室内污染物颗粒运动模拟与空调系统优化控制分析

陈龙

摘 要 气流组织是影响室内环境质量的重要因素，本文对稳态下不同送风方式对室内污染颗粒物浓度的影响做模拟分析，以掌握送风方式与室内颗粒浓度之间的影响关系。最终参考模拟分析结果，构建有助于人体健康的空调系统优化控制方案，供相关研究的开展借鉴参考。

关键词 气流组织;颗粒运动模拟;空调系统优化

引言

现代建筑室内大多安装空调系统，用以空间舒适度调节及室内环境控制。随空调系统普及和人处于室内时间的延长，空调房内空气质量成为人们关注的重点。室内污染物颗粒包括人体释放的飞沫气溶胶、可吸入灰尘等，其分布受气流组织的显著影响，进而改变人体感受。分析空调送风速度与颗粒运动间的关系，能够为室内空气质量优化提供可靠依据。

1送风方式与污染物颗粒运动影响关系模拟分析

1.1 送风方式对颗粒物浓度的影响

（1）空间样本。为简化模拟试验流程，本文主要分析稳定状态下，空调送风方式与污染物颗粒浓度间的关系。本次模拟实验在夏季开展，样本空间尺寸为7.5×4.5×2.7m，来自某高校教学楼常规教室，该栋教学楼安装地源热泵空调系统。以该空间样本为基础，分析侧送风、落地送风和卡式送风三种送风方式下空间污染物颗粒浓度变化情况。主要仪器设备包括室内环境质量综合检测仪、粒子计数器、细颗粒物浓度测试仪等。

（2）监测点布置。样本空间长度为7.5m，沿长度方向每2.5m设置监测点，共包括3个监测点;空间宽度为1.5m，每1.5m设置监测点，共包括3个监测点;空间高度为2.7m，依照0.5m、1.2m和2.0m高度将其划分为三个平面，最终样本空间内设置27个监测点。

（3）结果分析。在样本空间中心位置设置模拟污染源，待空间内颗粒物达到一定浓度后，启动空调系统，分别采用不同方式进行送风，控制送风量均为680m3/h，连续送风2h，采集2h内各监测点颗粒物浓度数据。从空间呼吸区平面9个监测点采集数据情况可以看出，实验0时刻，空间内颗粒物浓度恒定（355?g/m3），实验1h内，不同送风方式下空间颗粒物浓度下降速度均较快，1h后各送风方式下颗粒物浓度降幅变缓。最终发现，侧送风条件下，室内颗粒物浓度降低至40?g/m3;落地送风条件下，颗粒物浓度降低至60?g/m3;卡式送风条件下，颗粒物浓度降低至50?g/m3。可以清晰地发现，当送风量不变时，侧送风方式去除空间污染物颗粒的效果最优，其次为卡式送风方式。产生该结果的原因可能为：相较于其他两种送风方式，侧送风与室内空气的掺混距离更大，新风能够与室内空气充分混合，形成均匀的速度场，更有效清除空间颗粒物[1]。

1.2 送风速度对颗粒物浓度的影响

为进一步明确空调运行状态对空间空气质量的影响，基于以上分析结果，继续探究侧送风方式下，不同风速对颗粒物浓度的影响，设计如下模拟实验：

（1）条件设置。沿用之前的空间样本，选用侧送风方式，固定送风角度（30°）、送风温度（18℃）不变，研究1.0m/s、1.5m/s和2.0m/s风速条件下空间颗粒物浓度变化。

以样本空间为CFD计算区域，以ANSYS/ICEM平台进行区域网格划分，其中最小网格为0.01m，设渐变率为1.2。然后利用Fluent平台构建压力求解器，使用SIMPLE算法对压力和速度做耦合求解。

（2）结果分析。①当送风速度为1.0m/s时，当送风路径纵向作用距离未达到样本空间0.5倍纵深时，各点温度与送风口差别不大，统计数据中的最高温度仅为21℃。在空间呼吸水平面，统计到的最高温度为24℃，且有一半以上的面积温度达到22℃以上。在颗粒物浓度方面，沿送风路径自送风口至对面墙壁，颗粒物浓度逐渐降低，呼吸高度处绝大部分面积的颗粒物浓度在送风口的1.03倍左右[2]。②当送风速度为1.5m/s时，沿送风路径方向更大面积的温度与送风口接近，统计到的最大温度为19℃，且约3/4纵深的区域温度稳定在21℃，说明该风速条件下空间制冷效果更优。在颗粒物浓度方面，沿送风路径自送风口至对面墙壁，颗粒物浓度逐渐降低，呼吸高度处绝大部分面积颗粒物浓度为送风口的1.06倍。③当送风速度为2.0m/s时，样本空间呼吸高度及空间中截面位置的温度几乎均为19℃，说明该风速下空间制冷效果进一步增强。但在颗粒物浓度方面，浓度变化规律保持不变，空间呼吸面的颗粒物污染程度进一步加剧，大部分区域的颗粒物浓度达到送风口的1.13倍。

从以上分析可以看出，当选用侧送风方式时，送风速度提高会优化空间制冷效果，使得室内温度分布更为均匀。但风速提高会增大颗粒物的污染范围，局部空间颗粒物浓度明显上升，若长期处于此类环境，会给人体健康造成不利影响。

2基于人体健康的空调系统优化控制建议

外部条件允许的情况下，优先选用侧送风的方式，其次为卡式送风、最后为落地送风，以通过送风方式优化，促使空调系统送入新风与室内浑浊空气充分融合，排除更多室内污染物颗粒。

空调制冷过程中，合理选择送风速度，在体感温度适宜的基础上，适当降低送风速度，防止污染物颗粒在空间内大范围扩散。例如，优化空调系统风阀设计，综合考虑室内空间温度、湿度及污染物颗粒浓度情况，对风速和风量做合理调节，以有效平衡空间舒适度与污染物浓度间的矛盾关系。

定期进行空调系统清洁，去除送风系统内部灰尘等杂质，以免污染物颗粒随空调系统在室内大量囤积。目前市面上不少空调设备均自带空气净化功能，以在确保空调制冷效果的同时，有效清除室内污染物颗粒。

3结束语

经模拟分析和实验验证，空调系统运行参数与室内空间污染物颗粒浓度之间密切相关，可通过空调系统送风方式及状态参数优化调整，提高室内空气质量。本文研究基于地源热泵空调系统进行，在结果普遍性上存在一定不足，希望得到其他学者的补充指正，以找出最佳的空调系统控制方案。

参考文献

[1] 申慧渊，杜芳莉，刘昆让，等.稳态下空调风速对室内污染物分布影响研究[J].西安航空学院学报，2020，38（3）：28-33.

[2] 祝琦琦.不同送风方式下室内气流组织及颗粒物分布的模擬实验研究[D].济南：山东建筑大学，2019.