稳态下空调风速对室内污染物分布影响研究

申慧渊，杜芳莉，刘昆让，罗晓杰，田 嘟

(西安航空学院 能源与建筑学院，西安 710077)

0 引言

中国城市的环境污染迫使城市居民将越来越多的活动空间局限在封闭或者半封闭的建筑中[1]。在建筑室内活动，空调自然成为控制室内环境、维护人员安全及舒适性的重要机械设备。空调房间的空气质量也成为人们日常生活关注的问题。在空调房间中，普遍存在可能释放污染物的家具或者电器设备，随着居住者的使用，家具或者设备中产生的污染物被连续释放到室内空间中，除此之外，室外污染物也会通过渗透进入室内，根据以往的研究结果[2]，通过降解污染物的手段，无法完全去除这部分污染物。综合考虑室内和室外的污染物来源，长此以往越来越多的有害污染物最终会在室内不断地累积，与此同时，累积的污染物会伴随空调系统的运行，在室内发生对流扩散，部分污染物会再次进入空调系统，在空调系统内部进一步累积。如果空调用户忽视家用空调的清洁，伴随着家用空调的再次启动，污染物会二次进入室内，容易造成密闭室内空气品质的严重恶化，直接影响室内人员的健康，特别是，久居室内的人员一般多为年长者或者婴幼儿，其更加容易受到密闭空调房间中未清洁的空调送风的影响。研究日常稳态运行条件下家用空调送风的污染特征，可以帮助居民回避风险，所以，该项研究工作具备重要的实用价值。

研究日常稳态运行条件下家用空调送风的污染特征，可以通过实验测试或者计算机仿真完成。受到测试技术的限制，通过实验方法很难获取详细的空调室内污染物数据，所以，以往关于空调运行与污染物之间关系的研究工作主要集中在空调室内污染物的分类[3-5]、空调室内居民对污染物的机体反应[6-8]以及空调的最佳运行策略[9]等方面。随着计算机技术的发展，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术在室内环境方面的应用越来越多。借助CFD技术，可以获得空调房间内部详细的污染物浓度分布，避免了实验方法获得数据周期长以及数据点过少的缺陷，为深入分析空调运行与污染物分布之间的关系提供了有力的技术支撑。例如，借助CFD技术，可以成功地评估各种挥发性有机化合物(VOC)的分布，并计算出与之相伴的其它室内环境参数[10]。基于CFD获取的室内温度和污染物浓度分布的详细数据，可以更精准地分析空调运行参数对污染物分布的影响。

1 空调房间布局及空调运行情况

通过考量某居民楼内部配备空调的卧室，空调房间布局如图1所示。该房间的空间尺寸为：长4500 mm，宽3900 mm，高2700 mm。空调安装于内墙，安装高度为2252 mm，空调尺寸依据某品牌实际空调尺寸设置，长998 mm，宽3900 mm，高2700 mm，空调送风口尺寸为：长998 mm，宽74.5 mm。

图1 空调房间布局示意图

空调运行于稳定状态，送风角度为30°，送风温度[11]被控制在17 ℃。本研究仅探讨密闭房间中空调送风速度对居住环境中污染物分布的影响，所以，选取三个档位的送风速度，分别是：1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s，在下文中，依次对这三个档位风速的室内环境进行模拟，比较不同送风速度下室内环境的异同。考虑到空调长期没有进行彻底的清洁，空调送风将空调内部积累的污染物送入房间，以文献提供的数据为标准，设定送风污染物浓度[12]为2.49 mg/m3，房间壁面对流传热系数设置为1.86 W/m2·K，壁面温差为3 ℃。整个房间处于封闭状态，人员长期在内部进行活动，考察人员周围的体感环境，其考察的水平截面选取为垂直于Z轴，平面高度为1.0 m，考察的垂直截面选取为垂直于空调轴线的房间中部立面，其截面坐标为：Y=1.95 m，其余环境参量见下文求解器中所设置。

