陳大偉 張登春 章照宏 卿倩

1 湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院

2 湖南省高速公路建設(shè)開發(fā)總公司

0 引言

目前，我國高速公路建設(shè)有了很大的發(fā)展，同時汽車的保有量也在迅速增加，由汽車尾氣引起的高速公路環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。收費(fèi)亭作為高速公路重要的輔助設(shè)施且處于嚴(yán)重污染區(qū)域，燃燒不完全的機(jī)動車尾氣、道路揚(yáng)塵等有毒、有害物質(zhì)隨時影響著收費(fèi)亭內(nèi)工作人員的身體健康[1-2]。因此，改善收費(fèi)亭內(nèi)空氣品質(zhì)，減輕汽車尾氣等有毒氣體對工作人員的危害迫在眉睫。對此，針對高速公路收費(fèi)亭的環(huán)境污染問題，已經(jīng)開展了一些研究。陳明貴等[3]對福建省內(nèi)沿海6家高速公路收費(fèi)亭作業(yè)場所存在的有害因素進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)收費(fèi)亭內(nèi)外空氣中的CO，CO2，NOx，SO2和總粉塵濃度，均超過環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的二級標(biāo)準(zhǔn)。李全等[4]提出了用強(qiáng)制通風(fēng)保持收費(fèi)亭內(nèi)微正壓來改善亭內(nèi)環(huán)境的設(shè)想，但沒有明確具體的解決措施。楊華等[5]提出采用個性化送新風(fēng)至人員呼吸區(qū)以改善亭內(nèi)工作環(huán)境的具體措施和方案。國外學(xué)者M(jìn)elikov 等[6]研究了正對頭部和正對前胸的兩大類個性化送風(fēng)方式。浙江大學(xué)俞衛(wèi)鋼[7]通過實(shí)驗研究驗證了這幾種送風(fēng)方式的效果。

本文采用的是正對人體頭部的送風(fēng)方式，使所送新風(fēng)能夠直接進(jìn)入人體的呼吸區(qū)，避免過多的與周邊污染空氣混合，并對不同送風(fēng)速度和送風(fēng)口位置下收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了正壓送風(fēng)的最佳方案。

1 物理模型

按照真實(shí)的高速公路收費(fèi)亭尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立模型，如圖1 所示。收費(fèi)亭尺寸為2.5 m×1.5 m×2.5 m（長×寬×高），O 為坐標(biāo)原點(diǎn)，以X 正方向為北，在收費(fèi)亭東外墻上開有一窗戶，其尺寸為0.5 m×0.5 m（長×寬），窗戶中心線距地面1.0 m，收費(fèi)亭內(nèi)有一名工作人員、一臺電腦、一張辦公桌，辦公桌高0.6 m。為改善收費(fèi)亭內(nèi)的空氣質(zhì)量，防止污染物通過窗戶擴(kuò)散進(jìn)收費(fèi)亭，擬采用正對人體頭部送新風(fēng)的方式，使收費(fèi)亭內(nèi)保持正壓，以此來抑制汽車尾氣等有毒、有害氣體擴(kuò)散進(jìn)入收費(fèi)亭。方案一：送風(fēng)口位于北墻（正對人體）Z=1.1m 處，送風(fēng)口中心高度為1.5 m。方案二：送風(fēng)口位于北墻（正對人體）Z=1.1 m處，送風(fēng)口中心高度為1.3 m。方案三：送風(fēng)口位于西墻（人體左側(cè)），送風(fēng)口中心高度為1.5 m。以上三種送風(fēng)方案，送風(fēng)口皆由送風(fēng)管道自外部接入，固定在墻體上，選用直徑為0.1 m 的圓形送風(fēng)口，通過改變送風(fēng)口的位置，以及送風(fēng)口的送風(fēng)參數(shù)得到最優(yōu)的送風(fēng)方案。

圖1 公路收費(fèi)亭空氣質(zhì)量計算物理模型

2 數(shù)學(xué)模型

在湍流流動的研究和計算中，Chen Q Y 等[8]提出把Indoor 零方程模型作為湍流模型，在運(yùn)用Airpak 軟件模擬計算空間內(nèi)氣流流動方面可以取得較好的效果。本文采用Indoor 零方程和組分運(yùn)輸方程，為簡化問題，收費(fèi)亭內(nèi)的空氣流動作出如下假設(shè)：

