低温地板辐射采暖室内颗粒物分布模拟研究

王胖胖 闫秋会

西安建筑科技大学环境与市政工程学院

0 引言

低温地板辐射采暖系统作为一种新型的采暖方式已经得到广泛应用。该系统具有节约能源，能够利用可再生能源和低品位热能采暖等优点。国内外许多学者针对低温地板辐射采暖系统，分别采用实验和数值模拟的方法对室内流场和热舒适性等方面做了研究[1-4]。岳晓敏[5]等人对地板辐射采暖和散热器采暖室内的颗粒污染物分布的研究结果表明，相对于低温地板辐射采暖室内，散热器采暖室内的空气质量差些。而低温地板辐射采暖室内地面附近的颗粒污染物浓度偏高。V.Golkarfard[6]等人的研究结果表明，低温地板辐射采暖室内颗粒物的沉积率要大于传统的散热器采暖室内。但是迄今为止，针对室内源产生的颗粒物在低温地板辐射采暖室内的运动特征的研究还比较少。

因此，本文采用CFD对低温地板辐射采暖房间存在室内污染物时颗粒物的运动随时间和空间变化的特征进行了数值模拟研究。

1 数值计算模型

1.1 物理模型

选取实际的低温地板辐射采暖房间的卧室作为研究模型。房间尺寸为长（X）×宽（Y）×高（Z）=5m×3.5m×3m。北墙为外墙，北墙的中线上设有玻璃窗，尺寸为0.8m×0.8m。南墙的中线上设有门，尺寸为2m×1m。假设房间地面全部敷设盘管。地面的中心处设有人体模型，简化尺寸为5m×3.5m×3m。发烟器（颗粒物释放源）中心位于点（2.5m，1.75m，1.5m）处，简化尺寸为0.1m×0.1m×0.1m。

用Gambit软件建立的低温地板辐射采暖房间的物理模型如图1所示。

图1 低温热水地板辐射采暖房间的物理模型

1.2 数学模型

1.2.1 气相模型

低温地板辐射采暖室内气流的流动属于湍流流动，本文选择的是标准k-ε方程湍流模型，并结合Boussinesq假设来计算热浮升力对室内流场的影响。控制方程的差分格式采用二阶迎风格式，采用SIMPLE算法处理压力-速度的耦合作用。气相控制方程表达式为：

式中：φ，Γφ，Sφ分别是通用变量、广义扩散系数和广义源项。对应于不同的通用变量，式中各项参数的具体表达式可参见文献[7-9]。

1.2.2 颗粒相模型

针对本文研究的内容，采用的颗粒相模型是基于拉格朗日方法建立的离散相模型（DPM）。为简化模拟，采用以下假设：

1）忽略气流与颗粒物的热、质传输。

2）颗粒间不发生凝并。

3）将颗粒物看作实心球体。

此时颗粒物的运动方程为：

式中：u为流体相速度；up为颗粒速度；ρ为流体密度；Fx表示在X方向上附加的加速度项（单位颗粒污染物质量的力）[7-9]。

1.3 边界条件

结合所研究的对象，将该低温地板辐射采暖室内的四周围护结构及地面按第一类边界条件处理，即定壁温边界条件。天花板按绝热边界条件处理；窗户为速度入口（velocity-inlet）边界条件，外门定义为outflow边界条件。颗粒物释放强度均取为1×10-7kg/s，颗粒物密度为1400 kg/m3。

2 低温地板辐射采暖室内颗粒物分布特征

本文选取X=2.5m（X方向中截面）、Y=1.75m（Y方向中截面）两个截面来分析低温地板辐射采暖室内颗粒物的分布特征。

2.1 典型粒径（2.5μm）随时间的变化特征

从图2可以看出，在前10 s内，2.5μm颗粒污染物随气流在室内传播，但传播速度并不快。在60 s时，2.5μm颗粒污染物由于受到热浮升力和热泳力等力的作用已经完全散布于室内。

图2 2.5μm颗粒污染物随时间变化的分布图

2.2 不同粒径的颗粒污染物随Z轴（房间高度）的变化

图3 给出了颗粒污染物由设置在Z=1.5m处的发烟器释放时，B点颗粒污染物浓度随房间高度变化的特点。从图中可以发现，粒径为1μm和5μm的颗粒污染物浓度的峰值发生在Z=1.2m高度左右，而粒径为10μm和20μm的颗粒污染物浓度峰值大致出现在Z=0.75m高度处。粒径dp<10μm的颗粒污染物由于受到上升热流和重力的共同作用而悬浮。而对于20μm的大粒子，明显受重力的影响较大。

图3 不同粒径颗粒物随房间高度的变化特点

2.3 不同粒径的颗粒污染物随X轴（房间进深）变化

从图4中可以看出，各粒径的颗粒污染物浓度峰值基本上都出现在粒子释放处，即X=2.4m处，与此处相比，其他区域的浓度都较低。图4（a）和（b）显示，小粒径（dp<5μm）的颗粒污染物沿房间进深方向的扩散很明显，而大粒径（dp>10μm）的颗粒污染物的扩散并不明显。这主要是因为在这个高度Z=1.5m处，上升气流的影响并不显著，大粒径的颗粒污染物主要受到重力作用的影响而向下沉降。

图4 不同粒径颗粒物随房间进深的变化特点

3 结论

本文通过数值模拟对低温地板辐射采暖室内颗粒物运动和扩散特性进行了研究，可得到如下结论：

1）不同粒径的颗粒污染物随空间变化会出现明显的差异。1μm和5μm的颗粒污染物具有很强的气流跟随性，其主要受热浮升力和布朗扩散的影响。而10μm和20μm的颗粒污染物主要受重力作用的影响，大部分分布于房间下部或沉积到地板表面。

2）颗粒物释放源位于发烟器（Z=1.5m）处时，在房间高度上小粒径的颗粒污染物浓度的峰值发生在Z=1.2m高度左右，而大粒径的颗粒物浓度峰值大致出现在Z=0.75m高度处，而在房间进深方向上，大粒径的颗粒污染物沿房间进深方向的扩散并不明显。

本文研究结论对于研究低温地板辐射采暖室内颗粒污染物具有重要的参考价值。

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