室內(nèi)污染物顆粒運動模擬與空調系統(tǒng)優(yōu)化控制分析

陳龍

摘 要 氣流組織是影響室內(nèi)環(huán)境質量的重要因素，本文對穩(wěn)態(tài)下不同送風方式對室內(nèi)污染顆粒物濃度的影響做模擬分析，以掌握送風方式與室內(nèi)顆粒濃度之間的影響關系。最終參考模擬分析結果，構建有助于人體健康的空調系統(tǒng)優(yōu)化控制方案，供相關研究的開展借鑒參考。

關鍵詞 氣流組織;顆粒運動模擬;空調系統(tǒng)優(yōu)化

引言

現(xiàn)代建筑室內(nèi)大多安裝空調系統(tǒng)，用以空間舒適度調節(jié)及室內(nèi)環(huán)境控制。隨空調系統(tǒng)普及和人處于室內(nèi)時間的延長，空調房內(nèi)空氣質量成為人們關注的重點。室內(nèi)污染物顆粒包括人體釋放的飛沫氣溶膠、可吸入灰塵等，其分布受氣流組織的顯著影響，進而改變?nèi)梭w感受。分析空調送風速度與顆粒運動間的關系，能夠為室內(nèi)空氣質量優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

1送風方式與污染物顆粒運動影響關系模擬分析

1.1 送風方式對顆粒物濃度的影響

（1）空間樣本。為簡化模擬試驗流程，本文主要分析穩(wěn)定狀態(tài)下，空調送風方式與污染物顆粒濃度間的關系。本次模擬實驗在夏季開展，樣本空間尺寸為7.5×4.5×2.7m，來自某高校教學樓常規(guī)教室，該棟教學樓安裝地源熱泵空調系統(tǒng)。以該空間樣本為基礎，分析側送風、落地送風和卡式送風三種送風方式下空間污染物顆粒濃度變化情況。主要儀器設備包括室內(nèi)環(huán)境質量綜合檢測儀、粒子計數(shù)器、細顆粒物濃度測試儀等。

（2）監(jiān)測點布置。樣本空間長度為7.5m，沿長度方向每2.5m設置監(jiān)測點，共包括3個監(jiān)測點;空間寬度為1.5m，每1.5m設置監(jiān)測點，共包括3個監(jiān)測點;空間高度為2.7m，依照0.5m、1.2m和2.0m高度將其劃分為三個平面，最終樣本空間內(nèi)設置27個監(jiān)測點。

（3）結果分析。在樣本空間中心位置設置模擬污染源，待空間內(nèi)顆粒物達到一定濃度后，啟動空調系統(tǒng)，分別采用不同方式進行送風，控制送風量均為680m3/h，連續(xù)送風2h，采集2h內(nèi)各監(jiān)測點顆粒物濃度數(shù)據(jù)。從空間呼吸區(qū)平面9個監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)情況可以看出，實驗0時刻，空間內(nèi)顆粒物濃度恒定（355?g/m3），實驗1h內(nèi)，不同送風方式下空間顆粒物濃度下降速度均較快，1h后各送風方式下顆粒物濃度降幅變緩。最終發(fā)現(xiàn)，側送風條件下，室內(nèi)顆粒物濃度降低至40?g/m3;落地送風條件下，顆粒物濃度降低至60?g/m3;卡式送風條件下，顆粒物濃度降低至50?g/m3。可以清晰地發(fā)現(xiàn)，當送風量不變時，側送風方式去除空間污染物顆粒的效果最優(yōu)，其次為卡式送風方式。產(chǎn)生該結果的原因可能為：相較于其他兩種送風方式，側送風與室內(nèi)空氣的摻混距離更大，新風能夠與室內(nèi)空氣充分混合，形成均勻的速度場，更有效清除空間顆粒物[1]。

1.2 送風速度對顆粒物濃度的影響

為進一步明確空調運行狀態(tài)對空間空氣質量的影響，基于以上分析結果，繼續(xù)探究側送風方式下，不同風速對顆粒物濃度的影響，設計如下模擬實驗：

（1）條件設置。沿用之前的空間樣本，選用側送風方式，固定送風角度（30°）、送風溫度（18℃）不變，研究1.0m/s、1.5m/s和2.0m/s風速條件下空間顆粒物濃度變化。