1）收費(fèi)亭內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流。

2）收費(fèi)亭內(nèi)空氣作低速不可壓縮流動，且符合Boussinesq 假設(shè)。

3）收費(fèi)亭的氣密性良好，出窗戶外不考慮漏風(fēng)的影響。

零方程模型控制方程的通用形式為：

式中：φ 為通用變量，代表u、v、w、T 等求解變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項；ρ 是空氣密度為速度矢量。不同的方程φ、Γφ和Sφ具有不同的形式[10]。

定義N 作為收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量的評價指標(biāo)，N 的定義式為：

式中：MF 為收費(fèi)亭內(nèi)NO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；1.959×10-7為《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]所要求的NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)（由規(guī)定的濃度值0.24mg/m3換算成的）。N 值越小，收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量越好；當(dāng)N＞1 時，NO2濃度超過室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)值方法及邊界條件設(shè)置

本文使用Airpak 軟件進(jìn)行模擬，采用控制容積法對控制方程進(jìn)行離散，對流項和擴(kuò)散項使用冪函數(shù)差分格式，應(yīng)用SIMPLE 算法求解離散控制方程。

1）送風(fēng)口邊界：定義為速度入口邊界，所送新風(fēng)不含NO2。

2）出口邊界：因收費(fèi)亭窗口保持常開，與外界大氣保持相同，故設(shè)為壓力出口。

3）收費(fèi)亭內(nèi)起始NO2濃度為0，根據(jù)有關(guān)的測量數(shù)據(jù)[11]，收費(fèi)亭外窗口處NO2濃度為2.16 mg/m3，換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.67×10-6。

4 計算結(jié)果分析

4.1 送風(fēng)速度對收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量的影響

在研究送風(fēng)速度對收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量影響時，將送風(fēng)口正對人體布置，送風(fēng)口高度為1.5 m，采用不同送風(fēng)速度1.6 m/s、1.8 m/s、2.0 m/s 時，為了更好地分析模擬結(jié)果，分別給出了在X=1.25 m 斷面處（工作人員所在斷面）1.3 m 高度（呼吸區(qū)）以及人體所在位置Z=1.1 m 時的空氣質(zhì)量N 的分布，NO2濃度分布以及窗口處的速度矢量分布和壓強(qiáng)分布。

圖2 為采用不同送風(fēng)速度時X=1.4 m 斷面，Y=1.3 m 高度（呼吸處）處，空氣質(zhì)量沿著Z 方向的分布。由圖2 可知，采用送新風(fēng)可以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。當(dāng)送風(fēng)速度為1.6 m/s 時，人體左側(cè)區(qū)域N 值在0.5 左右，人體呼吸區(qū)域Z 在1.0～1.2 m 處N 值為0.7～1.0，人體右側(cè)越靠近窗口處，N 值越大，最大為1.12。增加送風(fēng)速度至1.8 m/s，窗口處N 值較1.6 m/s 的送風(fēng)速度有了較大的下降，整體N 值維持在0.2 左右，符合室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，起到了通過送風(fēng)抑制污染氣體的效果。當(dāng)送風(fēng)速度為2.0 m/s 時，N 值整體在0.02 左右，表明收費(fèi)亭內(nèi)NO2氣體遠(yuǎn)低于規(guī)定值，遠(yuǎn)滿足了要求，抑制效果明顯。

