纤维风管送风系统对室内气溶胶分布影响研究_张春枝.pdf

第 41 卷，总第 237 期2023 年 1 月，第 1 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.41，Sum.No.237Jan 2023，No.1纤维风管送风系统对室内气溶胶分布影响研究张春枝1，吴亚豪1，韩英春2(1 武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉430080;2 武汉舒适易佰科技有限公司，湖北武汉430080)摘要:为了研究办公场所纤维风管系统送风时的气溶胶分布情况，采用 Fluent 软件，针对风机盘管送风系统和纤维风管送风系统在不同的运行工况下，对办公场所室内速度场和气溶胶浓度分布情况进行数值模拟，并进行实验验证。通过分析速度场和气溶胶浓度场的分布特点，比较得出纤维风管送风系统下气溶胶分布效果优于风机盘管送风系统，且送风速度的增加能有效降低气溶胶质量浓度。采用纤维风管送风系统时，在一定范围内增加送风量可降低室内气溶胶质量浓度，进而可改善室内空气品质。结果表明，相比于风机盘管送风系统，将纤维风管送风系统应用在办公场所具有“独特”的优势。关键词:纤维风管;气溶胶;数值模拟;速度场;浓度场中图分类号:TU831 3文献标识码:A文章编号:1002 6339(2023)01 0060 08Study on the Influence of Fiber Duct Air Supply System forIndoor Aerosol DistributionZHANG Chun zhi1，WU Ya hao1，HAN Ying chun2(1 Wuhan University of Science and Technology School of Urban Construction，Wuhan 430080，China;2 Wuhan Comfort Yibai Technology Company，Wuhan 430080，China)Abstract:To research the aerosol distribution in office space under the air supply mode of the fiber ductsystem，Fluent software is used to simulate the velocity field and aerosol concentration distribution in of-fice space，under different operating conditions of fan coil air supply system and fiber duct air supply sys-tem，and experimental verification is carried out By analyzing the distribution characteristics of velocityfield and aerosol concentration field，it is concluded that the aerosol distribution effect of the fiber duct airsupply system is better than that of the fan coil，and the increase of air supply speed can effectively re-duce the aerosol mass concentration Using the fiber duct air supply system，increasing the air supplyvolume within a certain range can reduce the indoor aerosol mass concentration，which in turn can im-prove indoor air quality The results show that the fiber duct air supply system has unique advantagesthan the fan coil in the officeKey words:fiber ducts;aerosols;numerical simulation;velocity field;concentration field收稿日期2022 05 25修订稿日期2022 07 20基金项目:国家自然科学基金(51876147)作者简介:张春枝(1971 )，女，硕士，副教授，主要从事建筑节能研究。