2 CFD数学模型

2.1 控制方程组

空调房间内的气体流动控制方程包括：连续性方程(1)、动量方程(2)和能量方程(3)。空调累积的污染物浓度被视为被动标量，在房间内部的对流过程通过标量输运方程(4)进行简化。本文的控制方程组如下：

其中，αk是关于湍动能k的有效湍流普朗特数的倒数；αε是关于湍动能耗散率ε的有效湍流普朗特数的倒数；Gk为速度梯度引起的湍动能生成量；Gb为浮力导致的湍动能生成量；YM为可压缩的湍流运动脉动变化对总的耗散率造成的影响量；R是平均应变率影响项。

2.2 网格划分

图2 空调房间的计算域和网格

本论文将整个三维房间中的空间作为CFD计算区域，计算区域的网格划分基于ANSYS/ICEM平台，划分采用结构化网格。最小网格设置为0.01 m，网格渐变率采用1.2，整体网格数量为113247个，空调房间的计算域和网格如图2所示。靠近空调表面以及墙壁的网格取0.01 m，同时配合使用壁面函数，壁面函数取标准壁面函数。

2.3 求解器设置

求解器基于Fluent平台，采用基于压力基的求解器，压力和速度耦合求解采用SIMPLE算法。空间离散格式均选用二阶格式。湍流模型选取RNG k-ε湍流模型。

考虑到夏季建筑空调室内与室外的温差，建筑壁面边界的对流换热系数取1.86 W/m2·K，其热通量取5.58 W/m2。空调送风口取速度进口边界条件，送风速度大小分别取1.0 m/s、1.5 m/s以及2.0 m/s，考虑到房间内部气流会形成湍流，进口处的湍流强度取5 %。送风角度设置为30°，送风温度设置为17 ℃。设定送风污染物浓度为2.49 mg/m3。

本文在稳态计算过程中设置能量方程残差小于10-6，设置连续性方程、动量方程和RNG k-ε湍流模型方程残差均小于10-3。

3 模拟结果与分析

基于CFD技术详细展示空调房间内部温度及污染物浓度的分布。送风速度大小分别取1.0 m/s、1.5 m/s以及2.0 m/s，通过改变空调送风速度，揭示当空调系统处于稳定状态时，送风速度对空调房间温度和污染物分布的影响。

3.1 送风速度1.0 m/s

送风速度1.0 m/s时空调房间环境参数统计分布如图3所示。空调送风口处的送风速度为1.0 m/s时，空调房间内部房间中截面(Y=1.95 m)和休息状态(居民姿态呈现为坐姿)居民呼吸高度截面处(Z=1.00 m)的温度统计分布和污染物浓度统计分布分别如图3(a)、图3(b)所示。

由图3(a)所示，沿着空调送风路径(倾角30°，向下送风)，靠近送风口，其空调送风路径纵深作用距离没有超过空调房间的一半纵深距离时，温度的统计平均值均靠近送风口温度，最高统计温度才达到21°；在房间用户的呼吸高处(Z=1.00 m)，最高统计温度达到24°，呼吸高度处的高温区域(≥22°)约占房间面积的一半。

由图3(b)所示，沿着空调送风路径，污染物浓度从送风口处到送风口对面墙体处，其数值大小逐渐降低，大部分区域处的污染物统计浓度达到2.70 mg/m3。在房间用户的呼吸高处(Z=1.00 m)，最高污染物统计浓度达到2.70 mg/m3，最低污染物统计浓度达到2.68 mg/m3，在呼吸高度处，绝大部分区域的污染物浓度是送风口污染物浓度的1.08倍。

(a) 空调房间温度统计分布

(b) 空调房间污染物浓度统计分布

3.2 送风速度1.5 m/s

送风速度1.5 m/s时空调房间环境参数统计分布图如图4所示。空调送风口处的送风速度为1.5 m/s时，空调房间内部房间中截面(Y=1.95 m)和休息状态居民呼吸高度截面处(Z=1.00 m)的温度统计分布和污染物浓度统计分布分别如图4(a)、图4(b)所示。

