田 柳 盧 軍 呂懌非 王文卓

（1.重慶大學(xué) 重慶 400044；2.西安建筑科技大學(xué) 西安 710055）

0 引言

室內(nèi)環(huán)境是人類生存和活動的重要場所，城市居民每天90%的時(shí)間是在各種室內(nèi)環(huán)境中度過的。室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與人體健康息息相關(guān)[1]，室內(nèi)環(huán)境對人體健康的影響越來越受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[2]。隨著人類生活品質(zhì)的提高，室內(nèi)污染源大量增加，為了控制或除去這些有害的污染物保障人體健康，同時(shí)提供一定的熱舒適性，必須對室內(nèi)溫度、通風(fēng)和污染物的濃度進(jìn)行控制。置換通風(fēng)是一種全新的通風(fēng)方式，研究結(jié)果表明，在采用置換通風(fēng)方式下的空調(diào)房間內(nèi)具有較好的熱舒適環(huán)境[3]并能提高室內(nèi)的空氣品質(zhì)[3,4]，可為人們提供節(jié)能、環(huán)保和舒適健康型的工作生活空間。從通風(fēng)空調(diào)角度研究IAQ的方法主要有模型實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）方法[5,6]，CFD以成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的青睞。本文采用CFD方法，分別針對三種不同的送回風(fēng)方式下主動式置換通風(fēng)住宅建筑冬季和夏季室內(nèi)速度場和污染物濃度（CO2和PM2.5）場分布進(jìn)行模擬，借此分析不同送回風(fēng)方式對置換通風(fēng)住宅室內(nèi)環(huán)境的影響。

1 模型建立

選取成都市某小區(qū)三室兩廳戶型為典型戶型。典型戶型的門窗為關(guān)閉狀態(tài)，不考慮室外風(fēng)場的影響。送風(fēng)口固定于面向人體的側(cè)墻上0.6m高度處，送風(fēng)氣流從進(jìn)風(fēng)口流入室內(nèi)，與房間空氣混合后從回風(fēng)口排出[7]。根據(jù)送回風(fēng)口不同的布置方式分成3種工況對室內(nèi)氣流組織進(jìn)行分析，具體的房間模型見圖1。

圖1 三種送回風(fēng)口布置方式的房間模型圖Fig.1 The modeling diagrams of inlets and outlets locations

本模型中為便于計(jì)算假定室內(nèi)人體CO2的釋放量為0.11g/s，室外CO2的含量為0.03%。PM2.5模擬過程采用單分散顆粒入口[8]，入口顆粒的粒徑為1μm，密度為783kg/m3，空氣為連續(xù)項(xiàng)，并采用不可壓縮流體描述，密度為1.225kg/m3，氣-固兩相間的曳力系數(shù)，采用schiller-naumann關(guān)聯(lián)式，假定人體作為PM2.5發(fā)生源的強(qiáng)度為每人0.0916μg/s，冬夏季辦公室新風(fēng)機(jī)入口各風(fēng)口PM2.5濃度為142mg/m3。入口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 速度場的數(shù)值模擬與分析

2.1.1 夏季室內(nèi)風(fēng)場模擬結(jié)果

夏季新風(fēng)的進(jìn)回風(fēng)口采用單送單回、多送單回、多送多回三種方式的室內(nèi)送風(fēng)口處（距地面0.60m）、1.5m高度處和室內(nèi)回風(fēng)口處（距地面2.2m）空氣流速分布如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 單送單回室內(nèi)空氣流速分布圖Fig.2 The air flow velocity distribution diagrams of an inlet and an outlet

可以看出，夏季新風(fēng)送回風(fēng)口采用單送單回方式時(shí)，室內(nèi)送回風(fēng)口處風(fēng)速達(dá)到0.7m/s，室內(nèi)其他部分風(fēng)速在0～0.2m/s之間，1.5m高處室內(nèi)平均風(fēng)速為0.023m/s。

圖3 多送單回室內(nèi)空氣流速分布圖Fig.3 The air flow velocity distribution diagrams of multiple inlets and an outlet

可以看出，進(jìn)回風(fēng)口采用多送單回方式時(shí)，室內(nèi)送回風(fēng)口處的風(fēng)速最大接近0.3m/s，室內(nèi)其他部分風(fēng)速在0～0.2m/s之間，1.5m高處室內(nèi)平均風(fēng)速為0.0051m/s。

