頂板輻射復(fù)合空調(diào)室內(nèi)顆粒的分布特性研究.pdf

1、輻射頂板與置換通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)即具有置換通風(fēng)系統(tǒng)在提高室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，又可在輻射頂板系統(tǒng)下更好地改善室內(nèi)空氣環(huán)境舒適性，并具有更好的節(jié)能效果，從而得到歐洲等地區(qū)的廣泛應(yīng)用，也逐漸受到我國(guó)的關(guān)注。近年的空氣粉塵顆粒污染問(wèn)題一直困擾和影響著我們，室內(nèi)外的空氣質(zhì)量也越來(lái)越受到人們的關(guān)注，而顆粒物是室內(nèi)空氣品質(zhì)的主要污染物之一；因此，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)顆粒物的擴(kuò)散、遷移及濃度分布等特性的研究，有利于了解空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)顆粒物污染特性，為

2、復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝及室內(nèi)空氣品質(zhì)的提高提供一定的建議。
　　0研究背景
　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)和人民生活水平的逐步提高，人們對(duì)建筑節(jié)能性和建筑室內(nèi)舒適性的要求也越來(lái)越高，據(jù)建設(shè)部統(tǒng)計(jì),建筑能耗占能源總消耗量從2002年的27.6%比例快速上升至現(xiàn)在的33%以上[1-3]，而總建筑能耗的一半左右來(lái)自于室內(nèi)空調(diào)制冷和采暖[4-5]。這意味著建筑室內(nèi)空調(diào)通風(fēng)技術(shù)需要更先進(jìn)的技術(shù)以應(yīng)對(duì)當(dāng)前應(yīng)用能源短缺和室內(nèi)外環(huán)境惡劣的局

3、勢(shì)問(wèn)題。對(duì)于暖通空調(diào)行業(yè)的人員來(lái)說(shuō)，在保證建筑室內(nèi)舒適、潔凈的同時(shí)，也要將空調(diào)系統(tǒng)的耗能及相關(guān)建筑能耗作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
　　同時(shí)，近年日趨嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題，使人們開(kāi)始關(guān)注及重視對(duì)室、內(nèi)外空氣環(huán)境中可吸入顆粒物、粉塵等固態(tài)污染物質(zhì)濃度的監(jiān)測(cè)與控制研究，粉塵顆粒所引起的“霧霾天氣”、低能見(jiàn)度問(wèn)題，造成人們出行受阻、呼吸困難等問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)[6-8],人們一天中的百分之八十至九十的時(shí)間都呆在室內(nèi),而老弱病殘者、孕婦和嬰幼兒在室內(nèi)的活動(dòng)時(shí)

4、間則更長(zhǎng),室內(nèi)長(zhǎng)期超標(biāo)的空氣顆粒物濃度環(huán)境對(duì)人體的呼吸道、肝臟等器官造成了嚴(yán)重的危害，長(zhǎng)期暴露在顆粒物污染（＞0.15mg/m3）[9]的空氣環(huán)境中,對(duì)人體呼吸道疾病、眼睛和皮膚等健康問(wèn)題影響很大,并會(huì)增加人群死亡和發(fā)病率[10],而對(duì)具有慢性肺部疾病和心血管疾病的人而言,其影響更大[11]。可見(jiàn)，顆粒空氣污染已嚴(yán)重影響了人們?nèi)粘Ｉ睢?br>　　國(guó)內(nèi)外研究者研究[13-15]發(fā)現(xiàn)，這種頂板輻射復(fù)合空調(diào)調(diào)節(jié)方式加大了人體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍護(hù)

5、結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的換熱，并通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱作用很好地達(dá)到了建筑節(jié)能、減少成本的作用，獨(dú)立的置換通風(fēng)送新風(fēng)系統(tǒng)可有效地置換出室內(nèi)渾濁空氣，提高了空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)效率，既而改善了室內(nèi)空氣品質(zhì)及熱舒適。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者對(duì)頂板輻射復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果有較充分的理論和實(shí)驗(yàn)研究[16-18]，但基于頂板復(fù)合輻射系統(tǒng)下室內(nèi)污染粉塵顆粒物濃度分布情況及影響因素的研究分析還很少。相關(guān)文獻(xiàn)指出[19]，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)排除室內(nèi)污染物效果好壞主要取決于兩個(gè)方

