辐射复合空调室内粉尘颗粒物浓度分布特性

蒋达华，李 玮，许 艳，费 华

(江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

辐射复合空调室内粉尘颗粒物浓度分布特性

蒋达华，李 玮，许 艳，费 华

(江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

以辐射复合空调系统为研究对象，通过实际空调供冷案例研究分析室内不同粉尘颗粒释放源位置下颗粒物浓度分布及扩散特性。研究结果表明：靠近热源处的颗粒沿热流方向纵向迁移，其他室内颗粒物扩散则主要受通风气流组织的影响，气流跟随性强；送风口和热源处的颗粒发尘源对室内颗粒物浓度分布及扩散影响较大，当颗粒发尘源处气流湍流度小时，影响最小。

复合空调；颗粒释放源；气流 ；颗粒物浓度

近年来，大气污染日趋严重，人们开始关注室、内外空气中可吸入颗粒物、粉尘等固态污染物质浓度的监测与控制研究，颗粒物及粉尘所引起的“雾霾天气”、 低能见度问题，使人们出行受阻、呼吸困难，室内长期超标的空气颗粒物浓度(<0.14 mg/m3)[1]环境对人体的呼吸道、肝脏等也造成了严重的危害。颗粒空气污染已严重影响了人们的日常生活。

据统计[2-4]，人们每天在室内的时间大约占整天时间的80%～90%，老弱病残孕、幼儿在室内的活动时间则更长。随着人们对物质生活质量和水平要求的提高，越来越多的人通过空气加热器、新风处理机等空气调节设备对室内空气环境进行调节，以达到人们对室内环境舒适性的要求。因此，人们越来越关心满足空调系统室内舒适要求基础下的室内空气质量(Indoor air Quality，即IAQ)。近年来，新型顶板辐射与置换通风复合空调系统日益受到设计人员和业主的关注[5]。国内外学者研究[6-8]发现，这种送风调节方式加大了人体与围护结构、围护结构与围护结构之间的换热，发挥围护结构的蓄热作用，可实现建筑节能、减少成本的目的，同时独立的置换通风送新风系统能置换室内浑浊空气、提高空调系统通风效率，从而改善室内空气品质及热舒适。目前，对复合空调系统下的室内可吸入颗粒物分布及扩散特性研究较少，本文以顶板辐射复合空调系统为研究对象，结合室内温度场、速度场等流场，研究分析室内不同粉尘颗粒释放源下室内颗粒污染物的浓度分布及扩散特性。

1 室内粉尘颗粒受力特性

室内粉尘颗粒物体积小、密度轻，使其受力敏感，颗粒物在各种力的综合作用下发生扩散、沉积，在气流场中一般会受压力梯度力、视质量力(附加质量力)、巴塞特(Basset)力、马格努斯(Magnus)效应、萨夫曼(Saffman)升力、热泳力、布朗力及其他作用力[9]。由于室内流体和颗粒间相对速度不大，可不考虑视质量力，同时室内可认为无压力梯度，压力梯度力可视为零。因此， 在本文的复合空调系统中颗粒物的扩散、传输主要受萨夫曼(Saffman)升力、热泳力、布朗力等作用力耦合影响。

1.1 萨夫曼(Saffman)升力

萨夫曼升力大小可表示为：

(1)

可见，萨夫曼升力的产生主要是由于流场中的气流与颗粒间的速度差引起的，速度差越大，湍流作用越强，则此作用力就越大，从而加速颗粒在房间的扩散。

1.2 热泳力

理论计算公式可表示为：

(2)

热泳力在具有一定温度梯度的流场中产生，热泳力的大小和流场温度差成正比，方向与温度差所在的坐标方向相反。可见，室内流场温度差的大小决定了颗粒所受热泳力的大小，影响了颗粒在室内的扩散激烈程度。

1.3 布朗力

流场中的悬浮颗粒受到空气分子不规则运动的持续撞击而产生的力称为布朗力，大小表示为 ：

(3)

(4)

式中，σ为 Stefan-Boltzmann 常数；T为气体的绝对温度；ζi为方差为 1、期望为 0 的独立高斯概率分布(正态分布)随机数。

前述公式均假设计算的颗粒为球形且气体为理想气体，室内流场中的粉尘颗粒除受上面各力影响外，还有颗粒物与颗粒物之间碰撞产生的力以及颗粒物和壁面等碰撞产生的力等[10]，但这类力通常难以理论计算。

2 制冷工况实例设计

以赣州市某20 m2的办公房间为例进行实例分析，如图1，房间的实际长、宽、高为5 m×4 m×3.3 m，房间内有两个办公人员，两张办公桌，顶板有一个照明设备，顶板布置有两张尺寸为4 m×2.3 m的辐射板，房间底部有一个送风口inlet，室内回风由outlet风口排出。设定室内空气温度为27℃，相对湿度为60%。房间的南面墙为传热系数1.3 W/(m2·℃)的混凝土结构外墙，其余墙为绝热内墙，室内办公人员冷负荷设定为轻度劳动强度下的放热量[11]，即108 W，人体散湿按照成年男子在25℃下轻度工作的散湿量175 g/(h·人)。照明设备冷负荷为一般白炽灯，200 W，则总的冷负荷Qs为0.96 kW。

