建筑群布局對燃煤電廠周邊CO2分布特征的影響研究

陳湞斐，陳金璽，范晨陽，晏 璐

(河海大學能源與電氣學院，江蘇省南京市，211100)

0 引言

我國“富煤、貧油、少氣”的能源特點，決定了煤炭在我國一次能源的生產和消費中，短期內難以發生根本性改變[1]。根據中電聯報告顯示，全國發電總裝機容量為24億kW，其中煤炭發電裝機容量為11.1億kW，占比為46.3%，同比增加2.5%。在未來一段時間內，我國的煤炭發電仍將占據主要地位[2-5]。因此，目前我國仍在規劃和建設一定數量的燃煤電廠，以保證電力需求得到充足供應[6-7]。

由于燃煤電廠以燃煤為主，煤燃燒會對周邊環境會產生一定影響。隨著近年來碳中和目標的提出，燃煤電廠的碳排放研究成為重點。蓋志杰等研究人員[8]以2臺300 MW的燃煤發電機組為研究對象，計算該電廠3年的碳排放總量；高建強等研究人員[9]以330 MW燃煤機組為研究對象，探究在58%、74%、89%負荷下，碳排放強度在各系統中的折算比例以及隨負荷變換的規律；蔡宇等研究人員[10]以內蒙古自治區某燃煤電廠為研究對象，介紹了碳排放量的計算過程以及碳排放量與供電量之間的定量關系；孫友源等研究人員[11]提出了2種碳排放強度的計算模型并給出計算實例；王通、索新良等研究人員[12-13]以燃煤發電機組為例，闡述燃煤電廠CO2排放量的測算方法，對計算CO2排放量意義重大。上述文獻是研究燃煤電廠發電量與碳排放量之間的折算比，并據此估算出實際的碳排放量。

隨著“低碳城市”的理念從提出到推廣，針對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我國二氧化碳排放影響的時空變化特征；王雅楠等研究人員[15]利用面板門檻模型研究城鎮化對碳排放的影響及其區域空間分布；王睿等研究人員[16]以縣級市作為研究單位，探究了我國縣級市碳排放空間分布格局及人口、經濟對碳排放的影響；夏冰等研究人員[17]以城市街區為研究對象，從城市街區碳排放計算與評估、碳排放與街區形態關聯性等相關方面，對目前已有低碳城市街區形態導控方法進行了整理與分析。上述文獻分別從宏觀和微觀角度對城市碳排放時空分布特征進行研究。

研究表明，CO2本身并沒有毒性，但如果長時間處于CO2濃度超過10%的環境中，人體的呼吸系統、循環系統、大腦器官的機能就會受到影響，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對其周邊居民的影響，采用計算流體動力學(CFD)模擬技術，對燃煤電廠及周邊建筑群進行有限元建模，研究不同風速和煙囪高度影響下燃煤電廠周邊CO2含量的分布情況，并通過改變燃煤電廠周邊建筑群的布局結構，研究出建筑群布局對CO2含量及速度場分布的影響，并剖析CO2的擴散規律，為燃煤電廠周圍區域規劃以及建筑群布局提供理論依據。

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濃度對其周邊居民的影響，筆者采用CFD模擬技術搭建了燃煤電廠及其周邊建筑群的仿真模型，并結合流體力學方程設置仿真邊界條件，以空氣中的CO2含量為研究對象進行分析。CFD分析法不僅模擬周期短、收斂速度快、經濟性好且可以通過改變參數，迅速實現流體的運動狀態，得出計算結果。燃煤電廠及下風向水平型建筑群布局如圖1所示。

圖1 燃煤電廠及下風向水平型建筑群布局

仿真模型中，設置燃煤電廠煙囪為CO2排放源頭，其碳排放量為1 000 kg/s。設置煙囪直徑為10 m，位于居民建筑群左側，煙囪周圍有6棟邊長為10 m的正方形燃煤電廠建筑。居民建筑群一共設置了16棟居民樓，每棟居民樓的長度25 m、寬度10 m、相鄰居民樓之間的距離為10 m。整個仿真計算域大小為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含量分布所設置的采樣線，CO2質量分數采樣線的位置坐標參數見表1。

表1 CO2質量分數采樣線的位置坐標參數 m

1.2 流體動力學方程

流體流動受物理守恒定律的支配，從本質講基本守恒定律由能量守恒定律、質量守恒定律和牛頓第二定律組成。對于空氣動力學而言，流體力學基本方程組是由連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程組成。