以樣本空間為CFD計算區(qū)域，以ANSYS/ICEM平臺進行區(qū)域網(wǎng)格劃分，其中最小網(wǎng)格為0.01m，設漸變率為1.2。然后利用Fluent平臺構建壓力求解器，使用SIMPLE算法對壓力和速度做耦合求解。

（2）結果分析。①當送風速度為1.0m/s時，當送風路徑縱向作用距離未達到樣本空間0.5倍縱深時，各點溫度與送風口差別不大，統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的最高溫度僅為21℃。在空間呼吸水平面，統(tǒng)計到的最高溫度為24℃，且有一半以上的面積溫度達到22℃以上。在顆粒物濃度方面，沿送風路徑自送風口至對面墻壁，顆粒物濃度逐漸降低，呼吸高度處絕大部分面積的顆粒物濃度在送風口的1.03倍左右[2]。②當送風速度為1.5m/s時，沿送風路徑方向更大面積的溫度與送風口接近，統(tǒng)計到的最大溫度為19℃，且約3/4縱深的區(qū)域溫度穩(wěn)定在21℃，說明該風速條件下空間制冷效果更優(yōu)。在顆粒物濃度方面，沿送風路徑自送風口至對面墻壁，顆粒物濃度逐漸降低，呼吸高度處絕大部分面積顆粒物濃度為送風口的1.06倍。③當送風速度為2.0m/s時，樣本空間呼吸高度及空間中截面位置的溫度幾乎均為19℃，說明該風速下空間制冷效果進一步增強。但在顆粒物濃度方面，濃度變化規(guī)律保持不變，空間呼吸面的顆粒物污染程度進一步加劇，大部分區(qū)域的顆粒物濃度達到送風口的1.13倍。

從以上分析可以看出，當選用側送風方式時，送風速度提高會優(yōu)化空間制冷效果，使得室內(nèi)溫度分布更為均勻。但風速提高會增大顆粒物的污染范圍，局部空間顆粒物濃度明顯上升，若長期處于此類環(huán)境，會給人體健康造成不利影響。

2基于人體健康的空調系統(tǒng)優(yōu)化控制建議

外部條件允許的情況下，優(yōu)先選用側送風的方式，其次為卡式送風、最后為落地送風，以通過送風方式優(yōu)化，促使空調系統(tǒng)送入新風與室內(nèi)渾濁空氣充分融合，排除更多室內(nèi)污染物顆粒。

空調制冷過程中，合理選擇送風速度，在體感溫度適宜的基礎上，適當降低送風速度，防止污染物顆粒在空間內(nèi)大范圍擴散。例如，優(yōu)化空調系統(tǒng)風閥設計，綜合考慮室內(nèi)空間溫度、濕度及污染物顆粒濃度情況，對風速和風量做合理調節(jié)，以有效平衡空間舒適度與污染物濃度間的矛盾關系。

定期進行空調系統(tǒng)清潔，去除送風系統(tǒng)內(nèi)部灰塵等雜質，以免污染物顆粒隨空調系統(tǒng)在室內(nèi)大量囤積。目前市面上不少空調設備均自帶空氣凈化功能，以在確保空調制冷效果的同時，有效清除室內(nèi)污染物顆粒。

3結束語

經(jīng)模擬分析和實驗驗證，空調系統(tǒng)運行參數(shù)與室內(nèi)空間污染物顆粒濃度之間密切相關，可通過空調系統(tǒng)送風方式及狀態(tài)參數(shù)優(yōu)化調整，提高室內(nèi)空氣質量。本文研究基于地源熱泵空調系統(tǒng)進行，在結果普遍性上存在一定不足，希望得到其他學者的補充指正，以找出最佳的空調系統(tǒng)控制方案。

參考文獻

[1] 申慧淵，杜芳莉，劉昆讓，等.穩(wěn)態(tài)下空調風速對室內(nèi)污染物分布影響研究[J].西安航空學院學報，2020，38（3）：28-33.

[2] 祝琦琦.不同送風方式下室內(nèi)氣流組織及顆粒物分布的模擬實驗研究[D].濟南：山東建筑大學，2019.