热风供暖送风方式对高大空间室内污染物扩散的影响

叶　筱， 亢燕铭， 左　滨， 钟　珂

(东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620)

热风供暖送风方式对高大空间室内污染物扩散的影响

叶筱， 亢燕铭， 左滨， 钟珂

(东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620)

利用数值模拟方法研究分析了混合通风和碰撞射流通风供暖时，高大空间内的热环境及污染物浓度分布特征.结果表明，两种热风供暖方式在高大空间内形成的气流形态完全不同，导致污染物的空间分布也有很大差别.碰撞射流通风时，不同类型污染物(CO2和2.5 μm颗粒物)在房间内都能均匀分布，而混合通风时，两者在房间内的分布极不均匀且表现出不同的分布特征，CO2集中分布于房间中部，2.5 μm颗粒物则集中分布在远离外墙的近地面区.碰撞射流通风比混合通风更有利于污染物的排除.此外，送风温差对混合通风房间内污染物的分布特征有明显影响，但对碰撞射流通风基本没有影响.

高大空间； 热风供暖； 混合通风； 碰撞射流通风； 主动式污染物； 被动式污染物

通风形式是影响房间内污染物扩散的一个重要因素[1].传统的冬季热风供暖房间，通常采用混合通风(MV)系统中上送上回式的气流组织形式.由于热浮力的作用，送风热气流将难以到达人员空间，导致供暖能量利用率偏低[2].碰撞射流通风(IJV)作为一种新型的通风方式，完全克服了混合通风供暖时热风难以抵达人员空间的缺点.碰撞射流通风系统中送风气流以较高的动量从垂直送风口射出，气流撞击地板后向四周蔓延，冬季热风供暖时送风气流在惯性力的作用下与室内空气充分混合，供暖能量利用率明显高于混合通风[3-5].然而，由于以上两种送风方式在室内形成的流场不同，室内污染物扩散和分布特征也可能有很大区别.碰撞射流通风能否提供优于混合通风房间的空气品质，是其进一步推广的关键.

文献[6-7]研究表明，房间内污染物的运动主要受惯性、自然对流、温度梯度及人员活动等因素影响.文献[1]用数值模拟的方法研究了置换通风和混合通风房间内气溶胶粒子的沉积与浓度分布，结果表明，粒子的沉积及浓度分布主要受房间通风条件的影响.文献[8]指出，送、排风口布置对室内CO2的排出效果有重要影响.

尽管关于碰撞射流通风和混合通风空间的温度和流场分布的研究较多[2-5]，但对高大空间在这两种送风方式下因人员呼吸产生的CO2(主动式污染物)和人员行走产生的颗粒物(被动式污染物)扩散特征的研究较少.本文在对混合通风和碰撞射流通风高大空间内的热环境及污染物浓度分布进行数值模拟的基础上，分析比较两种通风方式下不同性质污染物的浓度空间分布规律，为碰撞射流的推广应用提供理论依据.

1　数值计算模型

1.1物理模型及边界条件

以一个层高为10 m的高大空间作为物理模型进行研究，图1给出了房间的柱网布置情况，每个柱子的横截面尺寸为0.6 m × 0.6 m，相邻柱距间空调送、回风口布置相同，根据对称性理论，本文选取一个柱距单元作为研究对象，其平面分布见图1灰色部分.采用MV时，送、回风口均设置在外墙上部，送风口尺寸为0.3 m × 0.3 m，回风口尺寸为0.3 m × 0.2 m，送风口高度为8.5 m，回风口设在送风口下方0.5 m处; 采用IJV时，送风管紧贴柱子，送风口尺寸为0.3 m × 0.2 m，距离地面的高度为0.3 m，回风口尺寸为0.3 m × 0.3 m，位于屋顶中央.另外，房间内设有3组站立的人群，每组人群尺寸为0.8 m × 0.8 m × 1.7 m(高).两种送风方式的风口布置形式以及人员所在的空间位置如图2所示.

