通风方式对PM2.5颗粒分布影响的模拟研究

孙 斌，李英嘉

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

通风方式对PM2.5颗粒分布影响的模拟研究

孙 斌，李英嘉

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

PM2.5颗粒对室内空气品质的影响日益受到重视，可吸入的颗粒物对人体的健康造成直接的威胁。采用数值模拟的方法分析空调系统送风条件下，四种不同的通风方式对PM2.5颗粒浓度及运动分布的影响。结果表明：四种通风方式中，顶送顶回方式下室内PM2.5颗粒浓度最小，空气净化效果最佳。选择合理的通风方式，合理的气流组织，对于降低室内PM2.5颗粒物浓度有着重要作用。

通风方式；室内空气；PM2.5颗粒浓度；数值模拟

当前，中国很多地区饱受雾霾天气侵扰，室外空气中PM2.5浓度严重超过国家标准，直接影响室内空气品质，室内环境中PM2.5的污染相对较重。统计表明，绝大多数人70%～90%的时间是在室内度过的[1]，所以良好的室内空气质量对人体健康尤为重要。伴随经济的发展、人民生活水平的提高，人们对建筑环境的要求也越来越高，可吸入颗粒物，特别是其中细粒子PM2.5的污染日益引起人们的重视[2-3]。PM2.5是指空气动力学当量直径小于2.5μm 的大气颗粒物。近年来众多学者的研究表明，颗粒物上富集了重金属、酸性氧化物、有机污染物，如多环芳烃、农药等，并且是细菌、病毒和真菌的载体。长期暴露在颗粒物质中，对人体呼吸道疾病、眼睛和皮肤过敏的健康影响很大，也导致死亡率和发病率有所增加。基于我国目前环境污染形式，PM2.5颗粒是当前对人体危害最大的污染物，已引起世界各国的广泛关注[4-5]。

空调房间内PM2.5颗粒的运动和分布受很多因素的影响，主要是由空调系统气流组织形式、PM2.5颗粒特性、房间的布局等因素决定的。其中，通过调整空调系统通风方式，如送风口风速、送风量、送回风口布置形式等因素的改变，将直接引起室内气流组织形式的变化，进而影响PM2.5颗粒的运动和分布。本文将借助数值模拟手段，在相同工况的空调系统房间内，设置四种不同的通风方式，模拟分析PM2.5颗粒进入室内运动轨迹和浓度的差异，对结果进行对比分析。使得在技术上的可行性外，在经济上更加合理[6]。

1 物理模型

以全空气系统通风房间为研究对象，并根据PM2.5的颗粒特性，将颗粒的粒径设置为2.5 μm，颗粒跟随空气运动[7]。此次模拟分析了四种不同的送、回风口布置方式，分别为顶送顶回、同侧下送上回、侧下送顶回、异侧下送上回，并应用于相同的空调房间内。房间几何尺寸为：长(X)×宽(Y)×高(Z)=12 m×9 m×2.8 m，如图1所示。送风口和回风口的位置，详见各模拟工况中模型图。

图1 空调房间物理模型

2 控制方程与边界条件设置

2.1 控制方程

空气中PM2.5颗粒相非常稀薄[8]，因而颗粒与颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响可忽略不计，且颗粒相的体积分数非常低，远小于10%，因此选择FLUENT进行数值模拟[9]。

基于室内空气与PM2.5颗粒完全混合，从颗粒质量平衡的角度出发，建立室内颗粒浓度的方程。对于图1所示的最常见的通风房间而言，计算所用的数学基本方程如下：

(1)连续性方程是质量守恒定律的数学表达式

(1)

式中：u、v、w为流体速度矢量；ρ为密度。式中的后三项用散度表示可简写成如下公式：

(2)

(2)动量守恒方程

动量守恒定律反映了流体微元中动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和，该定律实际上是牛顿第二定律，矢量方程如下：

(3)

(4)

(5)

式中：Su，Sv，Sw分别为三个动量方程的广义源项；对于不可压缩气体Su，Sv，Sw=0。

2.2 边界条件设置

求解方程需要给出合理的边界条件，以便能较准确地模拟出房间内的流动情况。入口边界条件根据风口模型给出[10]，所有变量的数值均在入口处设定。送风口空气质量流量与排风口空气质量流量相等，以达到质量守恒。具体边界条件如下：

