關(guān)鍵詞：置換通風(fēng)；人體微環(huán)境；顆粒物濃度；地板送風(fēng)

隨著生活水平的提高，人們對環(huán)境舒適性及室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注逐漸增強(qiáng)，尤其在現(xiàn)代化生活中，人們有80%以上的時間都在室內(nèi)度過［1］，而在全球范圍內(nèi)每年都有因室內(nèi)空氣污染直接或間接導(dǎo)致的死亡［2］。室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞對人體健康以及學(xué)習(xí)、工作效率都會產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)對現(xiàn)代建筑室內(nèi)污染物的調(diào)查研究可知，顆粒物是室內(nèi)主要污染物，其在室內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律與室內(nèi)人員的健康有著密切的關(guān)系［3］。因此，深入研究通風(fēng)模式對室內(nèi)顆粒污染物的擴(kuò)散分布的影響是十分必要。

目前常見的室內(nèi)通風(fēng)模式有置換通風(fēng)（DV）、混合通風(fēng)和地板送風(fēng)（UFAD）等。其中，DV是一種傳統(tǒng)的機(jī)械送風(fēng)模式，因其具有較高的換氣效率和通風(fēng)效率，且能有效節(jié)省系統(tǒng)能耗，在世界范圍內(nèi)有廣泛的實(shí)際應(yīng)用［4–7］。UFAD是將新鮮空氣通過位于地板上的進(jìn)風(fēng)口送入室內(nèi)環(huán)境，這種送風(fēng)系統(tǒng)可以使新鮮的空氣直接進(jìn)入工作區(qū)，能較好地提高通風(fēng)效率和改善室內(nèi)熱舒適性［8–10］。

在對置換通風(fēng)和地板送風(fēng)這兩種典型的機(jī)械通風(fēng)模式的通風(fēng)特性研究方面，Maier等[11］在飛機(jī)測試艙內(nèi)開展置換通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明置換通風(fēng)可為飛機(jī)客艙提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。Wang等[7］對DV模式下工廠焊接車間焊接過程中煙霧顆粒污染物擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬，并利用現(xiàn)場測量結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果顯示，在大型工業(yè)建筑空間中，DV模式下可有效去除焊接過程中產(chǎn)生的煙塵并產(chǎn)生室內(nèi)熱分層現(xiàn)象。Taheri等[13］利用歐拉?拉格朗日方法分別分析了UFAD模式下四個送風(fēng)角（30°、45°、60°和90°）對室內(nèi)流場和顆粒物分布的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著送風(fēng)角的增大，溫度的垂直梯度增大，45°和60°送風(fēng)角下PM2.5的去除效果比較好。而對于粒徑為1、5和10μm的顆粒物，各送風(fēng)角下去除效果基本相同。Fathollahzadeh等[13］則重點(diǎn)研究了UFAD系統(tǒng)對室內(nèi)居住者總體熱舒適及局部熱不適感的影響，分別探討了四個送風(fēng)速度（0.3、0.4、0.5、0.6m·s?1）下80人的密集室內(nèi)空間的通風(fēng)情況。研究表明UFAD系統(tǒng)能夠?yàn)槿藛T密集空間創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境。Ho等[14］通過模擬比較了辦公環(huán)境中兩種送風(fēng)模式（地板送風(fēng)和架空送風(fēng)）對周圍環(huán)境的影響。通過對不同工況下室內(nèi)速度、溫度、相對濕度、污染物濃度分析發(fā)現(xiàn)，在相同的熱舒適條件下，地板送風(fēng)在去除污染物方面的性能優(yōu)于架空送風(fēng)，且節(jié)能效果顯著。