图1　物理模型平面分布图(单位：mm)Fig.1　Plan of the space researched(unit: mm)

a—MV送风口; b—MV回风口; c,d—IJV送风口; e—IJV回风口; p—人员所在位置图2　高大空间送、回风口布置及典型面分布图Fig.2　Locations of the inlet and outlet and typical surface in the large-height space

研究空间采用非结构化网格进行划分，送、回风口、近壁面处以及污染源附近的网格均进行加密处理，最小网格尺寸为0.03 m，总网格数为(310～400)万.

本文将外墙作为热损失面.在模拟过程中，地板和屋顶均设为绝热面.室内热源如人、灯和电脑等虽对房间供热有利，但对气流和温度的局部分布影响很小[9]，故在模拟中不考虑室内热源的影响.由于送风空调房间通常保持正压，所以在模拟计算时将不考虑冷风渗透造成的热损失.

在不同热负荷条件下，室内的温度和流场将出现不同的形态.本文以室外温度to为-5和4 ℃为例分别进行模拟计算，采用定风量系统，通过改变送风温差来应对不同室外气候条件下的负荷要求.根据民用建筑供暖通风与空调设计规范[10]，冬季室内设计温度取21 ℃.MV中热风以水平向下30°倾角射出，送风速度vs为3.0 m/s.文献[3]推荐IJV的送风速度为1.4～3.0 m/s，因此,设热风以2.4 m/s的速度垂直向下射出.本文所计算工况的送风参数和工作区(距离地面2 m以下空间)的平均温度t列于表1中.

表1　两种送风方式的送风参数及工作区平均温度Table 1　Supply parameters and temperature in occupied zones in the two air supply systems

本文以人员呼出的CO2和人员行走产生的2.5 μm 颗粒物分别作为主动式污染物和被动式污染物的代表.模拟过程中，设室内每组有4名人员，共3组，平均人员密度为0.3 人/m2.站立人员的CO2散发强度为0.022 m3/(h·人)[11]，因此每组人群的CO2散发强度为0.088 m3/h.设人员行走引起的2.5 μm颗粒物全部来源于地面.文献[12]的实测结果表明，每个人行走引起1～5 μm颗粒物的浓度增加1～2 μg/(m3·s)，因此本文中设颗粒物散发强度为1.5 μg/(m3·s)，密度设为1450 kg/m3.设CO2的送风浓度为1.2 × 106μg/m3，颗粒物的送风浓度为0 μg/m3.

1.2数学模型

本文所研究流体为三维连续不可压缩流，采用Reynolds时均N-S方程(RANS)模拟计算室内气流的湍流流动，湍流模型选用RNGκ-ε模型.在研究过程中假设流体属性不变，考虑到浮升力的影响，空气的密度采用Boussinesq近似.数值计算时，采用SIMPLE算法控制压力和速度的耦合.对于模型的离散化，除压力项外其他项都选用二阶迎风格式，所有固体表面均设为无渗透和无滑移条件，送风口边界类型定义为velocity-inlet，回风口定义为outflow，以保证进、出口质量流量相等.

目前主要有两种方法处理多相流：欧拉-拉格朗日法和欧拉-欧拉法.欧拉-拉格朗日法用来跟踪和分析粒子的运动轨迹，研究单个粒子的动态特性，而欧拉-欧拉法用来预测所有粒子的空间分布特征，以整个流场作为研究对象[13].本文的研究重点是污染物的空间分布规律，故采用欧拉-欧拉法中的混合模型进行模拟计算.模型中的粒子被处理成连续项，通过求解粒子与空气之间的相对滑移速度方程确定重力对颗粒物分布的影响，本文通过引入用户自定义函数(UDF)来确定粒子在不同方向壁面上的沉积量Jd,dA[13]，如式(1)所示.

Jd,dA=vd,dA·Cb,dA·dA

(1)

式中：Cb,dA为靠近壁面控制体中粒子相的体积分数；dA为控制体壁面的面积；vd,dA为某一点粒子的沉积速度，其在不同壁面方向上的具体表达式见文献[13].