(1)室内送风口流面为压力进口，压力设为1.4 Pa。回风口为压力出口，出口压力设为-0.5 Pa；

(2)房间内送、回风口均为四个，尺寸均为0.5 m×0.3 m。回风量等于送风量，出口风速均为0.8 m/s；

(3)室内空间的墙面、屋顶壁面、地面均设为光华壁面条件；

(4)考虑颗粒在边界上的沉降，认为颗粒碰到壁面即沉降，不考虑二次悬浮；

(5)明确PM2.5粒子平均散发强度为3.5 ug/s；

(6)不考虑空气渗透的情况，且对室内源散发粒子采取追踪捕集条件。

3 计算结果及分析

模拟过程中，选择追踪一定量的PM2.5颗粒，可以清晰的观察PM2.5颗粒从进入房间直至离开的全过程运动轨迹。同时，可显示出PM2.5颗粒在室内空间的位置分布，将PM2.5粒径进行放大处理，通过观察房间的俯视图、正视图，确定颗粒位置和数量。由于办公人群长时间处于坐姿状态，此处重点分析Z=1.5 m处的PM2.5颗粒浓度。图2-图5为顶送顶回通风方式模拟下的PM2.5颗粒运动轨迹线、颗粒浓度分布图及悬浮位置分布图。

3.1 顶送顶回

由模拟结果知，Z=1.5m平面内，两侧边缘小部分区域内PM2.5颗粒浓度较高，达到了8.99×10-9(kg/m3)，中间区域内浓度较低为2.87×10-9(kg/m3)，平均浓度为4.53×10-9(kg/m3)。由于PM2.5颗粒随空气进入室内时，带有一定的初速度，但是粒子运动受空气阻力的影响，颗粒进入房间后，竖直向下扩散，运动速度逐渐减弱会产生一段缓冲距离。图2(a)～图2(d)分析知，PM2.5颗粒在室内无规则扩散，分布较为均匀，扩散范围也比较大，房间上方的粒子轨迹数量较下方集中。

图2 顶送顶回PM2.5模拟结果

PM2.5颗粒在房间中分布较为分散，靠近室内墙体的颗粒浓度较高，其他区域并未出现明显的颗粒集中区域，且房间上部PM2.5颗粒的数量多于下部的数量。气流自顶部送出，最后从顶部流出，使PM2.5颗粒在室内上部运动活跃，没有明显的沉降趋势，有利于室内新鲜空气的流通及PM2.5颗粒物的消散，室内空气品质较好。

3.2 同侧上送下回

Z=1.5 m平面内PM2.5浓度总体偏高，中间小区域内的浓度为3.47×10-9(kg/m3)，靠近墙体和墙角处的浓度最高，达到了9.64×10-9(kg/m3)，平均浓度为6.47×10-9(kg/m3)。颗粒运动轨迹成较规律的漩涡状，下落至底部时，随室内气流组织运动，从侧墙上的回风口出房间。送风口流出的颗粒轨迹线数量多于进入回风口的轨迹线，运动轨迹在靠近送、回风口侧的区域内，粒子轨迹密集，而另一侧的粒子轨迹较为稀少。

分析图3(a)～图3(d)知，PM2.5颗粒在房间内分散并不均匀，PM2.5颗粒在房间上方数量明显多于房间下方的数量，且房间两侧上方有少量的颗粒积聚。除中间区域粒子浓度较低外，其他区域颗粒污染严重，越靠近墙体则PM2.5颗粒浓度越大。该通风方式下气流流通不畅，导致大量PM2.5颗粒悬浮于室内，且没有沉降的趋势不利于室内污染物的消散。

图3 同侧上送下回PM2.5模拟结果

3.3 侧下送顶回

侧下送顶回工况下气流组织平稳，通风效果良好。结果显示，Z=1.5 m平面内颗粒无浓度分布较为均匀，墙角处最高达到了9.12(kg/m3)，而中间大部分区域内为3.16×10-9(kg/m3)，平均浓度为5.11×10-9(kg/m3)。分析图4(a)～图4(d)可知，PM2.5颗粒同样是在送、回风口间的半侧区域内较密集。中间两个送风口的PM2.5颗粒流出后，直接通过室内区域离开室内，没有做迂回运动，轨迹清晰。而两侧边缘区域，运动轨迹数量明显增多，PM2.5颗粒被送到了房间侧上方，不易流出室内浓度较高。

图4 侧下送顶回PM2.5模拟结果

室内PM2.5颗粒浓度较小，可以保证室内气体的有效流通及颗粒污染物的排放。在靠近送、回风口的半侧房间内，颗粒轨迹运动活跃，且房间两侧边缘的颗粒很难流出房间，两侧区域污染浓度略大。室内空间下部分的PM2.5颗粒较少，可以减少颗粒污染对人体健康的损害。

3.4 异侧下送上回

结果表明，Z=1.5 m平面内墙体周边的颗粒浓度较高，普遍达到了8.96×10-9(kg/m3)，其他区域内浓度较低，接近4.09×10-9(kg/m3)，平均浓度为6.11×10-9(kg/m3)。分析图5(a)～图5(d)知，由于送、回风口不再同一水平面上，气体自下而上径直流过室内，至回风口排出室外，并没有过多绕动，运动轨迹长度较长。且中间区域颗粒轨迹线集中，而室内送风口上方和回风口下方的PM2.5颗粒运动轨迹稀少。