图1 赣州市某建筑办公房间物理模型

2.1 新风系统送风参数的确定

复合空调系统的送风量为房间内的最小新风量，即60 m3/h，房间的散湿源仅为室内两位轻度工作强度下的成年男子。室外空气冷却除湿到L点，L点直接等湿加热到送风状态点O，C点为辐射顶板表面状态点，状态参数仅为辐射板表面温度，空气处理过程如图2所示。

新风处理后的含湿量：dL=dN-W/GW=13.4-350/72=8.5 g/kg，dL与相对湿度90%线相交得机器露点L：tL=15.7℃，hL=42.1 kJ/kg。

为避免辐射板结露，同时考虑新风系统为置换通风，则采用高于露点送风温度6℃进行送风，送风状态点O为：t0=22℃，h0=46.4 kJ/kg。

故新风承担的室内负荷为：Q1=1.2×G(hN-h0)/3600=0.312 kW

图2 复合空调空气处理过程

2.2 辐射板负担的室内冷负荷

以冷却顶板供水温度高于室内空气露点温度5～7℃考虑，则冷却顶板的设计供、回水温度分别为20℃、22℃，冷却顶板的平均冷水温度为21℃，此复合空调系统的辐射板采用德国Krantz公司生产的SKS-4/3型对流式冷却顶板[12]，计算其负担室内冷负荷。

(1)参考样本[12]，单位辐射面积的供冷量：

q0=85 W/m2

(2) 冷却顶板单位面积实供冷量[13]：

q=q0×k1×k2=85×0.7×1.18=70.21 kW

式中，k1、k2为在冷却顶板面积缝隙率为20%下的修正系数，分别为0.7、1.18。

(3) 顶板承担室内显热冷负荷量：

Qf=Qs-Q1=0.96-0.31=0.65 kW

则此房间需要SKS-4/3型对流式冷却顶板面积为9.26 m2，基于房间顶板的系统设计，在顶板照明灯的两侧分别安装两块5 m2的辐射板R1、R2。

3 室内不同粉尘释放源下颗粒浓度分布规律

由于颗粒物的扩散、沉积及浓度分布与室内气流场、温度场等息息相关，因此需要对室内温度、速度等气流参数进行分析。

对于置换通风空调系统人们最为关注的是距脚踝0.1 m处截面、坐姿时呼吸截面及房间的中心面处的温度值和空气流动速度，且距脚踝0.1 m面与室内工作区截面的温差值和气流速度变化大小也影响着室内热环境的热舒适性，故选取房间截面Y=0(房间中心面)、Z=-1.55(脚踝0.1m处)、Z=-0.25(办公呼吸截面)及X=0(两工作人员所在截面)作为代表面进行结果研究分析。利用流体专业模拟分析软件Fluent，选择合适的计算模型及边界条件，进行模拟计算。

3.1 复合空调室内温度场和速度场分析

此复合空调的送新风系统采用房间底部送风、顶部排风的置换通风方式，见图3。

图3 室内置换通风气流矢量图

由图3可知，由于置换通风的送风速度为0.5 m/s，且由底部送出，因此房间工作区的气流相对稳定，涡流区较少，气流大多稳定向上，不会出现局部大温差。但是在房间顶部附近气流有向下的趋势，这是因为布置在顶部的冷辐射板的作用，温度较低的空气与室内较热空气存在温差，造成冷、热空气间的密度差，使得辐射板附近气流有向下流动趋势。

图4、图5为截面X=0、Z=-0.25(工作区)处温度和速度分布云图。由图4可知，由于人体体温稳定，且每时每刻释放恒定的热量，人体附近一定范围温度较高，301～302 K，室内温度绝大部分在299 K左右(26℃)。图5(a)为呼吸高度截面处的温度分布图，温度297～299 K，只有在人体附近的小范围温度达到了299 K，其他温度在297.5 K左右。分析图4、图5的截面速度图，可知由于送风的速度较小，使得房间送风截面以上区域的空气流动速度很低，虽然局部产生气流，引起速度差，但局部速度差在0.1 m/s。

(a) 温度分布 (b)速度分布图4 X=0截面处温度和速度分布图

(a) 温度分布 (b)速度分布图5 Z=-0.25截面处温度和速度分布图

在房间地板上布置三个不同位置的测试点H1、H2、H3，H1位于原点，H2为靠近人体的点，H3是远离送风口、靠近角落的点，对这三点的房间垂直高度上的温度和速度值进行记录，结果如图6所示。由于图6(a)的H1点刚好在射流范围内，于是底部区域空气的温度较低，速度大，此区域以上的温度和速度值则较稳定。由图6(b)可知，H2点靠近人体，在人体附近的涡流和人体热源的作用下，房间中间区域的温度场和速度场不稳定，具有较大的速度差。而靠近角落的H3点，由于此处无热气流和涡流的影响，此范围的温度下部高、上部较低，见图6(c)，速度在靠近回风口处降低。