1.3数学模型的合理性验证

为了保证数值模拟方法的可靠性，需要验证1.2 节中数学模型的合理性.首先对其流场及温度场进行验证.在东华大学环境科学与工程学院人工气候实验室进行热风供暖实验，对室内的温度场和速度场分布进行实测.人工气候实验室共布置4个测杆，每个测杆沿高度方向设置7个测点，测点布置情况如图3所示.实验时采用Humlog 20型温度仪测量温度，其分辨率为0.1 ℃，采用意大利Delta公司的万向风速仪来测量气流速度，其测量范围为0.05～5.00 m/s，精度为±3%，分辨率为0.01 m/s. 实验过程中，为保证测量结果的稳定，连续测量5～6 h，直到室内空气温度和壁面温度的波动范围小于±5 ℃， 实验数据均取自稳定状态下的实测值.

图3　人工气候室测点布置情况(单位：mm)Fig.3　Arrangement diagram of monitoring point in the test chamber(unit: mm)

针对上述实验工况，本文采用数值计算的方法对其进行模拟，通过对比模拟结果和实测值，验证该数学模型的合理性.图4给出了1号和3号测杆数值模拟值与实测值的比较.由于篇幅限制，其他测杆的对比结果不再给出.

(a) 1号测杆

(b) 3号测杆

由图4可知，除某些位置数值模拟结果与实验数据之间产生一些偏差外，整体上模拟值与实验值能够较好地吻合.这可能是由于门的开启以及实验过程中冷风渗透等原因对室内的温度场和速度场造成影响，进而导致模拟结果与实验结果之间的偏差.可以认为本文所采用的计算流场和温度场的数值方法是正确的.

这里分别以文献[14-15]的实验参数(包括房间几何参数、送风参数以及污染物参数等)，利用本文采用的污染物浓度分布的计算方法对二者的实验及模拟结果进行了再现.图5是本文模拟结果与文献[14]中给出的测点1和测点6处SF6浓度分布的比较. 图5中，H*= 测点高度/房间高度，C*= (测点浓度-送风浓度)/(排风浓度-送风浓度).由图5可知，本文的模拟值比文献[14]的模拟值更接近实测值，这充分说明本文所采用的计算主动式污染物浓度分布的方法是可行可靠的.

图6是文献[15]给出的颗粒物浓度分布结果与本文模拟值的对比.图6中，C= 测点浓度/排风浓度.由图6可以看出，除了某些位置与文献中的结果有较小的偏差外，其他位置处的模拟值与文献[15]给出的结果基本上能够较好地吻合，可以认为本文所采用的计算颗粒物浓度分布的数值方法是合理的.

(a) 测点1

(b) 测点6

(a) 测点3

(b) 测点5

2　模拟结果与分析

对于定风量系统，房间供暖热负荷越大，送风温差越大，送风气流受到的热浮力作用越大，这可能影响到室内的流场以及污染物分布特征.同时主动式污染物和被动式污染物的初始扩散速度不同造成二者的输运特征有所区别.因此有必要对不同负荷条件下，研究分析MV和IJV两种送风方式在高大空间内的温度场和速度场，并对不同性质污染物的浓度空间分布规律进行比较.

2.1两种送风形式下室内的温度场与速度场分布

图7和8分别是两种送风方式在不同室外温度条件下房间中心剖面也即过人体剖面(x=2.25 m) 上的气流速度和流场分布.

图7　混合通风房间x = 2.25 m平面的流场分布Fig.7　Air flow fields in the MV at the plane of x = 2.25 m

图8　碰撞射流通风房间x = 2.25 m平面的流场分布Fig.8　Air flow fields in the IJV at the plane of x = 2.25 m

由图7可知，在MV中，热风射流以30°倾角向下射出后，在浮升力的作用下运动轨迹发生改变，在送风气流末端，送风动量大幅度衰减，最终在房间近中心处形成明显的上升气流，送风气流上升至顶棚附近时，沿着顶棚向四周扩散，热气流难以到达下部空间，房间温度出现上高下低的特征.比较图7(a)和7(b)可以看出，送风温度越低，送风热气流越容易到达房间下部，在房间上部形成的涡流范围越大.这是因为送风温度较低时，热浮力对热气流的抬升作用较弱，使得气流向下输运距离较远，下部空间得到的热量较多.