目前雖已有不少研究表明室內(nèi)不同通風(fēng)模式、送風(fēng)速度及溫度均會影響室內(nèi)空氣質(zhì)量和污染物的擴(kuò)散分布［11–14］，但大多研究主要考慮不同送風(fēng)模式下室內(nèi)的氣流運(yùn)動及熱環(huán)境，未詳細(xì)考慮不同通風(fēng)系統(tǒng)的不同運(yùn)行條件對室內(nèi)污染物去除效果的影響。根據(jù)以kN6uaYt3XopIZ1kAMXwXTtL//Ff1OBLTfoq0NavVHuA=往的研究可以發(fā)現(xiàn)不同的通風(fēng)模式在顆粒物去除性能上表現(xiàn)不同［15］，此外，研究通風(fēng)系統(tǒng)對顆粒物去除的影響時應(yīng)考慮污染物來源和系統(tǒng)運(yùn)行條件。因此，本研究旨在研究不同通風(fēng)模式對室內(nèi)氣流組織、熱環(huán)境及污染物擴(kuò)散分布的影響，并提出既能保障室內(nèi)人員舒適度又能改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的通風(fēng)模式。另外，由于小型辦公室人員密集，此類室內(nèi)環(huán)境更需關(guān)注通風(fēng)模式的選擇，故本研究選取一個小型辦公室為研究對象，對其建立全尺寸三維數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬對比分析兩種通風(fēng)模式（置換通風(fēng)和地板送風(fēng)）下室內(nèi)氣流運(yùn)動規(guī)律及污染物去除效果。

1模型建立及數(shù)值模擬方法

1.1房間模型介紹

根據(jù)已有的研究［16］及對真實(shí)辦公室環(huán)境調(diào)研，本文建立了一間小型六人間辦公室的物理模型?；趯?shí)測數(shù)據(jù)將辦公室房間尺寸設(shè)置為4.66m×4.5m×3m。天花板上有6盞按2×3方式排列的燈，房間內(nèi)有6名人員，成3排2列坐姿排布在6個辦公桌位置上。置換通風(fēng)的入口設(shè)置在房間兩側(cè)墻壁靠下位置，地板送風(fēng)的入口設(shè)置在房間地板上，且回風(fēng)口都位于天花板上的同一位置。兩種機(jī)械通風(fēng)送、回風(fēng)口均為矩形，尺寸均為0.3m×0.3m，兩種通風(fēng)模式房間模型如圖1所示。基于已有研究中對人體形狀［12］簡化的方法，將人體模型中頭、身體及腿部三部分均簡化為長方體。

選擇地板作為離散相模型（DPM）中的面源，用以模擬室內(nèi)地板散發(fā)的細(xì)顆粒物。離散相顆粒物密度為1000kg·m?3，取粒徑1μm的單一粒徑實(shí)心球體。顆粒物初始速度為0m·s?1，釋放速率為2.26μg·s?1［17］。

1.2邊界條件設(shè)定

數(shù)值模擬中將進(jìn)風(fēng)口平面設(shè)置為速度入口，出風(fēng)口邊界條件為出口邊界，其余均設(shè)置為無滑移壁面條件。考慮到室內(nèi)人員舒適度，主要選擇兩種送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度，不同通風(fēng)模式下的計(jì)算工況如表1所示，表中Tin、U、ΔT分別為送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和溫差。房間內(nèi)所有墻壁、桌子及人員的溫度均參考前人總結(jié)的室內(nèi)構(gòu)筑物溫度條件設(shè)置［18］。顆粒物壁面條件中，出口設(shè)置為escape條件，進(jìn)風(fēng)通道設(shè)置為reflect條件，由于顆粒物在接觸壁面后很難反彈再次進(jìn)入流場［19］，所以其余壁面設(shè)置為trap條件。

1.3模型的離散與求解

采用ICEM18.0軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于計(jì)算域的結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，故采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行離散，其中送風(fēng)口、回風(fēng)口、門窗、人體模型附近等需要重點(diǎn)關(guān)注渦流情況區(qū)域的網(wǎng)格都進(jìn)行了加密處理，而對室內(nèi)其他區(qū)域采用較稀疏的網(wǎng)格。由于網(wǎng)格數(shù)量及其疏密程度直接影響數(shù)值計(jì)算的成本與結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此合適數(shù)量與疏密程度的網(wǎng)格劃分至關(guān)重要。本研究劃分了四種不同數(shù)量與疏密程度的網(wǎng)格（287萬、497萬、807萬、1181萬），針對UFAD模式下室內(nèi)氣流運(yùn)動情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖2為建筑模型網(wǎng)格劃分與敏感性分析。選用圖2中所示L1位置z方向分速度的數(shù)據(jù)作為比較標(biāo)準(zhǔn)。通過對比分析[圖2（a）]可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格過疏（287萬）或過密（1181萬）均會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果發(fā)生偏差，而497萬和807萬網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果基本一致。為了節(jié)省計(jì)算時間和計(jì)算成本，選擇497萬網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)的數(shù)值計(jì)算[圖2（b）]。