6、面：一是房間內(nèi)污染物釋放源位置和污染物釋放強(qiáng)度；二是室內(nèi)氣流組織形式，即通風(fēng)方式的選擇。因此，有必要對(duì)頂板輻射復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)粉塵顆粒污染物輸送特性進(jìn)行研究、分析,以了解表征氣流組織、溫度、速度和粒子濃度等參量間的關(guān)系,從而客觀評(píng)價(jià)冷卻頂板與置換通風(fēng)方式結(jié)合的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)污染物的稀釋、清除和排出能力，并可作為室內(nèi)粉塵顆粒污染物控制設(shè)計(jì)和運(yùn)行的參考依據(jù)。
　　1理論分析
　　對(duì)空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)而言，室內(nèi)空氣污染物質(zhì)主要來(lái)自于

7、通風(fēng)系統(tǒng)、室內(nèi)沉積粉塵、人員呼吸及設(shè)備等。房間室內(nèi)空氣顆粒物濃度超過(guò)一定安全濃度值后，吸入過(guò)量的此空氣會(huì)對(duì)人體的健康造成一定程度的危害，室內(nèi)人員應(yīng)避免或減少逗留在空氣污染粉塵顆粒物濃度的環(huán)境下。因此，有必要對(duì)空調(diào)通風(fēng)室內(nèi)顆粒物受力情況及遷移影響因素進(jìn)行分析，擴(kuò)散、沉積規(guī)律進(jìn)行研究，以了解室內(nèi)顆粒物擴(kuò)散、沉積規(guī)律及濃度分布，從而指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及人員活動(dòng)區(qū)域范圍，減少顆粒物對(duì)人體的危害。
　　1.1輻射頂板系統(tǒng)傳熱特性
　　在

8、輻射頂板類型中主要有金屬輻射板和毛細(xì)管輻射板兩大類，由于金屬輻射板外觀較好、安裝方便，因此在輻射頂板系統(tǒng)中應(yīng)用較多。按照結(jié)構(gòu)類型可將金屬頂板分為三大類：（1）管道與輻射板通過(guò)特制固件裝置連接；（2）將管道直接焊接到金屬板上；（3）由金屬頂板擠壓而成。輻射頂板的換熱機(jī)理和特性情況與管道、金屬板的連接方式有關(guān)，即三種不同連接方式的輻射金屬板有不同的傳熱特性。由于第三類在金屬板中應(yīng)用較廣泛，因此本文也將僅分析此類型金屬輻射板的傳熱特性。

9、>　　輻射板中的冷熱水和室內(nèi)環(huán)境空氣間的換熱分為三個(gè)過(guò)程分別為板上換熱、板內(nèi)傳熱及板下?lián)Q熱過(guò)程。
　　板上換熱過(guò)程：包括管道內(nèi)冷熱水首先與管道內(nèi)壁進(jìn)行強(qiáng)制熱交換，管道內(nèi)壁又通過(guò)熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞給外壁，最后管道外壁又將熱量傳遞給管道和輻射板連接區(qū)域的過(guò)程。
　　板內(nèi)傳熱過(guò)程：輻射板上表面接收外界冷熱源能量后，將自身一部分能量通過(guò)導(dǎo)熱的方式傳遞到管道空間及輻射板下表面。
　　板下?lián)Q熱過(guò)程：輻射頂板表面與室內(nèi)空氣環(huán)境換熱

10、過(guò)程。
　　1.2復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)顆粒物受力特性分析
　　室內(nèi)粉塵顆粒物體積小、密度輕，使其受力敏感，顆粒物也是在各種力的綜合作用下發(fā)生擴(kuò)散、沉積，顆粒物在流體流動(dòng)中一般包含壓力梯度力、視質(zhì)量力、巴塞特（Basset）力、馬格努斯（Magnus）效應(yīng)、薩夫曼（Saffman）升力、熱泳力、布朗力等其它作用力[9]。由于此室內(nèi)流體和顆粒間相對(duì)速度不大，則不考慮視質(zhì)量力，同時(shí)室內(nèi)可認(rèn)為無(wú)壓力梯度，壓力梯度力也可視為零；因此，在本

11、文的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)中顆粒物的擴(kuò)散、傳輸主要是薩夫曼（Saffman）升力、熱泳力、布朗力等其它作用力耦合影響作用。
　　粉塵顆粒物在室內(nèi)受力后的作用行為表現(xiàn)主要為重力沉降和擴(kuò)散、懸浮等。重力沉降主要發(fā)生于大粒徑顆粒，受向下重力的影響較大，在氣流的帶動(dòng)下會(huì)慢慢沉積在房間地板或其他壁面上。小粒徑的顆粒物受熱泳力、空氣氣流的影響較大，擴(kuò)散劇烈，且無(wú)規(guī)則；更小的顆粒則會(huì)在房間內(nèi)懸浮一段時(shí)間后，在氣流的帶動(dòng)下才被排出。
　　1.3室內(nèi)顆

