中央空調系統中污染物擴散的模擬研究

何曹陽 王亮 曹新悅 謝自浩 戴隆云

摘要：應用FLUENT軟件模擬分析了房間在不同空調送風條件下的速度場與濃度場，得到此工況下的室內速度與污染物濃度分布圖，并在此基礎上得到氣流組織最理想的形式，并可以采用文中的結果指導工程實際中設計空調，使建筑物中的空調系統達到最理想的送風效果。

關鍵詞：數值模擬;FLUENT軟件;氣流組織;計算流體力學

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）11-0109-02

在日常生活中，人們每天有90%以上的時間在室內度過，室內環境對人體健康的影響程度與其他因素相比，可以說是最大的[1]，因此在生活水平不斷提高、科技發展不斷進步的今天，人們對生活環境的關注度也是越來越高，追求更高質量。目前已經有很多研究表明，空調房間中常見的各種呼吸道疾病、過敏反應等或多或少與室內污染物有關聯。因此，研究空調系統中污染物的擴散，找到適宜的送風條件和空調安裝位置，對改善空調房間空氣品質具有重要的現實意義。

一、數值模擬的物理模型

本房間的物理模型的尺寸為2.9m（△X）、4.8m（△Y）、3.1m（△Z）。由于房內家具等設施較少且簡單，本文主要是以數值計算甲醛的分布來分析污染物分布的情況，所以有些與污染物的產生和與房間溫度關系不大的設施，為了簡化模型，舍去這些影響不大的部件，只保留一個辦公桌和一個書柜在房間內。本文選擇了三種氣流組織方式：自然通風、上送上回式和置換通風，用來模擬分析室內空氣污染物分布的情況。

二、邊界條件

室內溫度設定為300K。送風口以不變的速度向外送出溫度不變的新風，回風口設置為求解前流速的出流邊界。本文模擬以甲醛為代表的室內揮發性有機污染物的濃度場，故在Fluent Database Materials中復制CH2O的物性參數，假設辦公桌和書柜表面是釋放源，把邊界條件設為質量進口，密閉和通風兩種狀態的甲醛釋放強度均為7.2×10kg/s，不隨時間變化，其他的地方均無甲醛釋放。在工作區設置監測點A、B，A（2，3.4，1）、B（2，0.8，1.6）分別為房間內兩點，室內空氣質量標準中甲醛的限量值0.10mg/m3。

三、不同空調通風方式模擬結果及分析

1.數值模擬速度分布情況。反映熱舒適性因素中包含室內空氣氣流的速度，根據相關文獻規范規定，夏季室內風速必須達到舒適性空調的要求，風速應低于0.3m/s，否則會對人員產生較強的吹風感，會使人產生局部的冷感從而感覺不舒適[2]。

如圖1、圖2所示，當自然通風工況時，由兩個不同位置的截面的速度分布圖，我們可以看出，從房間的整體來說，復蘇很小，遠遠低于0.3m/s。根據相關氣象參數，將自然送風速度設置的是0.12m/s。由于會有風壓作用，在窗戶附近的空氣擾動較大，所以局部的風速可能會達到0.3m/s。從橫向看，風速從窗戶向門口呈遞減趨勢，都在0.1m/s左右，同時由于受重力作用一部分氣流呈拋物線形狀流動，而室外空氣對辦公桌的位置影響較小，風速更低。因此，在這種情況下，利用自然通風足夠滿足室內舒適性對風速的要求。

如圖3、圖4所示，上送上回的送風速度設置為2m/s，當上送上回式通風工況時，由兩個不同位置的截面的速度分布云圖，我們可以看出，送風口的送風速度較高，在送風口處有一個高風速區，雖然呈遞減趨勢，但是區域內風速已經超過了室內舒適性要求。當空氣受到阻力和辦公桌阻擋后，來到工作區的風的速度已經降低了許多，風速在0.14m/s左右，是滿足舒適度要求的。回風口附近也有類似送風口的高風速區，但是由于回風口設計的面積是比送風口大的，所以風速不是很高，大部分是低于規范的。在上送上回式通風方式下，室內空氣的速度分布具有明顯的不均勻性，中間區域風速高，兩邊區域風速低，總體來說，滿足了活動區域對風速的要求。