采用RNG湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，而顆粒物運(yùn)動軌跡采用拉格朗日法確定。計(jì)算公式為

顆粒物受力考慮了重力、浮力、曳力和附加力，附加力只考慮薩夫曼升力、熱泳力和布朗力，忽略了其他力的影響［14］。采用ANSYSFLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，求解器采用基于壓力的隱式格式，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，對流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)差分格式。此外，本研究中按三維不可壓縮流體進(jìn)行求解，計(jì)算收斂條件為能量方程計(jì)算殘差小于10?6，其余方程計(jì)算殘差小于10?3。

1.4模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證RNGk?ε模型對于非等溫室內(nèi)流場以及拉格朗日法對顆粒物運(yùn)動軌跡模擬的準(zhǔn)確性，本文參照Zhang等［16］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。對一個UFAD模式下4.91m×2.44m×4.31m全尺寸房間進(jìn)行實(shí)測，送風(fēng)量為0.0944m3·s?1。房間模型如圖3（a）所示。實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)位置如圖3（b）所示，其中：V1～V7為速度測量點(diǎn)；S_V2為顆粒物釋放位置；P1～P6為顆粒物測量點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中邊界條件如表2所示，燈、人體的熱流密度分別為64、100W。

圖4為數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，其中曲線為模擬結(jié)果，散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。無量綱溫度和無量綱濃度定義分別為

圖4（a）～（b）分別為模型中V1～V7處無量綱溫度和速度對比，圖4（c）為P1～P6處顆粒物無量綱濃度對比。從圖中可知，由于拉格朗日法的濃度計(jì)算結(jié)果比較分散，P2、P4處的濃度因通風(fēng)機(jī)械氣流與熱羽流的相互作用，會產(chǎn)生不穩(wěn)定的分離流，從而引起較大的波動［20］。整體而言，本文選用的RNGk?ε模型計(jì)算結(jié)果（速度、溫度和濃度）均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持較好的一致性，因此可認(rèn)為本文所用的數(shù)值模型對室內(nèi)氣流運(yùn)動和污染物擴(kuò)散的模擬是可靠的［6］。

2結(jié)果分析與討論

2.1DV模式下室內(nèi)流場及溫度場分布

圖5為夏季DV模式不同工況下Y=2m和X=1.5m截面室內(nèi)速度及流線分布。由圖可知，由于送風(fēng)口位于室內(nèi)墻壁較低位置，人體腿部和房間下部區(qū)域的氣流速度較高。同時，房間左、右兩側(cè)的辦公桌及人體腿部下方均分別形成逆時針和順時針小渦[圖5（a）、5（b）、5（d）、5（e）]，當(dāng)送風(fēng)速度變大后，該處的速度渦旋隨之變小，如圖5（c）和5（f）所示。當(dāng)送風(fēng)速度為0.3m·s?1時，部分靠近壁面的氣流上方由于康達(dá)效應(yīng)會貼附壁面豎直向上運(yùn)動，到達(dá)頂部后由于重力作用向下運(yùn)動，但由于受到人體熱羽流影響，故在人體側(cè)上方靠近房間中心位置形成較明顯的速度渦旋。另外，由于對稱的房間布局，房間中心兩側(cè)的速度渦旋相互影響，導(dǎo)致回風(fēng)口下方速度較高，如圖5（a）、5（b）所示。值得注意的是，送風(fēng)速度增加會影響人體熱羽流，從而改變房間內(nèi)部氣流組織[圖5（c）、5（f）]。