12、粒物濃度分布影響因素理論分析
　　根據(jù)質(zhì)量守恒定律，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)啟某時(shí)間段dt后，dt時(shí)間后室內(nèi)顆粒物粉塵的變化量=dt內(nèi)送風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)的顆粒物粉塵量+dt內(nèi)室內(nèi)發(fā)塵量-dt時(shí)間室內(nèi)排走的顆粒物粉塵，由于白天空調(diào)開(kāi)啟往室內(nèi)送風(fēng)，保持了房間室內(nèi)正壓；因此，可忽略室內(nèi)滲透風(fēng)量的影響，即復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)顆粒物粉塵平衡關(guān)系公式如下式所示：
　　此處為公式省略
　　通過(guò)對(duì)頂板輻射復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的工作原理分析可知，此復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)

13、為一種溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，能更好地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度和空氣品質(zhì)，并且耗能低。本章首先具體分析了頂板輻射系統(tǒng)的傳熱特性，對(duì)于研究技術(shù)較成熟的置換通風(fēng)系統(tǒng)本文不將詳細(xì)描述；進(jìn)而，在了解了復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的傳熱特性和運(yùn)行原理后，對(duì)室內(nèi)顆粒物的受力情況和擴(kuò)散、濃度分布的影響因素進(jìn)行了理論分析，得出復(fù)合空調(diào)室內(nèi)顆粒物的擴(kuò)散、沉積行為受多種影響因子作用，顆粒物的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，顆粒濃度分布不均，布朗力、熱泳力及送風(fēng)新風(fēng)比對(duì)

14、室內(nèi)顆粒物濃度分布影響最大。
　　2數(shù)值模擬理論與模型的驗(yàn)證
　　氣、固相流體流動(dòng)現(xiàn)象大量存在于自然界和工程領(lǐng)域內(nèi)，其流動(dòng)問(wèn)題及規(guī)律比較復(fù)雜，受到的影響因素多，利用實(shí)際實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其分析較困難，僅僅理論研究分析又顯得過(guò)于空洞；因此，在現(xiàn)今發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)背景下，利用CFD模擬技術(shù)分析現(xiàn)實(shí)中流體運(yùn)動(dòng)、物體間傳熱等較為復(fù)雜的問(wèn)題是一個(gè)不錯(cuò)的研究方法。本章主要介紹CFD數(shù)值模擬的計(jì)算原理和思路，以及本文需使用到的輻射模型和室內(nèi)

15、顆粒物離散相模型，最后對(duì)本課題的相關(guān)模擬數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，以保證數(shù)值模擬結(jié)果的正確和有效性。
　　通過(guò)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比可知，本文模擬結(jié)果大致描述了冷板系統(tǒng)內(nèi)溫度分布特性，也說(shuō)明了輻射模型模擬結(jié)果是合理的。本文模擬值、文獻(xiàn)測(cè)試值和文獻(xiàn)模擬值的溫度分布走勢(shì)吻合較好，由于模擬條件控制的可變性，文獻(xiàn)模擬值相對(duì)較低，但溫度分布趨勢(shì)和實(shí)測(cè)值一致，本文模擬值和文獻(xiàn)測(cè)試值吻合較好，最大誤差在0.25℃，在容許的誤差范圍內(nèi)。因此，可以認(rèn)為

16、本文輻射模型模擬值和文獻(xiàn)測(cè)試值吻合較好，本文所使用的輻射板系統(tǒng)數(shù)值模擬方法是合理和可靠的。
　　3數(shù)值模擬研究分析
　　置換通風(fēng)系統(tǒng)可滿足室內(nèi)人員對(duì)新風(fēng)的要求，頂板輻射系統(tǒng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，兩個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)則形成了一個(gè)溫濕度獨(dú)立控制的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)。由于兩個(gè)子系統(tǒng)的特點(diǎn)，聯(lián)合的空調(diào)系統(tǒng)可同時(shí)滿足室內(nèi)人員溫濕度及新風(fēng)要求，但對(duì)室內(nèi)顆粒物的擴(kuò)散及濃度分布等的影響如何，還需要進(jìn)一步研究、分析。因此，本文利用數(shù)值模擬方法對(duì)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)