0引言近年来，随着当今科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对生活环境的要求也越来越高。06据统计，人们有 80%90%的时间在室内度过1，室内空气品质的好坏直接关系到人们的身心健康。流行病学研究表明，气溶胶浓度与人体发病率和死亡率仍存在显著的正相性2。室内环境是气溶胶暴露的主要场所，大量研究表明，迁移到室内环境中的大气气溶胶质量浓度与室外气溶胶浓度处于同一数量级，因此，室内空气气溶胶也是影响人类健康的重要因素之一3。气溶胶是由固体颗粒、液体颗粒或液体及固体颗粒悬浮于气体介质中形成的均匀分散体系，可长时间悬浮于空气中。室内气溶胶主要来源之一是人体的呼吸喷嚏等生理活动产生的大量微米级的可吸入颗粒物4。对于安装了空调系统的建筑，室内气溶胶分布受空调末端形成的气流组织影响，不同的送风方式导致室内气溶胶分布情况的差异，选择一种优良的送风装置便能收获良好的室内空气品质5 6。康智强等7 对会议室内同侧上送下回、同侧上送上回、对侧上送下回 3 种混合通风和置换通风对气溶胶的运动轨迹进行模拟，结果发现，置换通风相比于混合通风更容易减小人员之间感染的可能性。Zhao等8 通过数值模拟发现，混合通风条件下，室内小颗粒(10 m 以下)的浓度要优于置换通风，但是这并不代表混合通风要比置换通风优越，因为混合通风条件下颗粒沉积比较多，二次悬浮的可能性增加。Lai 等9 对感染者和病人的位置关系进行了数值模拟研究，结果表明置换通风比混合通风方式下排出气溶胶污染物能力更强。Gao 等10 研究了气溶胶在办公室中的分布规律，结果表明小于 10 m 的气溶胶在混合通风的房间分布较均匀，而在置换通风和地板送风中，垂直温度梯度使得小于 10 m 的飞沫在人体呼吸区聚集。陈小明11 对下送风和个性化联合送风方式下室内气溶胶分布情况进行了数值模拟，结果发现，在联合送风方式下，气流的作用对粒子的扩散影响非常大。从以上文献可以看出，影响室内气溶胶分布规律的因素很多，大部分学者主要从气流组织形式方面对气溶胶的分布特性进行研究，而不同的气流组织形式是由于不同送风方式产生，以上文献主要采用传统末端均为“硬性”散流器或风机盘管等，而未对“柔性”的纤维风管送风方式进行研究，因此，针对纤维风管送风系统对室内气溶胶分布影响进行研究显得尤为重要。本文以办公建筑室内气溶胶分布为研究对象，基于计算流体力学(CFD)和现场实测相结合的方法，针对办公室内的风机盘管和纤维风管两种不同末端形式下，对室内速度场和气溶胶浓度的分布情况进行研究，探讨柔性纤维风管送风系统对室内气溶胶分布的影响，比较得出较“健康”的送风方式。1研究方法1 1实验测试1 1 1实验场所以本校分别设置有风机盘管系统和纤维风管系统的两个实验室作为实测场地，其中风机盘管系统实验室几何尺寸为 12 1 m(长)7 8 m(宽)3 6 m(高)，建筑面积为 94 4 m2。风机盘管的安装位置如图 1 所示。设置纤维风管系统的实验室几何尺寸为 11 6 m(长)11 m(宽)3 6 m(高)，建筑面积为 128 55 m2。该实验室布置有喷射式纤维风管送风系统，空气通过喷口送入室内。喷射式的送风可以在室内形成较远距离的喷射式气流，在诱导作用下不断卷吸周围空气，形成较大气流场，纤维风管的安装位置如图 2 所示。图 1风机盘管送风系统房间平面图图 2纤维风管送风系统房间平面图1 1 2实验测量仪器实验时所用测量仪器与装置如表 1 所示。