由图8可以看到，对于IJV，送风热气流以较高动量从垂直送风口向下射出并撞击地面，随后沿着地面水平扩散一定距离后在浮力的作用下脱离地面向上运动，形成了覆盖房间大部分空间的大涡流，这使得房间内的气流在惯性力的主导作用下充分混合，从而使房间内温度均匀分布.对比图8(a)和8(b)可知，送风温差较小时，上部空间涡流的水平影响范围较宽.这是因为送风温差越小，热风受到的热浮力作用越小，送风热气流沿地面水平扩散的距离越大.

对比图7和8可以看到，MV中，近地面气流以很低的速度曲折向上运动，而IJV中，近地面处气流多以水平流动为主且速度较大.这种差别是由两种送风方式的送风口位置决定的.此外，由图7和8还可以看出，由于外墙内表面温度较低，两种送风方式下外墙附近的空气均通过对流换热被冷却后下沉.但是，在相同室外温度条件下，IJV冷空气下沉速度明显大于MV的情况，且在靠近风口近地面处形成较大范围的涡流区.这是因为IJV房间内空气充分混合，外墙内表面与周围空气的温差较大而导致自然对流作用比MV强，同时，IJV热风在室内形成的大范围涡流(见图8)在外墙附近的气流方向与下沉冷气流的运动方向一致，也增加了下沉冷空气的速度.

两种热风供暖送风方式的气流形态差别，必然造成二者室内温度分布特征的不同.图9给出了房间不同高度平面的平均温度.由图9可知，MV送风方式时温度在房间高度方向上产生明显的分层现象，而IJV房间内温度分布比较均匀.这是由两种送风方式完全不同的气流形态造成的(见图7和8).由图9还可以看出，MV供暖房间上下温差随着送风温差的减小而减小，两种负荷时上下温差分别为8和6 ℃.IJV供暖房间上下温差受送风温差的影响很小，两种负荷条件下均不足1 ℃.

图9　两种送风方式温度沿高度方向的变化Fig.9　Vertical distribution of indoor temperature in the two air supply systems

2.2两种送风方式下主动式污染物浓度空间分布规律

图10是两种送风方式在to= -5 ℃时x= 2.25 m 剖面上气流形态与CO2质量浓度分布图.由图10(a)可知，在MV中，CO2质量浓度分布非常不均匀，上部的涡流阻止了CO2向上扩散，而下部空间的向上气流使人体呼出的CO2难以向下运动，最终使CO2在房间中间高度处聚集.图10(b)表明，由于IJV供暖房间内空气较充分地混合流动，CO2质量浓度分布比较均匀，仅在涡流区出现小范围的高浓度区.

图10　x = 2.25 m剖面气流形态与CO2质量浓度分布情况Fig.10　Air flow patterns and CO2mass concentration distributions at x = 2.25 m plane

图11为不同高度平面上的CO2平均质量浓度.由图11可知，在MV送风方式下CO2质量浓度沿房间高度方向变化明显，最高质量浓度出现在高度2.5～ 3.0 m范围内，这与图10的结果是一致的.同时CO2的质量浓度分布受送风温差的影响较大，送风温差越大，房间内CO2质量浓度越大.由图11还可以看到，IJV送风方式下CO2质量浓度沿房间高度的变化虽然没有混合通风明显，但在人员呼吸高度处即污染物散发位置处依然出现最大值.