圖6為DV模式不同工況下Y=2m和X=1.5m截面室內(nèi)溫度分布。由圖可知，當(dāng)溫度較低的潔凈空氣送入室內(nèi)后因密度較大下沉到房間底部，在室內(nèi)下部空間會形成一個干凈的“空氣湖”。另外，由于人體熱源的存在，人體附近空氣在浮力的作用下形成上升的熱羽流。對比D1和D2工況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)送風(fēng)溫度增大，室內(nèi)下部區(qū)域均勻的氣流分布遭到破壞，人體腿部左、右兩側(cè)出現(xiàn)溫差，如圖6（d）、6（f）所示。另外，從房間側(cè)視圖可看出，在DV模式下，位于后兩排的辦公室內(nèi)人員周圍溫度分布不均勻，存在較大溫差。然而，當(dāng)送風(fēng)溫度較低但送風(fēng)速度增大時[圖6（c）]，室內(nèi)溫度分布雖更加均勻，但由于夏季送風(fēng)為冷風(fēng)，最終會導(dǎo)致室內(nèi)人員周圍及人體腿部以下區(qū)域溫度較低，且人體熱羽流會受到一定的影響。

2.2UFAD模式下室內(nèi)流場及溫度場分布

圖7為夏季UFAD模式不同工況下Y=2m和X=1.5m截面室內(nèi)速度及流線分布。觀察3個工況可以發(fā)現(xiàn)，UFAD模式下送風(fēng)溫度的改變對室內(nèi)組織分布影響很?。▽Ρ萓1和U2工況），而送風(fēng)速度的增加（對比U1和U3工況）會明顯改變房間內(nèi)部的渦流結(jié)構(gòu)。同時，對比DV模式下的室內(nèi)流場，UFAD模式下的高速區(qū)域在送風(fēng)口上方靠壁面位置，這有利于降低室內(nèi)人體的吹風(fēng)感。當(dāng)送風(fēng)速度為0.3m·s?1時，可以發(fā)現(xiàn)U1、U2工況下靠近壁面的氣流由于康達(dá)效應(yīng)貼附壁面豎直向上運(yùn)動，到達(dá)頂部后由于重力作用向下運(yùn)動。但由于受到人體熱羽流影響，故在人體側(cè)上方靠近房間中心位置形成明顯的速度渦旋，而由于對稱的房間布局，房間中心兩側(cè)的速度渦旋相互影響，導(dǎo)致回風(fēng)口下方速度較高。值得注意的是，此現(xiàn)象在送風(fēng)溫度增加后變得更加明顯，如圖7（a）和7（b）所示。同時，研究結(jié)果表明，增大送風(fēng)速度雖可將較冷的氣流送達(dá)距離通風(fēng)口較遠(yuǎn)的室內(nèi)人員處，但會降低室內(nèi)流場的穩(wěn)定性，增加室內(nèi)人體周圍的小渦旋結(jié)構(gòu)。與U1工況下相比，U3工況下的氣流表現(xiàn)為入射氣流向上彎曲程度增加，桌子下側(cè)渦旋結(jié)構(gòu)變小，但渦旋高度增加，并向辦公桌下部擠壓從而破壞桌底的小渦旋，最終導(dǎo)致人體左、右兩側(cè)低溫區(qū)域變大。這是由于冷空氣的送風(fēng)速度增加，房間出現(xiàn)了“上熱下冷”的現(xiàn)象。接近地面的空氣溫度降低，被“空氣湖”推到桌子下方較熱的空氣區(qū)域，空氣密度降低并向下運(yùn)動，而四壁及房間上部區(qū)域溫度較高，對空氣起到加熱作用，近壁面空氣升溫后密度減小向上運(yùn)動并與頂部向下運(yùn)動的空氣發(fā)生碰撞，從而擾亂流場。

圖8為夏季UFAD模式不同工況下Y=2m和X=1.5m截面室內(nèi)溫度分布。從3個工況下的氣流分布來看，當(dāng)采用UFAD模式時，與DV模式相似，室內(nèi)溫度場也呈現(xiàn)出明顯的熱分層現(xiàn)象。通過對比U1和U2工況發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)溫度為293K時，由于與室內(nèi)環(huán)境溫差較大，垂直范圍內(nèi)的溫度梯度較大，熱分層現(xiàn)象更加明顯，且室內(nèi)底部及辦公桌下方區(qū)域的溫度呈均勻分布[8（a）]。當(dāng)送風(fēng)溫度為295K時，溫差較小，導(dǎo)致室內(nèi)人體周圍溫度分布不均，尤其對于辦公室后排人員，通風(fēng)效果變差[8（b）]。當(dāng)送風(fēng)速度增加后，人體周圍冷空氣范圍變廣且人體熱羽流遭到破壞，室內(nèi)人員的舒適性降低。

