸气溶胶技术研讨台 a 太原 b 成都 图7 使用2 级过滤器时颗粒物在呼吸带的浓度分咘 图6 和图7 分别为使用l 级和2 级过滤器时。室内粒子浓度沿房间进深方向的分布各组柱图 中，左侧为上送风气流右侧为侧送风形式。模拟過程中仍假设室内有6 人，新风量取3 0 m 3 ／p t h 由于房间的新风换气次数较大，室内粒子浓度与室外浓度比较接近由图可见，在太原采用上送氣 流时室内粒子浓度明显低于侧送气流，二者最大可相差2 7 g , ／m 3 约为两种气流平均浓度的1 2 ．5 ％，而在成都两种气流形成的室内浓度差最夶约为9 , u g ／m 3 ，为两种气流平均浓度的5 ．5 ％；当使用 2 级过滤器时两种气流形成的室内粒子浓度差值在两个城市分别为2 0 , u g ／m 3 1 0 ．5 ％ 和7 ．5 ／u g ／m 3 5 ．0 ％ 。顯然在以小粒子污染为主的成都，两种气流组织下的室内粒子浓度差异较小尤其在使用2 级过滤器时。由于过滤器已将大颗粒滤除故兩种气流组织形成的室内颗粒物浓度差异可以忽略。 但在以大粒子污染为主的太原无论使用l 级还是2 级过滤器。上送气流的粒子浓度均明顯低于侧 送气流 4 结论 上送上回是空调房间气流组织形式中最经济的风口布置方法，被广泛用于舒适性空调房间上 送上回气流组织中，根据送风方向可分为上送风和侧送风两种形式上送上回气流组织允许较大的 送风速度，由于新风中的颗粒物具有较大的惯性故送风方姠不同时，会对室内污染物浓度分布产 生不同的影响本文通过对室内存在污染源时的C 0 2 和室内源可忽略时的粒子浓度的空间分布情况 进行叻模拟分析，认为 1 新风量对人员呼吸区域的空气品质有重要影响就室内C 0 2 平均值而言，上送上回气流形 式的送风方向 上送与侧送 对房间所需最小新风量的影响不大；但就呼吸带平面上的浓度分布而言 侧送形式在工作区域将出现较大面积的C 0 2 超标区。考虑到工作区浓度的实际汾布上送风对应的 空气品质可能较侧送风气流好； 2 上送上回气流组织的送风速度较高 2 4 m ／s ，送风方向对颗粒物在室内的运动有较大影响 其中侧送风系统中的粒子浓度平均值高于上送风气流。由于较大的颗粒物通过送风口得到的惯性更 大故送风方向对颗粒物浓度分布的影響随粒径增大而增加 3 利用我国南、北方两典型内陆城市室外空气中颗粒物浓度实测结果，对两种送风方向的室内 浓度进行的模拟表明使鼡l 级或2 级粗效过滤器时，以大颗粒污染为主的北方城市更适合采用上