图11　不同高度上CO2的平均质量浓度Fig.11　Average mass concentrations of CO2in different heights

通常用人员呼吸高度及工作区污染物的平均浓度分布情况来衡量工作区空气品质的优劣，为此，图12给出了不同送风状态下站立人体平均呼吸高度(z= 1.6 m)、2.0 m以下空间、整个空间内CO2的平均质量浓度以及排风质量浓度.图12表明，在不同室外温度条件下，IJV房间内z= 1.6和2.0 m以下空间CO2平均质量浓度基本相同，且与室外温度为-5 ℃时MV房间的情况相近；而对于MV房间内z= 1.6和2.0 m以下空间CO2质量浓度随送风温差的减小而减小.由图12也可以看出，混合通风中送风温差不仅影响CO2的空间分布特征，并且会改变2.0 m以下空间与整体空间CO2质量浓度值的相对关系，即当送风温差较小时，整体空间的CO2质量浓度大于2.0 m以下空间的值，当送风温差较大时，则出现相反的情况.这是因为送风温差越小，下部空间的空气混合越均匀，越有利于CO2的扩散，CO2的平均质量浓度越小.

图12　不同空间位置CO2的平均质量浓度及排风质量浓度Fig.12　Average mass concentrations of CO2in different zones and the mass concentrations of CO2in exhaust air

CO2排风质量浓度是影响污染物排除效率的一个重要参数，由图12可知，IJV中CO2的排风质量浓度与室内平均质量浓度接近，而MV的CO2排风质量浓度则远小于室内平均质量浓度.

2.3两种送风方式下被动式污染物浓度空间分布规律

图13是两种送风方式在to= -5 ℃时x= 2.25 m 平面上2.5 μm颗粒物的浓度及速度等值线图.由图13可知，IJV中2.5 μm颗粒物的浓度分布比较均匀，与CO2在房间中的分布情况基本一致，而MV中颗粒物主要集中在远离外墙的房间下部区域.这是因为IJV房间中近地面处的气流速度明显高于MV，由地面产生的2.5 μm颗粒物在近地面处气流的作用下更容易被携带至主流区，在主流区内惯性力对颗粒物起主要的诱导作用，从而使室内的颗粒物均匀扩散，最终通过排风口排出；而MV房间中近地面处气流速度过小，约为0.006 m/s，不足以使2.5 μm颗粒物进入主流区，另外靠近外墙附近下沉的冷空气沿着地板表面水平扩散，在该气流的作用下使颗粒物聚集在远离外墙的近地面区域.

图13　x = 2.25 m剖面气流形态与颗粒物的质量浓度Cp分布图Fig.13　Air flow pattern and particles mass concentration distributions at x = 2.25 m plane

图14是不同高度平面上2.5 μm颗粒物的平均质量浓度.通过图14可以看出，在不同热负荷条件下，MV房间中2.5 μm颗粒物的平均质量浓度沿高度的变化不同，当送风温差较小时，房间下部颗粒物的质量浓度高于送风温差大的情况，在近地面处二者的颗粒物质量浓度甚至相差4倍，而在房间上部则出现相反的结果.这是因为负荷小时送风热气流更多地进入下部空间，将颗粒物携带至房间上部，并被及时排出.IJV房间中由于气流充分混合且近地面处气流速度较大，不同送风温差时2.5 μm颗粒物质量浓度均随高度变化不大.此外，由图14可知，MV房间中在近地面处2.5 μm颗粒物的质量浓度远高于碰撞射流，这是因为IJV在近地面处的气流速度远大于MV.

不同空间区域内2.5 μm颗粒物的平均质量浓度及排风浓度大小关系如图15所示.由图15可知，对于MV，送风温差对颗粒物质量浓度的空间分布有明显影响，这与图14的结果一致.在IJV中，不同送风温差下2.5 μm颗粒物的质量浓度基本相等并且都远小于混合通风的情况.由此可以认为，IJV更有利于房间内被动式污染物的扩散.

