分布式能源燃气内燃机排烟NOx 扩散模拟优化

赵大周 阮慧锋 王明祥 徐玮 叶飞

（1 华电电力科学研究院有限公司 浙江杭州 310030 2 浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室 浙江杭州 310030 3 广州大学城华电新能源有限公司 广东广州 511400）

楼宇型分布式是分布式能源系统的主要形式之一，布置于人群密集的城市中解决周边楼宇冷、热、电等负荷需求。天然气内燃机因具有体积小、启停迅速、余热利用率高等优点被广泛用作楼宇型分布式的原动机，然而天然气内燃机烟气排放对周边环境造成的影响不可忽视。目前北京市已发布相关标准，对其排放中的污染物进行限制。

数值模拟作为一种高效、便捷的技术手段越来越多的应用于工程优化设计中。目前多数学者利用数值模拟针对城市移动源的污染物扩散进行了研究：战乃岩等［1］以城市道路某段典型的街道峡谷为研究对象，研究了不同风向下空气流动状态及污染物CO 浓度的分布规律。杨志斌等［2］采用SST k-ω 湍流模型研究了城市复杂地形下大气污染问题，模拟结果得到了实验的验证。张莹等［3］采用天气预报提供初始条件驱动Fluent的模式研究了城市街区流场和污染物扩散，模型有较好的准确率。翁佳烽等［4］利用三维微尺度气象模拟软件模拟研究了典型气象条件下，来流与街区平行及垂直时污染物CO 的分布规律，模拟结果为小区布局提供一定的参考。刘红姣等［5］采用CFD 数值模拟方法研究了斜屋顶建筑在不同风速及不同开窗率的条件下污染物的浓度分布，模拟发现提高风速及增大开窗率有利于污染物的移除。刘治廷等［6］研究了机动车嵌入对城市街谷的环境影响，模拟研究了不同风速下街谷内流场及污染物的分布。

上述研究大多针对机动车等移动源污染物的数值模拟，且污染物大多研究CO 的扩散。本文借助商业流体力学计算软件FLUENT，研究了国内某商务区分布式能源站固定式天然气内燃机排气中污染物NOx 的扩散规律，并提出了优化改造方案，为同类型天然气内燃机排烟污染物扩散提供一定参考。

1 模型的建立

1.1 研究对象简介

研究对象为国内某商务区，商务区建筑主要包含办公楼、创意工坊、艺术家工作室、艺术商铺、酒店、交易中心、餐厅、剧场以及商业中心几个区域。占地面积近20 万m2，规划建筑面积31 万m2，容积率1.6，绿化率40%。具体的建筑信息见表1，具体布局见图1。

表1 建筑信息

图1 研究对象

目前商务区由分布式能源系统供能，系统配置2 台3.83 MW 颜巴赫燃气内燃机，同时搭配2 台制冷量为3.93 MW 的烟气热水型溴化锂机组，离心式冷水机组及燃气锅炉承担调峰。系统布置于办公楼D 地下二层。2 台内燃机共用1 根排烟烟囱，烟囱布置于办公楼D 楼楼顶，烟囱截面尺寸为1m×1 m的矩形烟道，总高3 m。

1.2 物理模型

几何模型采用三维绘图软件SolidWorks 进行全尺寸建模，流体域尺寸为1 000 m×2 000 m×150 m 以保证空气流体边界对商务区建筑群不造成明显影响。模型建立后导入ANASYS WORKBENCH 进行网格划分，规则的几何体采用规则的六面体或楔形网格，建筑群表面设置边界层并做局部加密处理，模型的总网格数约1000 万。

1.3 数学模型

烟气为湍流流动，控制方程包括能量方程、连续性方程、动量方程、标准k-ε 方程，其通用形式可表示为：

式中：ρ 为烟气密度，kg/m3；u 为烟气流速，m/s；φ 为通用变量；为广义扩散系数；S 为广义源项。

2 模拟条件及模型假设

在距离地面高度100 m 以内的表面层中，风剖面可采用普朗特对数分布或指数分布表示，其中指数分布因计算风速较简单，被多数国家采用，我国建筑规范采用的指数分布可表示为：