圖2 Y=1.3 m 高度處空氣質(zhì)量分布

圖3 1.6 m/s 時收費(fèi)亭窗口速度矢量分布

圖4 1.8 m/s 時收費(fèi)亭窗口速度矢量分布

圖5 2.0 m/s 時收費(fèi)亭窗口速度矢量分布

圖3～5 分別表示送 風(fēng)速度為1.6 m/s、1.8 m/s、2.0 m/s 時，收費(fèi)亭窗口處的速度矢量分布。由圖3～5可知，由于收費(fèi)亭內(nèi)外NO2濃度差的作用，外界的NO2氣體從窗口擴(kuò)散進(jìn)入收費(fèi)亭。對于送風(fēng)口正對人體布置，送風(fēng)口高度為1.5 m，所送新風(fēng)遇人體便會轉(zhuǎn)變成向人體兩側(cè)擴(kuò)散的橫向風(fēng)，其中向人體右側(cè)擴(kuò)散會經(jīng)由窗口流向外界。送風(fēng)速度為1.6 m/s 時，新風(fēng)由窗口上半部分流出，NO2氣體由窗口下半部分?jǐn)U散進(jìn)入收費(fèi)亭，各約占窗口一半的面積，這也是人體右側(cè)靠窗口下半?yún)^(qū)域NO2濃度要高于其他區(qū)域的原因。送風(fēng)速度增至1.8 m/s，新風(fēng)流出區(qū)域擴(kuò)大，NO2流入?yún)^(qū)域減小，面積比約為7:3。當(dāng)送風(fēng)速度為2.0 m/s 時，整個窗口幾乎沒有NO2氣體流進(jìn)，全是新風(fēng)流出，達(dá)到了抑制外界污染氣體透過窗口進(jìn)入收費(fèi)亭的臨界送風(fēng)速度。

圖6～8 分別表示送 風(fēng)速度為1.6 m/s、1.8 m/s、2.0 m/s 時，X=1.25 m 斷面處NO2濃度分布。由圖6～8可知，送風(fēng)速度的改變對改善收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量有一定影響。送風(fēng)速度為1.6 m/s 時，收費(fèi)亭窗口以及靠下區(qū)域，NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯要高于其他區(qū)域，最大值為8.58×10-7，從圖4 速度矢量圖可知，這是由于外界污染氣體經(jīng)由窗口下半?yún)^(qū)域擴(kuò)散進(jìn)入收費(fèi)亭，進(jìn)而導(dǎo)致X=1.25 m 截面出現(xiàn)了NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯偏高的區(qū)域（窗口以及靠下區(qū)域），其他區(qū)域（包括呼吸區(qū)）NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在1.0×10-7，接近《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定值1.959×10-7。當(dāng)送風(fēng)速度增至1.8 m/s 時，NO2分布區(qū)域趨勢變化不大，窗口以及靠下區(qū)域NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍要高于其他區(qū)域，但較送風(fēng)速度為1.6 m/s 時已經(jīng)有了較大降低，最大值為8.58×10-7，其他區(qū)域NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在4.0×10-8左右。增大送風(fēng)速度為2.0m/s時，整個截面處NO2分布較前兩種送風(fēng)速度下有了較大的改變，整個截面無NO2濃度明顯偏高區(qū)域，整個截面的NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大，在4.0×10-9左右。結(jié)果表明，采用送新風(fēng)的方式，可以抑制外界污染氣體進(jìn)入收費(fèi)亭，送風(fēng)速度為1.6 m/s 時，雖有一定抑制效果，但是，收費(fèi)亭內(nèi)整體空氣質(zhì)量并未達(dá)標(biāo)。當(dāng)增大送風(fēng)速度為1.8 m/s 時，即可保證抑制效果使空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。因此綜合抑制效果和經(jīng)濟(jì)效益，送風(fēng)速度為1.8 m/s 時即滿足需求。

圖6 v=1.6 m/s 時X=1.25 m 處NO2 濃度分布

圖7 v=1.8 m/s 時X=1.25 m 處NO2 濃度分布

圖8 v=2.0 m/s 時X=1.25 m 處NO2 濃度分布

4.2 送風(fēng)口高度對收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量的影響

送風(fēng)口正對人體布置在北墻，改變送風(fēng)口高度為1.5 m、1.3 m，研究送風(fēng)口高度對改善收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量的影響。圖9 是不同送風(fēng)口高度和送風(fēng)速度下人體呼吸區(qū)所在斷面X=1.4 m，Z=1.1 m 處沿Y 方向空氣質(zhì)量N 對比圖。