(a)H1位置 (b)H2位置 (c)H3位置

3.2 室内颗粒物浓度分布特性

在房间布置三个典型的颗粒释放源，模拟分析不同颗粒释放源位置下复合空调系统室内颗粒物浓度分布特性，模拟颗粒物的粒径为0～10 μm。图7(a)为室内无释放源情况，但送入的新风中含有一定量的污染颗粒物，作为研究工况1，室内颗粒释放源K1、K2、K3分别为工况2、3、4，四种工况的颗粒物质量流率都为5×10-5kg/s(30 mg/m3)。比较四种工况，可明显看出在相同颗粒物浓度下，通入未净化的新风对室内颗粒物的扩散影响最大，颗粒物可较大范围地扩散到室内区域，结合图4、图5分析，其他三种工况由于附近气流速度低，温差较小，因此颗粒物扩散不明显，但K3在办公桌上，靠近人体，由于人体释放的热量影响，使K3处的颗粒物扩散相对K1、K2较明显。

(a)无释放源 (b)K1释放源

(c)K2释放源 (d)K3释放源 图7 室内不同粉尘释放源X=0处颗粒物浓度

图8为四种模拟工况下室内纵向各截面颗粒物扩散情况，各选取三个不同截面，最下面的截面为距地面0.1m处，中间为房间中心截面，最上面为距楼板0.1m处的截面。当通入有一定颗粒物浓度的新风时，颗粒物能随气流很快地扩散到房间各区域，各截面的颗粒物浓度最高，见图8(a)；当室内有粉尘颗粒释放源K1时，见图8(b)，在送风射流的影响下，颗粒物在地板的沉积量增加，颗粒向上扩散的趋势不明显；当颗粒物由K2释放时，由于K2在房间角落处，见图8(c)，在涡流的作用下，颗粒绝大部分在角落一定范围内沉积，很少扩散到房间上部；当室内颗粒释放源为一定高度，且靠近热源时，见图8(d)，颗粒物的向上扩散相对较明显，由于粒径重量轻，且在其他热用力和萨夫曼(Saffman)升力的作用下，释放源截面的下部区域的颗粒物浓度较低。

(a)无释放源 (b)K1释放源

(c)K2释放源 (d)K3释放源图8 室内不同粉尘释放源纵向各截面颗粒物浓度

综合上述分析可知，直接通入室内一定颗粒物浓度的新风时，颗粒物的扩散剧烈程度较其他三种工况大，室内呼吸区(Z=-0.25)和Z=1.55截面的平均浓度最高，对人体危害较大。由于通风气流的影响，使得工况1的壁面沉积较小，由于工况4的颗粒释放源距地面射流有一定距离，颗粒的扩散主要受热源的向上热气流的影响，致使大部分颗粒向上扩散，壁面沉积率最小，工况1的房间顶部颗粒物浓度最高，同时回风口处颗粒物浓度达4.21 mg/m3，可见工况1可排出室内大部分的颗粒物，空气净化能力最好，而工况3中的颗粒释放源在角落处，由于纵向不明显温差和局部涡流的影响，导致颗粒物在粉尘颗粒释放源附近范围内聚集，难以从房间顶部风口排出。

4 结论

通过实际供冷案例研究发现， 顶部辐射加置换通风空调系统室内工作区温度场分布均匀，纵向温差小，靠近热源处的颗粒主要沿热流方向纵向迁移，其他室内颗粒物扩散则主要受通风气流组织的影响，气流跟随性强。四种工况中，直接通入未净化的新风时，室内平均颗粒物浓度较高，颗粒扩散、迁移剧烈，对室内人员健康最不利，同时，送风口和热源处的颗粒发尘源对室内颗粒物浓度分布及扩散影响较大，颗粒发尘源处气流湍流度小或房间角落时，颗粒扩散路径短，影响最小。

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Concentration distribution characteristics of indoor dust particles in radiation composite air conditioning

JIANG Da-hua, LI Wei, XU Yan, FEI Hua

(SchoolofArchitectureandSurveying&MappingEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

In the study of radiation combined air conditioning system, the concentration distribution and diffusion characteristics of particulate matter in different dust particles were analyzed by the case study. The results show that the particles near the heat source along the longitudinal direction of heat transfer and other indoor particle diffusion is mainly affected by the ventilation airflow and airflow following strong; air and heat the particles of dust sources on indoor particle concentration distribution and diffusion effect, when the particle dust source flow turbulence hour minimum effect.

composite air conditioner; particle release source; airflow; particle concentration

2016-05-15

江西省自然科学基金(20151BAB213025)；江西理工大学研究生创新基金(ZS201515)

蒋达华(1977—)，男，四川安岳人，硕士，讲师。

1674-7046(2016)06-0079-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.06.015

TU375

A