1 1 3实验测试工况本次实验所采用的风机盘管送风系统和纤维风管送风系统平面布置如图 1、图 2 所示，风机盘管系统按高、中、低三档运行，纤维风管系统按频率55 Hz、50 Hz 和 45 Hz 三档运行。16表 1实验装置与仪器参数表序号设备仪器名称设备参数备注1菲捷尔牌 FCAA10L 型风机盘管风量为1 700 m3/h、功率130 W、出口压力12 Pa2纤维风管送风系统空调箱风量为 6 000 m3/h 杜肯索斯橡塑内保温风管3风速风温测量仪 Air 300风速测量范围为 001 30 m/s测量精度为 004 m/s4便携式尘埃粒子计数器 Y09 3016流量为 283 L/min，粒径通道有 0 3 m、0 5 m、1 m、3 m、5 m 和 10 m 六种在此实验中选择的测量周期为 1 min，测量的时间间隔为 5 min1 2数值模拟1 2 1数值模拟的理论(1)控制方程以房间整个流动区域中的流体为研究对象，建立数学模型。房间内流体流动的控制方程为12:连续性方程(u)x+(v)y+(w)z=0(1)动量方程uux+vuy+wuz=10px+2ux2+2uy2+2uz()2(2)uvx+vvy+wvz=10py+2vx2+2vy2+2vz()2(3)uwx+vwy+wwz=10pz+2wx2+2wy2+2wz()2(4)式中u 流体的 x 方向速度分量/m s1;v 流体的 y 方向速度分量/m s1;w 流体的 z 方向速度分量/m s1;p 流体的压力/Pa;流体的黏性系数/Pa s;流体的密度/kg m3;0 流体的参考工作密度/kg m3;x x 方向的矢量/m;y y 方向的矢量/m;z z 方向的矢量/m。(2)颗粒模型对于颗粒源散发颗粒物采用 Lagrange 方法处理，即通过求解下列单个颗粒(群)的运动方程得到颗粒速度后对时间积分得到运动轨迹。考虑到采用通风来稀释室内污染物，因此 DPM 模型方程为13(Yi)t+(VYi)=Ji+i+Si(5)式中Yi 各组分质量浓度/kg m3;i 化学反应净生产速率，由于模拟中不涉及化学，故 i为 0;Si 离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率/kg m3;Ji 扩散通量/kg m3 s。1 2 2数值模型的构建与模拟根据实际气流的流动情况、房间尺寸和风机盘管布置情况对模型进行了简化处理，并利用 Design-molder 软件建立了房间的物理模型，房间送风模型如图 3 所示。图 3风机盘管送风模型侧视图均匀送风的纤维风管送风系统布置于房间的顶部，且为喷射式送风，回风口位于空气处理机组底部，因此该实验房间送风布置方式为上送上回式，送风模型如图 4 所示。由于模型采用纤维喷射的送风方式，送风孔小且多，故对送风模型进行一定程度的简化。图 4纤维风管送风模型侧视图本文研究的是风机盘管送风系统和纤维风管送风时的室内气溶胶浓度场，模拟时忽略对室内气溶胶影响较小的一些因素，模型和边界条件的设置如下:(1)参照文献 14，采用条缝风口代替圆形送26风孔口，保持通过条缝的送风量和圆形孔口送风一样，送风量大小采用孔口实测值。(2)由于门窗对室内主要气流影响较小，模拟时设置门窗为关闭状态，忽略其渗风作用。(3)设定各围护结构边界时，需要将室内环境变化对室内颗粒物浓度的影响降至最小，故将所有壁面设置为绝热壁面。(4)出口边界定义为 Outflow，离散相进出口边界均设为逃逸边界条件。2不同送风方式送风效果分析2 1测点的布置及测试方法通过现场测试风机盘管和纤维风管送风时室内工作区的速度大小，对比两种送风系统的气流组织分布情况。测量工作区风速分布时，室内风速测点采用对称布置的原则。两房间均沿长度方向布置测点，宽度方向间隔分别为 1 95 m 和 2 75 m，在高度为 0 9 m、1 2 m 和 1 5 m 平面内分别布置 7 个测点，测点具体布置情况如图 5 所示。图 5实验测点布置图如图 5 所示，在 z=0 9 m，z=1 2 m，z=1 5 m三个水平面与 x=1 m，x=7 m，x=11 m 交线上定出21 个测点，待室内流场稳定后，采用风速仪测出各测点对应的速度，速度分布如图 6 所示。图 5中的1 7 分别代表测量点 a g，a1 g1，a2 g2。