图5 异侧下送上回PM2.5模拟结果

PM2.5颗粒在室内分布均匀，房间两侧附近的颗粒数量略多。室内空间中，送风口到回风口的斜面内气流组织良好，PM2.5颗粒可以很好的排出，而其他区域内PM2.5颗粒容易积聚，不易被稀释。由颗粒浓度分布图可以看出，室内墙角附近PM2.5颗粒浓度偏高，中间区域的颗粒浓度容易消散。

3.5 对比分析

表1为四种不同通风工况下不同平面内颗粒物浓度，图6为四种工况下颗粒物浓度随高度变化趋势图。

表1 四种不同通风工况下不同平面内PM2.5颗粒物浓度(kg/m3)

图6 四种工况下PM2.5颗粒物浓度随高度变化趋势

PM2.5颗粒随气流进入室内，运动轨迹与空气的流动方向相近，说明气流是颗粒运动的良好载体。根据模拟分析结果可知，在室外高污染天气下，室内由通风系统进行气体交换，顶送顶回工况下，室内空气流动平稳，大量PM2.5被携带排出室外，室内颗粒污染被稀释，室内PM2.5颗粒的平均浓度为4.45×10-9(kg/m3)，污染浓度最低；同侧上送下回工况下，送、回风口设置与相同一侧墙面上，且送风方向与回风方向完全相反，所以很难形成有利的气流组织，将颗粒从送风口输送到回风口排出。通风的不流畅，PM2.5颗粒在室内积聚，室内PM2.5颗粒的平均浓度为6.74×10-9(kg/m3)，污染浓度最高；而侧下送顶回工况和异侧下送上回工况，室内PM2.5颗粒的平均浓度分别为5.30×10-9(kg/m3)、6.39×10-9(kg/m3)，介于前两种工况之间。

竖直高度方向上，四种不同的通风方式造成了不同的颗粒浓度分布。顶送顶回工况下，由于颗粒自上到下做迂回运动，在房间中部区域悬浮时间较长，所以颗粒物浓度在1.5 m处高于其他平面。其他三种工况呈现出颗粒浓度随着高度的升高而降低的趋势。同侧上送下回和异侧下送上回工况下，颗粒浓度在高度方向上有明显的减小，而侧下送顶回工况下，变化平稳，颗粒浓度分布较为均匀。办公人群长时间处于坐姿状态，顶送顶回工况在房间下方的PM2.5颗粒浓度也是最低的，可有效降低颗粒污染对人体的危害。

4 结 论

本文采用FLUENT软件模拟四种通风方式对 PM2.5颗粒运动及浓度分布的影响，根据模拟结果分析，得以下结论：

(1)空调房间内，通风方式是影响室内PM2.5颗粒物浓度的重要因素。

(2)PM2.5颗粒重量小，气流组织是细颗粒物的良好载体，通风条件下，PM2.5颗粒的轨迹与流场方向相似，具有一定的流动性和跟随性。

(3)水平方向上，PM2.5颗粒在靠近室内墙体边缘及墙角处浓度较高。竖直方向上，PM2.5颗粒浓度呈现出随着高度的升高而降低的趋势。

(4)不同通风方式下，室内PM2.5颗粒平均浓度大小依次为：顶送顶回<侧下送顶回<异侧下送上回<同侧下送上回。顶送顶回方式下室内通风顺畅，颗粒污染物可以快速的被排出室外，有利于降低室内污染浓度，提高室内空气品质。同侧下送上回方式下，室内气流组织不平稳，造成大量PM2.5颗粒在室内积聚，难以稀释和消散，室内空气品质差，不利于身体健康。

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Abstract：The influence of PM2.5 particles on indoors air quality has received growing attention.Particulate matter poses a direct threat to human health.This paper adopts the method of numerical simulation，and analyzes the influence of four kinds of ventilation patterns to the distribution and concentration of PM2.5particles under the air-conditioning system supply condition.The results shows that among four ventilation modes，upper air supply and upper air return mode can make the lowest indoor PM2.5particle concentration and the best air purfication effect.Choosing a reasonable ventilation and air distribution play a vital part to reduce PM2.5concentration indoor.

Keywords：Ventilation way；Ndoor air；PM2.5particles；Numerical simulation

SimulationStudyonInfluenceofVentilationPatternstotheDistributionofPM2.5Particles

SunBin，LiYingjia

(Energy Resources and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

TU834

A

2017-05-12

孙 斌(1972-)，男，博士，教授，主要研究方向：多相流理论及应用.

电子邮箱：jlsunbin@126.com(孙斌)；540028891@qq.com(李英嘉)

1005-2992(2017)05-0032-07