連續性方程見式(1)：

(1)

式中：?——對各變量求偏導；

ρ——質量密度， kg/m3；

t——時間， s；

u、v、w——流速在各個方向上的分量， m/s；

x、y、z——速度方向。

動量守恒方程見式(2)：

(2)

式中：p——氣流壓力， Pa；

v——粘性系數， Pa·s；

Su——動量源項， kg·m/s；

ui、uj——流體在對應方向上的平均速度，m/s；

xi、xj——笛卡爾坐標分量，i、j的范圍在1～3之間。

能量守恒方程見式(3)：

(3)

式中：θ——位溫， K；

Km——熱量擴散系數， m/s；

Sθ——能量源項， J。

當研究氣體擴散時，應根據氣體的特性添加組分輸運方程。考慮到居民主要在地面活動，筆者采用k-ε輸送方程，k-ε輸送方程見式(4)和式(5)：

式中：k——湍流動能， J；

vt——湍流粘性系數， m2/s；

u——湍流流動的流速， m/s；

ε——湍流耗散率， %；

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

組分輸運方程見式(6)：

(6)

式中：Ci——i點處氣體濃度，mg/m3；

K——湍流擴散系數， m/s；

S——氣體源項， mg/(m·s)。

1.3 CO2質量分數定義

常見的氣體含量表示方法有6種，分別是摩爾分數x、質量摩爾濃度m、質量分數w、質量濃度p、體積分數φ、物質的量濃度c。筆者采用CO2質量分數來代表氣體的含量見式(7)：

(7)

式中：wB——組分氣體的質量分數；

mB——組分氣體的質量， g/L；

mm——混合氣體中各組分的質量之和， g/L。

2 風速對CO2含量影響分析

風速是影響燃煤電廠排放氣體擴散的重要因素之一，在研究CO2含量分布時，在無風和有風這2種情況下，對燃煤電廠周邊4個方向上的CO2質量分數進行了仿真分析。

假設燃煤電廠煙囪高度設置為100 m，建筑群類型為水平型，無風和有風時CO2質量分數變化曲線如圖2所示。

圖2 CO2質量分數變化曲線

由圖2(a)可以看出，無風時碳排放源周邊4個方向的CO2質量分數相差不大，且變化規律基本相同，離排放源越遠CO2濃度越低；由圖2(b)可以看出，有風時下風向附近CO2的質量分數與其他方向的CO2質量分數相比，其數值呈現指數級上升，說明在有風的情況下，CO2主要朝下風向擴散。

因此，筆者重點研究分析了燃煤電廠下風向CO2含量的分布。

為進一步研究不同風速對燃煤電廠周圍CO2含量的影響，設置了5 m/s和7 m/s2種風速，對圖1中提到的L1～L66條采樣線處的CO2質量分數進行仿真，不同風速下CO2質量分數變化曲線如圖3所示。

圖3 不同風速下CO2質量分數變化曲線

由圖3 (a) 可以看出，當風速為5 m/s時，CO2質量分數呈現上升趨勢，當風速為7 m/s時，CO2質量分數總體上呈現振蕩上升的趨勢。在距離395～430 m時，風速為5 m/s的CO2質量分數要比風速為7 m/s的高；在距離430～495 m時，風速為7 m/s的CO2質量分數要比風速為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，風速為5 m/s的CO2質量分數要比風速為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，風速為7 m/s的CO2質量分數要比風速為5 m/s的高，且當距離超過488 m時，兩者的CO2質量分數都接近于零。

由圖3整體可以看出，風速的大小會對燃煤電廠下風向周邊建筑群CO2的含量產生影響。風速越大，大氣湍流就越強，CO2就擴散的更快。因此，當風速變大時，與碳排放源相距較遠處的CO2含量會增加，與碳排放源相距較近處的CO2含量會降低。所以，在確定建筑群與燃煤電廠的距離時，應結合當地的月平均風速進行綜合考慮，以保證居民生活的舒適度。

3 排放源高度對CO2含量影響分析

通過將燃煤電廠的煙囪高度分別設置成100 m和120 m，進一步研究排放源高度對CO2擴散的影響。此時，將風速設置為7 m/s，不同碳排放源高度下CO2質量分數變化曲線如圖4所示。