置換式的送風速度設置為0.3m/s，置換通風工況下，送風口位于房間底部，而且風速本來就低，越往上速度越小。辦公桌在這里阻礙了氣流的流動，使書柜附近的風速較小，排污能力下降。由于回風口位于房間頂部，再加上模型空間的限制，在回風口處速度會逐漸增大。根據文獻，置換通風系統需要保持室內人員活動區域的風速不高于0.2m/s[3]。除了送風口和回風口附近，其他區域風速都小于0.1m/s，所以滿足要求舒適性。

2.數值模擬CH2O濃度分布情況。本文以CH2O為室內空氣污染物的代表進行數值模擬，假定只有室內辦公桌和書柜作為CH2O的散發源。根據衛生部制定的室內空氣質量標準（GBT 18883-2002），里面對甲醛含量的標準是關閉門窗12個小時，甲醛含量≤0.1mg/m3算達標。由于室內空氣逐漸被室外新風取代，而甲醛向門口方向積聚，從窗戶向門口方向室內甲醛濃度遞增。此外，因為辦公桌和柜子是甲醛的散發源，又要盡量避免受室外風直吹所致不舒適，所以辦公桌和書柜附近區域的濃度也高于自然通風流通的區域。上送上回式通風工況，在送風口送入新鮮空氣之后，甲醛濃度迅速降低。而甲醛的密度比空氣大，所以房間底部的甲醛濃度明顯比頂部高，上送上回式通風工況無法有效地將桌柜附近的甲醛排放到室外。置換通風方式下甲醛濃度分布也存在垂直梯度，新風被從房間的底部以較低的速度送入，部分區域產生渦旋，對周圍的空氣卷吸，室內的熱濁空氣也隨之上升，由此將室內的污染物排出。由于辦公桌在房間中間對氣流產生障礙作用，新風不能很好地流動到左側，且從圖中可看出左側的甲醛濃度要明顯高于右側?？傮w來說，除了辦公桌和書柜這些散發源小范圍的甲醛濃度略高0.1mg/m3的標準要求，房間其余大部分區域皆滿足要求。

四、結語

針對房間內的空氣質量問題，本文首先建立了物理模型，選擇了自然通風、上送上回式通風、置換式通風這三種氣流組織方式，然后利用FLUENT軟件模擬在不同情況下甲醛的擴散情況，得到不同工況下的速度分布圖以及甲醛濃度分布圖，最后對此進行研究分析。置換式通風，整個室內的風速均在一個較低的范圍內，熱舒適性最好。送風速度、送風角度、送風位置等各種因素都會影響室內甲醛濃度分布，自然通風的排污能力與室外風速有直接的聯系，當室外風速足夠大時，足夠滿足室內衛生要求，將污染物排除。置換式通風是最有效的排污方式，可以將室內大部分區域的污染物通過排風口排出，送風速度小，所以熱舒適性高。但在選擇置換式通風方式時，室內環境對空氣的分層效果影響較大，室內物品的大小以及擺放的位置都會影響空氣的分層，進而影響排除室內污染物的效果。并且若室內風速過低時，不能很好地達到污染物在房間頂部聚集的理想效果，室內污染物的排出也更困難。所以，為了理想高效地排出室內空氣污染物，可以首選置換式通風方式，而自然通風作為輔助方案。

參考文獻：

[1]于明.中央空調引起室內空氣污染與控制的研究[D].山東：山東大學，2007.

[2]趙國凌.防排煙工程[M].天津：天津科技翻譯出版公司，1991.

[3]孟廣田，李強民.置換通風的熱舒適分析與評價[J].建筑熱能通風空調，2000，（1）：21-23.