式中：UZ为高度为Z 处的风速，m/s；U0为高度10 m 处天气预测风速，m/s；Z0为气象站观测高度，一般取10 m，入口速度通过UDF 编程实现。

夏季主导SSE 风向对商务区的影响最大，因此本文仅对该风向的影响进行模拟研究，入口速度分布示意图见图2。

图2 入口速度分布示意图

实验测得2 台内燃机满负荷条件下烟气排放数据见表2。

表2 内燃机排放数据

模型忽略地面移动源NOx 的排放，不考虑用户开窗对污染物扩散造成的影响，不考虑楼顶冷却塔等散热对扩散的影响。

3 模拟结果与分析

3.1 速度及污染物浓度分布

当室外空气流过办公楼D 时，在建筑物的顶部和后侧产生弯曲的循环气流，屋顶上部的涡流区称为回流空腔，建筑物背风面的涡流区称为回旋气流区。这两个区域的静压均低于大气压力，形成负压区，成为空气动力阴影区，如图3 所示。

图3 空气动力阴影区

文献［7］给出了空气动力阴影区的影响高度Hk 计算公式：

式中：A 为建筑迎风面的面积，m2。本文模拟得到动力阴影区的影响高度约9.7 m，与公式计算得到的11.6 m 较吻合，说明了模型的有效性。空气动力阴影区对烟气扩散的影响见图4。

图4 NOx 摩尔分数分布

由图4 可看出，当烟囱处于该动力阴影区的影响范围之内，受其影响烟气中污染物富集于屋顶及近楼层壁面附近，不能有效的排出。为进一步了解污染物分布规律，选取典型的10 m、30 m 处2 个位置高度进行研究，分别见图5 及图6。

图5 10 m 位置NOx 摩尔分数分布

由图5 可看出，10 m 位置建筑密度相对较高，空气经过建筑群发生绕流动，建筑群范围内空气流速整体较低。污染物NOx 主要富集于风向下游200 m 范围内，局部最大污染物NOx 摩尔分数为7×10-8，10 m 位置NOx 总体浓度较低。由于空气速度较低，不利于污染物的扩散，因此污染物影响范围较广。

由图6 可看出，30 m 位置建筑密度降低，NOx 主要富集于办公楼D 的背风侧区域，NOx 局部最大摩尔分数为4×10-7，同时影响到风向下游的办公楼B，NOx 局部最大摩尔分数为5×10-8，污染物NOx 呈现连续线状分布。

图6 30 m 位置NOx 摩尔分数分布

随着建筑高度的进一步提升，50 m 位置建筑密度明显降低，污染物对办公楼D 的影响进一步降低，仅对下游办公楼B略有影响，NOx 摩尔分数约3×10-8。

3.2 提升烟囱布置高度后污染物浓度分布

上文的模拟结果显示，排烟受空气动力阴影区的影响，不利于其扩散，对商务区造成影响。为摆脱空气动力阴影区的影响，本文在原基础的条件下，将烟囱高度提升至12 m 进行模拟研究，模拟结果见图7。

图7 模型的网格划分

由图7 可看出，当烟囱高度提升至12 m 后，烟气将不受空气动力阴影区的影响，对商务区层高50 m 以下的建筑几乎无影响。

5 结语

本文建立了国内某商务区分布式能源站燃气内燃机排烟污染物NOx 扩散的三维数值模型，模拟研究了夏季SSE 风向条件下烟气中NOx 摩尔分数的分布规律，得出如下结论：

（1）受空气动力阴影区影响，NOx 富集于办公楼区30 m～55 m 以及楼顶位置，NOx 局部摩尔分数达1×10-6，污染物易富集于背风侧的低速区，影响风向下游处的建筑。

（2）提升烟囱高度至12 m，排烟将不受空气动力阴影区的影响，有效降低高度50 m 以下NOx 的浓度，排烟仅对风向下游办公楼B 层高40 m 以上的建筑有轻微影响。