由图4(a)可知，沿着空调送风路径(倾角30°，向下送风)，更大范围内部的温度值均靠近送风口温度，最高统计温度才达到19°，低于送风速度为1.5 m/s时的21°。维持21°的空气扩散纵深距离已经超过空调房间的一半纵深距离，该温度的扩散面积大约占3/4截面面积。在房间用户的呼吸高处(Z=1.00 m)，最高统计温度达到21°，低于送风速度为1.5 m/s时的24°，呼吸高度处的区域全部位于低温区域(≤22°)。空调房间各处的温度均低于送风速度为1.5 m/s时的温度，可见空调房间的制冷效果明显。同时，在空调房间内部，温度梯度发生变化的区域与之前相比较，其面积增大，即温度梯度的变化更加复杂，这与送风速度增大后，空调房间内部的回流效应增强直接相关。

由图4(b)可知，沿着空调送风路径，污染物浓度依旧从送风口处向送风口对面墙体处依旧逐渐降低，大部分区域处的污染物统计浓度达到2.78 mg/m3，高于送风速度为1.5 m/s时的2.70 mg/m3，最高污染物统计浓度达到2.82 mg/m3。最高污染物统计浓度是送风速度为1.5 m/s时的1.04倍。在房间用户的呼吸高处(Z=1.00 m)，最高污染物统计浓度达到2.80 mg/m3，与送风速度为1.5 m/s时保持一致。但是，在房间用户的呼吸高处(Z=1.00 m)，几乎全部区域已经被2.80 mg/m3浓度的污染物污染。可见，伴随着送风速度的增加，当送风速度为2.0 m/s时，在呼吸高度处，污染程度增大，大部分区域的污染物浓度是送风口污染物浓度的1.12倍。

(a) 空调房间温度统计分布

(b) 空调房间污染物浓度统计分布

3.3 送风速度2.0 m/s

送风速度2.0 m/s时空调房间环境参数统计分布如图5所示。空调房间内部房间中截面(Y=1.95 m)和工作状态居民呼吸高度截面处(Z=1.00 m)的温度统计分布和污染物浓度统计分布分别如图5(a)、图5(b)所示。

如图5(a)所示，沿着空调送风路径(倾角30°，向下送风)，温度靠近送风口温度，除此之外，几乎在其截面全部位置处统计温度均达到19°，靠近墙壁处最高温度也只有20°。在房间用户的呼吸高处(Z=1.00 m)，与房间中截面(Y=1.95 m)处类似，几乎在其截面全部位置处统计温度均达到19°。

如图5(b)所示，污染物浓度从送风口向送风口对面墙体依旧逐渐降低，大部分区域的污染物统计浓度大于2.90 mg/m3，高于送风速度为2.0 m/s时的2.80 mg/m3，最高污染物统计浓度达到2.95 mg/m3，整个房间污染程度继续增大。

(a) 空调房间温度统计分布

(b) 空调房间污染物浓度统计分布

4 结论

本文通过模拟分析，详细展现了空调房间在稳态运行条件下，空气品质的统计平均值的分布规律(温度统计平均值和污染物浓度统计平均值)。结果显示，家用空调送风状态对室内污染物的分布具有很大的影响。伴随着送风风速的逐渐增大，室内温度分布趋于均匀，其温度统计值逐渐降低，制冷效果逐渐增强；室内污染物分布的结果说明在长期忽视空调清洁问题的前提下，较高的送风风速，虽然利于空调室内的降温性能，但是却增大了室内污染物的分布范围，污染物的局部浓度也逐渐增大，最高污染物统计浓度达到2.95 mg/m3，是空调送风口处污染物浓度的1.18倍，不利于室内居民的长期健康。本文的研究工作证实了空调房间空调的洁净程度直接影响室内居民的健康；增加空调送风口的风速，可以提高空调房间的制冷效果，但是，不利于减弱室内污染物的危害程度；在空调房间中选择适中的空调送风速度，可以优化空调房间的整体空气品质。将空调房间内部的污染物浓度视为被动标量，本文的结论适用于所有类型的污染物。