17、氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行探究，并對(duì)室內(nèi)不同粉塵釋放源位置下的顆粒物擴(kuò)散、沉積及濃度分布等特性進(jìn)行比較、分析和討論。
　　3.1粉塵顆粒物釋放源位置對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度分布的影響
　　基于頂板輻射復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，模擬、分析各工況下室內(nèi)粉塵顆粒物的擴(kuò)散及濃度分布特性。通過(guò)以0.1um、1um、2.5um、5um、10um五種典型粒徑的顆粒為研究對(duì)象，對(duì)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)四種不同位置顆粒釋放源位置的實(shí)例工況進(jìn)行模擬及對(duì)比分析。

18、最后發(fā)現(xiàn)：
　?。?）除送風(fēng)射流截面高度外，房間其他區(qū)域的空氣流速均勻，小于0.02m/s，室內(nèi)人員吹風(fēng)感弱；此外，頂板輻射復(fù)合空調(diào)室內(nèi)溫度呈現(xiàn)“頂?shù)?中高-地低”的分布趨勢(shì)，但室內(nèi)最大溫差小于2℃，舒適性高；
　?。?）復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)粉塵顆粒的擴(kuò)散、沉積及遷移等行為與顆粒粒徑大小關(guān)系較大，大顆粒受復(fù)合空調(diào)的緩和氣流影響小，表現(xiàn)為更多的壁面沉積行為，而小粒徑顆粒尤其是2.5um顆粒重力小，受室內(nèi)流場(chǎng)和頂板冷氣流影響大，顆粒

19、擴(kuò)散劇烈，室內(nèi)懸浮時(shí)間長(zhǎng)，其相對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度最高；
　?。?）直接通入未凈化的室外空氣會(huì)加劇室內(nèi)空氣品質(zhì)的惡化，對(duì)人體身體健康危害大；當(dāng)室內(nèi)粉塵顆粒釋放源位于通風(fēng)射流內(nèi)或處于一定高度時(shí)，顆粒在室內(nèi)擴(kuò)散快，壁面沉積量小，大部分顆粒會(huì)長(zhǎng)時(shí)間懸浮室內(nèi)呼吸區(qū)，不利人體呼吸和人體健康。
　　3.2輻射頂板承擔(dān)不同負(fù)荷比例對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度分布的影響
　　輻射板承擔(dān)房間冷負(fù)荷比例是復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)，輻射板對(duì)房間氣流場(chǎng)有

20、一定影響作用，輻射板承擔(dān)的冷負(fù)荷比例不同對(duì)房間的氣流場(chǎng)影響大小不同，進(jìn)而其室內(nèi)顆粒物的行為特性也會(huì)不同；因此有必要對(duì)不同輻射承擔(dān)負(fù)荷比例對(duì)房間氣流場(chǎng)及顆粒濃度場(chǎng)的影響作進(jìn)一步研究分析。為評(píng)價(jià)和分析復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和顆粒濃度場(chǎng)的變化特性，本章采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同負(fù)荷比例的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行比較、分析。
　　分析、討論了輻射頂板承擔(dān)不同負(fù)荷比例對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及顆粒濃度場(chǎng)的影響關(guān)系。分別對(duì)承擔(dān)68%、53%、42

21、%和31%的四種不同負(fù)荷比例工況進(jìn)行展開(kāi)對(duì)比研究，著重從各工況下的室內(nèi)典型平面的顆粒物濃度分布云圖、不同截面的平均顆粒物濃度值及顆粒物濃度在房間高度方向上的分層高度進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：
　?。?）CC/DV復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的輻射板承擔(dān)負(fù)荷比例對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度特別是工作區(qū)的顆粒物濃度的分布特征有較大的影響，其主要的原因在于輻射冷板形成的冷空氣流和室內(nèi)熱源的熱羽流的聯(lián)合作用。
　?。?）復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)空氣顆粒物濃度呈現(xiàn)房間底部低、

22、中間最高及頂部次之的濃度分布特性，隨著輻射頂板承擔(dān)負(fù)荷比例的增加，室內(nèi)工作區(qū)及房間中部區(qū)域的空氣顆粒物有所升高，而其室內(nèi)顆粒物濃度分層高度隨之降低。
　?。?）綜合考慮復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及工作區(qū)平均顆粒物濃度等影響因素，認(rèn)為輻射頂板承擔(dān)負(fù)荷比例控制在30%-40%間最為適合。
　　4結(jié)論
　　本文根據(jù)置換通風(fēng)系統(tǒng)和頂板輻射的工作原理，結(jié)合了國(guó)內(nèi)外的研究成果和進(jìn)展，采用了理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法對(duì)頂