圖4 多送多回室內(nèi)空氣流速分布圖Fig.4 The air flow velocity distribution diagrams of multiple inlets and multiple outlets

可以看出，新風(fēng)進(jìn)回風(fēng)口采用多送多回方式時(shí)，室內(nèi)送回風(fēng)口處的最大風(fēng)速接近0.3m/s，室內(nèi)其他位置風(fēng)速在0～0.2m/s之間，1.5m高處室內(nèi)平均風(fēng)速為0.0058m/s。

2.1.2 冬季室內(nèi)風(fēng)場模擬結(jié)果

冬季新風(fēng)的進(jìn)回風(fēng)口采用單送單回、多送單回、多送多回三種方式的室內(nèi)送風(fēng)口處（距地面0.60m）、1.5m高度處和室內(nèi)回風(fēng)口處（距地面2.2m）空氣流速分布如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 單送單回室內(nèi)空氣流速分布圖Fig.5 The air flow velocity distribution diagrams of an inlet and an outlet

可以看出，冬季新風(fēng)的送回風(fēng)口采用單送單回方式時(shí)，室內(nèi)送回風(fēng)口處風(fēng)速達(dá)到0.70m/s，室內(nèi)其他部分風(fēng)速在0～0.2m/s之間，1.5m高處室內(nèi)平均風(fēng)速為0.023m/s。

圖6 多送單回室內(nèi)空氣流速分布圖Fig.6 The air flow velocity distribution diagrams of multiple inlets and an outlet

可以看出，新風(fēng)的進(jìn)回風(fēng)口采用多送單回方式時(shí)，室內(nèi)送回風(fēng)口處的風(fēng)速最大接近0.3m/s，室內(nèi)其他部分風(fēng)速在0～0.2m/s之間，1.5m高處室內(nèi)平均風(fēng)速為0.016m/s。

圖7 多送多回室內(nèi)空氣流速分布圖Fig.7 The air flow velocity distribution diagrams of multiple inlets and multiple outlets

可以看出，新風(fēng)的進(jìn)回風(fēng)口采用多送多回方式時(shí)，室內(nèi)送回風(fēng)口處的最大風(fēng)速接近0.3m/s，室內(nèi)其他部分風(fēng)速在0～0.2m/s之間，1.5m高處室內(nèi)平均風(fēng)速為0.014m/s。

新風(fēng)的送回風(fēng)口采用單送單回方式時(shí)的送風(fēng)口速度最大達(dá)到0.77m/s，且只有客廳一個(gè)送風(fēng)口，造成送風(fēng)口處局部速度偏大，主臥和單臥的風(fēng)速接近零。

2.2 室內(nèi)CO2濃度模擬結(jié)果

2.2.1 夏季室內(nèi)CO2濃度模擬結(jié)果

夏季新風(fēng)的進(jìn)回風(fēng)口采用單送單回、多送單回、多送多回三種方式的室內(nèi)送風(fēng)口處（距地面0.60m）、1.5m高度處和室內(nèi)回風(fēng)口處（距地面2.2m）室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 單送單回室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖Fig.8 The CO2mass fraction distribution diagrams of an inlet and an outlet

可以看出，新風(fēng)的送回風(fēng)口采用單送單回方式時(shí)，室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.22%之間，室內(nèi)平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%。

圖9 多送單回室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖Fig.9 The CO2mass fraction distribution diagrams of multiple inlets and an outlet

可以看出，新風(fēng)的送回風(fēng)口采用多送單回方式時(shí)，室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.20% 之間，室內(nèi)平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14%。

圖10 多送多回室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖Fig.10 The CO2mass fraction distribution diagrams of multiple inlets and multiple outlets

可以看出，新風(fēng)的送回風(fēng)口采用多送多回方式時(shí)，室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.16%之間，室內(nèi)平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14%。

2.2.2 冬季室內(nèi)CO2濃度模擬結(jié)果

冬季新風(fēng)的進(jìn)回風(fēng)口采用單送單回、多送單回、多送多回三種方式的室內(nèi)送風(fēng)口處（距地面0.60m）、1.5m高度處和室內(nèi)回風(fēng)口處（距地面2.2m）室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖11、圖12和圖13所示。

圖11 單送單回室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖Fig.11 The CO2mass fraction distribution diagrams of an inlet and an outlet

可以看出，新風(fēng)的送回風(fēng)口采用單送單回方式時(shí)，室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.25%之間，室內(nèi)平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.152%。