由圖9 可知，送風(fēng)口高度的改變對改善室內(nèi)空氣質(zhì)量效果有一定影響。在1.3 m 的送風(fēng)口高度，1.8 m/s送風(fēng)速度下，N 最大值出現(xiàn)在靠近地面處為1.4，其他區(qū)域N 值維持在0.7 左右。送風(fēng)速度增至2.0 m/s 時，N值總體有所下降，收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量改善效果更佳明顯，N 值總體維持在0.2 左右。送風(fēng)口高度增至1.5 m，送風(fēng)速度為1.8 m/s 時，除了靠近地面的部分N 值偏大為0.4，其他部分N 值約為0.2，其效果與1.3 m 送風(fēng)口高度、送風(fēng)速度為2.0 m/s 的效果相當(dāng)。因此，在送風(fēng)口正對人體布置時，1.5 m 的送風(fēng)口高度抑制NO2氣體進(jìn)入收費(fèi)亭，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的效果要優(yōu)于1.3 m 的送風(fēng)口高度。

圖9 不同送風(fēng)口高度Z=1.1 m 處空氣質(zhì)量對比

4.3 送風(fēng)口位置對收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量的影響

保持送風(fēng)口高度為1.5 m，將送風(fēng)口布置在西墻（人體左側(cè)）、北墻（正對人體），改變送風(fēng)速度，對比不同工況下的空氣質(zhì)量分布。圖10 是不同送風(fēng)口位置（西墻、北墻），不同送風(fēng)速度下人體呼吸區(qū)所在斷面X=1.4 m，Z=1.1 m 處沿Y 方向的空氣質(zhì)量N 分布。

圖10 不同送風(fēng)口位置Z=1.1 m 處空氣質(zhì)量分布

由圖10 可知，送風(fēng)口位置對于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量有一定影響。送風(fēng)口布置在西墻（人體左側(cè)），送風(fēng)速度為2.0 m/s 時，N 值增大至出現(xiàn)在靠近地面處為1.8，呼吸區(qū)N 值維持在0.6 左右，說明NO2氣體濃度低于規(guī)定值，其效果大致同送風(fēng)口布置在北墻（正對人體），送風(fēng)速度1.6 m/s 時的效果相當(dāng)。增大送風(fēng)速度為2.2 m/s 時，在靠近地面的區(qū)域N 值最大為3.5，呼吸區(qū)N值在1.6 左右，表明此時收費(fèi)亭內(nèi)NO2氣體濃度超標(biāo)。表明送風(fēng)口正對人體布置要優(yōu)于布置在人體左側(cè)。

5 結(jié)論

1）采用正壓送風(fēng)能夠抑制收費(fèi)亭外污染氣體通過窗口進(jìn)入收費(fèi)亭，有助于改善亭內(nèi)空氣質(zhì)量。在送風(fēng)口正對人體布置，送風(fēng)口高度1.5 m 的情況下，送風(fēng)速度達(dá)到1.8 m/s 即可保證工作人員呼吸區(qū)空氣質(zhì)量達(dá)到室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

2）送風(fēng)口高度對改善收費(fèi)亭內(nèi)空氣質(zhì)量抑制污染氣體進(jìn)入具有一定影響，在正對人體送風(fēng)情況下，送風(fēng)口高度1.5 m 要優(yōu)于1.3 m 高度，1.3 m 送風(fēng)口高度下送風(fēng)速度需要2.0 m/s 才能達(dá)到1.5 m 送風(fēng)口高度下，送風(fēng)速度為1.8 m 的效果。

3）送風(fēng)口布置在不同位置對改善空氣質(zhì)量有一定影響，送風(fēng)口布置在北墻（正對人體）的效果要優(yōu)于送風(fēng)口布置在西墻（人體左側(cè)）。送風(fēng)口布置在西墻時，送風(fēng)速度要達(dá)到2.0 m/s 才能達(dá)到送風(fēng)口布置在北墻，送風(fēng)速度為1.6 m/s 的效果。增大送風(fēng)速度為2.2 m/s反而會使N 值變大，空氣質(zhì)量較送風(fēng)速度2.0 m/s 時要差。