圖4 不同碳排放源高度下CO2質量分數變化曲線

由圖4 (a) 可以看出，在燃煤電廠距離建筑物395～495 m時，碳排放源高度為120 m的CO2質量分數與碳排放源高度為100 m的CO2質量分數相比呈指數級下降，且當距離小于285 m時，兩者的CO2質量分數都接近于零。

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，碳排放源高度為120 m的CO2質量分數與碳排放源高度為100 m的CO2質量分數相比呈指數級下降，且當距離超過343 m時，兩者的CO2質量分數都接近于零。

由圖4整體可以看出，當燃煤電廠煙囪高度從100 m 升至120 m時，燃煤電廠下風向相同位置的CO2質量分數呈指數級下降。因此，可以適當增加燃煤電廠煙囪高度以降低燃煤電廠下風向建筑群周邊區域CO2質量分數。

4 建筑群類型對CO2含量影響分析

為了進一步分析燃煤電廠周邊建筑群結構類型對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，對建筑群中的空氣流速和CO2含量進行仿真分析。燃煤電廠的煙囪高度設置為100 m，并將風速設置為7 m/s。水平型建筑群的具體結構和參數如圖1所示；其他4種類型的建筑群中建筑物的長度、寬度與水平型相同，不同類型的建筑群高度及結構如圖5所示。

圖5 不同類型的建筑群高度及結構

4.1 不同類型建筑群對氣流的影響

燃煤電廠排放的CO2主要從煙囪集中排放，其周邊CO2含量的分布會受到氣體流速的影響。而不同建筑群類型對氣流的影響也不同，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針漩渦，在C和D之間的漩渦稍強，并在建筑物D后方沿著墻面逆時針進行爬升；由圖6(b)可以看出，在凸字型建筑群中，氣流在建筑物D的上方形成一個較大的逆時針漩渦，且在建筑物B后方有上升趨勢，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的上方形成一個較大的逆時針漩渦，且在建筑物A后方有先升后降的趨勢，建筑物D后方沿著墻面逆時針進行爬升；由圖6(d)可以看出，在上升型建筑群中，建筑物之間沒有形成逆時針漩渦，但相鄰建筑物之間的氣流速度得到提升，且在建筑物D后方沿著墻面逆時針進行爬升；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上方形成一個較大的逆時針漩渦，且在建筑物D后方形成了一個小型漩渦，此外，氣流在經過建筑物A后呈現下降趨勢。

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上，進一步對建筑群中的CO2含量進行分析。不同類型建筑群中6條采樣線處CO2質量分數分布情況如圖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，凹字型建筑群的CO2質量分數呈現增大趨勢，上升型建筑群的CO2質量分數總體呈現震蕩趨勢，其余類型建筑群的CO2質量分數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，凹字型和水平型建筑群的CO2質量分數呈現上升趨勢，其他類型建筑群的CO2質量分數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，凹字型、上升型、凸字型建筑群的CO2質量分數呈現出下降趨勢，其他類型建筑群的CO2質量分數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，上升型建筑群的CO2質量分數呈現上升趨勢，其他類型建筑群的CO2質量分數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，上升型和凹字型建筑群的CO2質量分數呈現上升趨勢，其他類型建筑群的CO2質量分數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，上升型和凹字型建筑群的CO2質量分數呈現出先上升后下降的趨勢，其他類型建筑群的CO2質量分數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質量分數較低，適合作為燃煤電廠下風向建筑群。

圖7 不同類型建筑群CO2質量分數分布

5 結論

隨著城市低碳環保工作的推進，居民對其居住環境中的CO2濃度的關注度也逐漸提高。筆者采用CFD模擬技術對燃煤電廠及周邊建筑群進行有限元建模，研究了風速、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。得出以下結論。

(1)無風時CO2在碳排放源周邊均勻擴散，4個方向的CO2含量相差不大，變化規律基本相同；有風時CO2主要朝碳排放源下風向方向擴散，下風向方向上的CO2含量與其他方向的CO2含量相比較高。

(2)風速和碳排放源的高度會對下風向建筑群附近的CO2含量產生影響。當風速增大時，與排放源相距較近處的CO2含量降低，與碳排放源相距較遠處的CO2含量增加；當燃煤電廠煙囪高度增加時，地表相同高度的CO2含量會呈現大幅下降。

(3)當風速以及碳排放源高度相同時，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。