圖12 多送單回室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖Fig.12 The CO2mass fraction distribution diagrams of multiple inlets and an outlet

可以看出，新風(fēng)的送回風(fēng)口采用多送單回方式時(shí)，室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.25%之間，室內(nèi)平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%。

圖13 多送多回室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖Fig.13 The CO2mass fraction distribution diagrams of multiple inlets and multiple outlets

可以看出，新風(fēng)的送回風(fēng)口采用多送多回方式時(shí)，室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.25%之間，室內(nèi)平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.147%。

2.3 室內(nèi)PM2.5濃度模擬結(jié)果

2.3.1 夏季室內(nèi)PM2.5濃度模擬結(jié)果

夏季新風(fēng)的進(jìn)回風(fēng)口采用單送單回、多送單回、多送多回三種方式的室內(nèi)送風(fēng)口處（距地面0.60m）、1.5m高度處和室內(nèi)回風(fēng)口處（距地面2.2m）室內(nèi)PM2.5濃度分布如圖14、圖15和圖16所示。

圖14 單送單回室內(nèi)室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度分布圖Fig.14 The PM2.5 mass concentration distribution diagrams of an inlet and an outlet

圖15 多送單回室內(nèi)室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度分布圖Fig.15 The PM2.5 mass concentration distribution diagrams of multiple inlets and an outlet

圖16 多送多回室內(nèi)室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度分布圖Fig.16 The PM2.5 mass concentration distribution diagrams of multiple inlets and multiple outlets

可以看出，新風(fēng)的送回風(fēng)口采用單送單回方式時(shí)，室內(nèi)平均PM2.5質(zhì)量濃度為0.209kg/m3；新風(fēng)的送回風(fēng)口采用多送單回方式時(shí)，室內(nèi)平均PM2.5質(zhì)量濃度為0.108kg/m3；新風(fēng)的送回風(fēng)口采用多送多回方式時(shí)，室內(nèi)平均PM2.5質(zhì)量濃度為0.083kg/m3。

2.3.2 冬季室內(nèi)PM2.5濃度模擬結(jié)果

冬季新風(fēng)的進(jìn)回風(fēng)口采用單送單回、多送單回、多送多回三種方式的室內(nèi)送風(fēng)口處（距地面0.60m）、1.5m高度處和室內(nèi)回風(fēng)口處（距地面2.2m）室內(nèi)PM2.5濃度分布如圖17、圖18和圖19所示。

圖17 單送單回室內(nèi)室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度分布圖Fig.17 The PM2.5 mass concentration distribution diagrams of an inlet and an outlet

圖18 多送單回室內(nèi)室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度分布圖Fig.18 The PM2.5mass concentration distribution diagrams of multiple inlets and an outlet

圖19 多送多回室內(nèi)室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度分布圖Fig.19 The PM2.5 mass concentration distribution diagrams of multiple inlets and multiple outlets

可以看出，新風(fēng)的送回風(fēng)口采用單送單回方式時(shí)，室內(nèi)平均PM2.5質(zhì)量濃度為0.021kg/m3；新風(fēng)的送回風(fēng)口采用多送單回方式時(shí)，室內(nèi)平均PM2.5質(zhì)量濃度為0.040kg/m3；新風(fēng)的送回風(fēng)口采用多送多回方式時(shí)，室內(nèi)平均PM2.5質(zhì)量濃度為0.033kg/m3。

3 結(jié)論

（1）室內(nèi)風(fēng)速、室內(nèi)CO2濃度和室內(nèi)PM2.5濃度，與新風(fēng)的送風(fēng)口的位置與數(shù)量最為密切。

（2）新風(fēng)采用單送單回方式時(shí)，由于送風(fēng)口局部風(fēng)速較大，在主臥和次臥的風(fēng)速接近為零，因此通風(fēng)明顯弱于多送單回與多送多回方式。

（3）冬夏季室內(nèi)CO2濃度：單送單回＞多送單回＞多送多回，且在同一工況下冬季室內(nèi)CO2濃度普遍高于夏季。

（4）夏季室內(nèi)PM2.5濃度：單送單回＞多送單回＞多送多回，冬季室內(nèi)PM2.5濃度：多送單回＞多送多回＞單送單回，且在同一工況下夏季室內(nèi)PM2.5濃度普遍高于冬季。

（5）新風(fēng)的回風(fēng)口的位置與數(shù)量，也會影響建筑物的風(fēng)速、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、室內(nèi)溫度和PM2.5濃度。