图 6实测速度场分布情况从图 6 中可以看出，在风机盘管送风条件下，在三种不同高度面处，速度随不同测点波动较大;在同一平面上，不同测点速度相差 0 05 m/s。而在纤维风管送风条件下，在三种不同高度面处，速度随不同测点的波动不大;在同一平面上，不同测点速度最多相差 0 02 m/s。2 2模拟结果验证在风机盘管和纤维风管送风系统在中档送风情况下，将 1 2 m 高度处不同测点速度实验结果和数值模拟结果进行对比，对比结果如图 7 所示。从图 7 中可以看出，两种送风系统在送风速度为中档时，实验结果和数值模拟结果变化情况基本一致，但在个别测量点处还有差别，从图中的误差棒可以看出误差值大小。2 3网格无关性分析为了获得网格无关性的计算结果，本文对所建模型分别划分了 3 套网格模型，选取 1 2 m 高度处a1、d1、e1三点的速度进行对比绘制图 8。从图中可以看出，随着网格数的增加，三点的速度值变化都很小，说明三种网格数量对计算结果影响很小，可以分别认定 83 万和 85 万网格已经达到了数据无关。2 4气溶胶浓度分布情况分析在风机盘管送风系统和纤维风管送风系统的送风速度都为中档时，室内距离地面1 2 m 高度处，在房间宽度方向中性面位置，沿房间长度方向均匀布置 7 个测点。气溶胶浓度随房间长度方向测点位置分布情况实验实测结果如图 9 所示。从图 9 可以明显看出，在两种送风系统送风速度分别为中档时，沿房间长度方向，纤维风管送风系统送风时各测点气溶胶浓度要比风机盘管送风系统送风时各测点气溶胶浓度低很多。对于同一种系统，沿房间长度方向，不同粒径气溶胶浓度随位置变化不大。36图 7模拟结果与实测结果对比图图 8网格无关性验证速度结果图图 9不同粒径气溶胶浓度分布情况3气溶胶分布实验测试结果分析3 1制冷模式下风机盘管不同运行工况测试结果分析在风机盘管送风系统送冷风实验条件下，首先开启气溶胶发生器释放气溶胶，30 min 后，关闭气溶胶发生器。同时开启风机盘管送风系统和便携式尘埃粒子计数器，分别测试不同粒径气溶胶浓度随时间变化情况。测点布置在房间中心位置距地 1 2 m高度处，所测实验数据如图 10 所示。其中，利用风速仪测得风机盘管在三种送风档位下的送风口平均速度分别为 1 5 m/s、2 5 m/s、3 5 m/s。46图 10风机盘管送风方式下人员活动区域气溶胶体积浓度随时间变化情况从图 10 可以明显看出，在气溶胶停止释放后，测点位置处 PM 0 3、PM 0 5 和 PM1 粒径气溶胶浓度未达到峰值，PM3、PM5 和 PM10 粒径气溶胶浓度开始下降。在风机盘管送风速度为 1 5 m/s、2 5 m/s和 3 5 m/s 条件下，气溶胶停止释放 6 h 后，测点位置处 PM 0 3 和 PM 0 5 粒径气溶胶浓度达到峰值;气溶胶释放 3 h 后，PM1 浓度达到峰值。在三种送风速度下，气溶胶停止释放后，测点位置处 PM3、PM5和 PM10 气溶胶浓度便开始下降，一直下降到 0。3 2制冷模式下纤维风管不同运行工况测试结果分析在纤维风管送风系统送冷风实验条件下，开启气溶胶发生器释放气溶胶，30 min 后，关闭气溶胶发生器。同时开启纤维风管送风系统和便携式尘埃粒子计数器，分别测试不同粒径室内气溶胶浓度随时间变化情况。利用风速仪测得纤维风管在三种送风档位下的送风口平均速度分别为1 0 m/s、1 5 m/s、20 m/s。测点布置在房间中心位置距地 1 2 m 处，所测实验数据如图 11 所示。从图 11 可以明显看出，在气溶胶停止释放后，测点位置处 PM 03、PM 05 和 PM1 粒径气溶胶浓度未达到峰值。在纤维风管三种不同风量送风条件下，气溶胶停止释放3 h 之后，测点位置气溶胶浓度达到峰值，其中，在送风速度为 1 5 m/s 时，测点位置PM 03和 PM 0 5 粒径气溶胶浓度最先达到峰值，随后开始下降，2 m/s 次之，1 m/s 最后达到峰值。56图 11纤维风管送风方式下人员活动区域气溶胶体积浓度随时间变化情况在送风速度为 1 m/s 时，气溶胶停止释放 2 h后，测点位置处 PM3、PM5 和 PM10 三种粒径气溶胶浓度达到峰值;在送风速度为 1 5 m/s 和 2 m/s 时，气溶胶停止释放后，测点位置处 PM3、PM5 和 PM10三种粒径气溶胶浓度便开始下降。