图15　不同空间颗粒物的平均质量浓度Cp及排风浓度Fig.15　Average mass concentrations of particles in different zones and the mass concentrations of particles in exhaust air

3　两种送风方式下不同性质污染物排污效率对比

排污效率是衡量通风系统性能优劣的一个重要参数，其大小反映了空调通风系统排除污染物的能力.在稳态通风情况下，排污效率εp[16]为

(2)

式中：Ce、Cs和Ch分别为房间内回风口、送风口和任一空间点污染物的质量浓度，μg/m3.本文数值模拟中，CO2和颗粒物的送风质量浓度分别为1.2×106和0 μg/m3， 回风口处以及空间任一点的质量浓度可以由模拟计算结果得到.

不同高度平面CO2和2.5 μm颗粒物的平均排污效率如图16所示.由图16(a)可以看出，IJV中CO2的平均排污效率高于MV，在房间下部近地面处排污效率甚至出现了大于1的情况，并且送风温差越小排污效率越大.由图16(b)可知，两种送风方式对2.5 μm颗粒物的排除能力有明显不同，MV中在不同高度平面上排污效率变化很大，在房间下部排污效率远小于1，而在房间上部出现接近1的情况，IJV中不同高度上排污效率均接近于1.同时可以看出，两种送风方式下近地面处颗粒物的排污效率均低于房间上部，这是由于颗粒物自身重力作用的结果.总的来看，IJV比MV更有利于污染物的排除.

(a) CO2排污效率

(b) 颗粒物排污效率

4　结　语

本文利用数值模拟的方法研究分析了混合通风供暖和碰撞射流通风供暖时，高大空间内的热环境及污染物浓度分布特征，得到以下主要结论.

(1) 混合通风供暖时，热浮力使得送风气流主要在高大空间上部循环；碰撞射流通风供暖时，直接进入人员空间的热空气在整个空间内循环流动.两种送风方式不同的气流形态导致室内温度沿高度分布特征完全不同，混合通风呈明显的下低上高特征，碰撞射流气温分布非常均匀.

(2) CO2和2.5 μm颗粒物在碰撞射流和混合通风中的分布有很大不同，碰撞射流通风时两者在房间内均匀分布，而采用混合通风时污染物质量浓度分布很不均匀，CO2集中分布于房间中部，2.5 μm颗粒物聚集在远离外墙的近地面区域.

(3) 送风温差对碰撞射流通风污染物的分布影响不大，而对混合通风有明显的影响，送风温差越小，混合通风工作区内CO2的质量浓度越小，2.5 μm颗粒物的质量浓度越大.

(4) 对于主动式污染物，采用碰撞射流通风时排污效率在近地面处甚至可能大于1.对于被动式污染物，碰撞射流通风的排污效率在整个空间都基本上接近于1，而混合通风在人员空间的排污效率小于0.3.由此表明碰撞射流通风比混合通风更有利于污染物的排除.

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Effects of the Warm-Air Heating Supply Modes on Pollutant Diffusion in Large-Height Spaces

YEXiao,KANGYan-ming,ZUOBin,ZHONGKe

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The indoor thermal environment and contaminant concentration distribution are studied numerically in large-height spaces under mixing ventilation (MV) and impinging jet ventilation (IJV). The results show that the indoor air flow fields are different in the two ventilation strategies when they are used for room heating, and then results in a considerable difference in the spatial distribution of contaminants. The two types of pollutants (CO2and particles with size of 2.5 μm) are seemed to be uniformly distributed in the IJV, while the concentration field in the MV is different, i.e., the CO2is mainly distributed in the center of the room and the particles are distributed near the floor away from the external wall. The results also show that the IJV is more efficient for pollutant removal than the MV. In addition, the air supply temperature difference has a strong influence on the distribution characteristics of contaminations in the MV, and this effect can be neglected in the IJV.

large-height space; warm-air heating; mixing ventilation; impinging jet ventilation; active pollutant; passive pollutant

1671-0444(2015)06-0821-08

2014-10-11

国家自然科学基金资助项目(51278094)；上海市教委科研创新重点资助项目(13ZZ054)

叶筱(1990—)，女，河南南阳人，博士研究生，研究方向为建筑环境与节能.E-mail: jhyexiao@126.com

钟珂(联系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3

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