4数值模拟结果分析4 1风机盘管送风系统模拟结果验证分析在风机盘管夏季送风条件下，将数值模拟结果与送风速度为中档时实验测试结果进行对比。数值模拟所选测点与实验实测测点一致，测点位置坐标为 X=6 1 m、Y=3 9 m、Z=1 2 m，选择气溶胶粒径为 1 m，对比结果如图 12 所示。图 12风机盘管送风条件下 PM1 粒径气溶胶随时间变化误差分析曲线图66从图 12 中可以看出，在风机盘管夏季送风条件下，测量位置处 PM1 气溶胶浓度随时间变化实验结果和数值模拟结果变化趋势基本一致，但还存在些许误差，误差产生的主要原因是在实验测试时由于室内人员的走动和开关门导致室内气溶胶散发到室外，从而导致室内气溶胶浓度衰减速度加快。4 2纤维风管送风系统模拟结果验证分析在纤维风管夏季送风条件下，将数值模拟结果与送风速度为中档时实验测试数据进行对比。数值模拟所选测点与实验测试所选测点一致，测点坐标为 X=5 8 m、Y=5 5 m、Z=1 2 m，选择气溶胶粒径为 1 m，对比结果如图 13 所示。从图 13 中可以看出，在纤维风管冬季送风条件下，测点位置处 PM1 气溶胶浓度随时间变化实测数据和数值模拟变化趋势基本一致。图 13纤维风管送风条件下 PM1 粒径气溶胶随时间变化误差分析曲线图4 3两种送风系统对气溶胶分布影响比较在风机盘管和纤维风管的数值模拟送风速度都为中档时，室内距离地面1 2 m 高度平面位置处，气溶胶分布如图 14 所示。图 14Z=1 2 m 处气溶胶分布云图从图 14 可以看出，在设有纤维风管送风系统的房间比设有风机盘管送风系统的房间对室内气溶胶的消除效果要好。分析原因，主要是因为纤维风管送风系统送风较为均匀，不会出现像风机盘管送风那样造成局部扰动较大的现象。5结论本文通过对两种送风系统送风速度场和气溶胶浓度分布情况进行研究可知，在相同送风量的情况下，纤维风管送风速度场更为均匀，各测点速度值相差不大。同时，纤维风管送风系统可有效降低室内环境气溶胶的溶度，有利于营造良好的室内空气品质，为室内工作人员创造健康、舒适的室内环境。其次，纤维风管采用小孔口喷射方式，可利用孔的气流迭加效应，使气流阻力减小，风快速送到指定区域，形成层流送风，减少“吹风感”。同时，纤维风管拆洗方便，可及时清除送风管中积尘，减少室内气溶胶的浓度，故纤维风管应用在办公场所中有其独特的优势。参考文献 1张楠，白子轩，张泓亮 室内空气质量物联网部署、优化和数据预测J 中国科学(信息科学)，2022，52(1):160 175 2 胡若兰，王书肖 大气二次有机气溶胶研究进展 J 科技导报，2021，39(15):95 109 3 林莉，齐宏，王希影 哈尔滨地区气溶胶粒子光学常数的实验研究 J 节能技术，2013，31(4):340 344 4赵晨，陈超，苗豆豆，等 高校教室细菌气溶胶来源及其影响因素分析 J 建筑科学，2020，36(10):20 26 5康智强，董建男，程小聪，等 空调区域空气品质控制方法综述 J 流体机械，2017，45(4):82 86 6 吴正骅，申屠刚，戴睿昕 考虑需求响应特征的多站融合协同优化调度 J 电网与清洁能源，2022，38(7):63 70 7康智强，张亿先，冯国会，等 会议室内飞沫气溶胶分布特征的数值模拟J 沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2017，33(3):562 568(下转第 78 页)76 30 Noori S A，Price J W H A isk Approach to the Man-agement of Boiler Tube ThinningJ Nuclear Engineering andDesign，2006，236(4):405 414 31 Tixier J，Dusserre G，Salvi O，et al eview of 62 iskAnalysis 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