2.3不同通風(fēng)模式下室內(nèi)顆粒污染物濃度的對比

圖9（a）、（b）和（c）分別為夏季DV模式不同工況下X=1.5m、Y=2m和Z=1.1m截面顆粒物質(zhì)量濃度分布。從3個截面的顆粒質(zhì)量濃度云圖可以看出，坐姿狀態(tài)人體頭頂上方的區(qū)域顆粒濃度較低。這是受室內(nèi)人體熱羽流的影響，該區(qū)域的部分顆粒污染物被帶離呼吸區(qū)域。通過對比3個DV模式工況下不同截面顆粒物分布可以發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)溫度或送風(fēng)速度的改變對辦公室內(nèi)最后排人員周邊環(huán)境中的顆粒物濃度影響都很小，其中，送風(fēng)速度的改變主要影響辦公室第一排人員呼吸區(qū)及頂部上方區(qū)域的顆粒物濃度，第二、三排人員周圍空氣中的顆粒物濃度降低的程度遠(yuǎn)不如第一排人員周圍的顯著。說明在此類對稱的辦公室布局中，DV模式適當(dāng)運(yùn)行條件下能改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量，尤其是第一排人員周圍的空氣質(zhì)量可得到明顯的提升。

UFAD模式下的顆粒物分布如圖9（d）、（e）和（f）所示，可以發(fā)現(xiàn)UFAD系統(tǒng)送風(fēng)口附近的顆粒物濃度很低，但由于室內(nèi)人員和辦公桌的阻礙，室內(nèi)人員周圍顆粒物濃度較高。另外，UFAD模式下的室內(nèi)顆粒物濃度明顯高于DV模式下的濃度，尤其在送風(fēng)溫度較高（溫差?。r，兩種通風(fēng)模式下的室內(nèi)顆粒物濃度差異最大。當(dāng)風(fēng)速增大后，UFAD模式下呼吸高度處顆粒物濃度分布較DV模式下的更均勻，且高濃度區(qū)域逐漸集中在房間的中心區(qū)域。另外，與DV系統(tǒng)類似，送風(fēng)速度的增加明顯降低了室內(nèi)顆粒物濃度，但溫度的影響對于UFAD模式更加明顯[對比圖9（d）和（e）]，且UFAD模式在低風(fēng)速和較高送風(fēng)溫度運(yùn)行條件下顆粒物高濃度區(qū)域較DV模式下的分布更廣[對比圖9（b）和9（e）]，影響范圍變大，故此運(yùn)行條件下的兩種通風(fēng)系統(tǒng)中室內(nèi)呼吸高度處顆粒物濃度差值最大。

圖10為不同機(jī)械送風(fēng)工況下室內(nèi)人體坐姿呼吸高度（Z=1.1m）處的顆粒物平均質(zhì)量濃度。從圖中可以看出，風(fēng)速較小，DV和UFAD模式下的18mEO2AK41SzlPpuDYm5EnRwJrBUC0EmheNOqJjxtvU=污染物濃度均較高，且UFAD模式下呼吸高度處顆粒物濃度均高于DV模式下。當(dāng)送風(fēng)溫度變高（與室內(nèi)溫差變?。粑鼌^(qū)的顆粒物均略有上升，UFAD模式下呼吸高度處顆粒物濃度增加12%，而DV模式下呼吸高度處顆粒物濃度僅增加了2%。因此，夏季送風(fēng)條件下，選擇較低的送風(fēng)溫度有利于室內(nèi)顆粒污染物的去除，且溫度的影響在UFAD模式下更加明顯。另外，當(dāng)送風(fēng)溫度較低（293K）時，送風(fēng)速度的增加（由0.3m·s?1提升至0.5m·s?1）對坐姿狀態(tài)人體呼吸區(qū)的顆粒物濃度的去除效果顯著，但送風(fēng)速度的增加對DV模式下顆粒物去除效果的影響較UFAD模式下明顯，即DV模式下顆粒物濃度降低27.6%，UFAD模式下顆粒物濃度降低23.2%。

由此可知，對于兩種通風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)速度的影響均比送風(fēng)溫度的顯著，但采用UFAD模式時，送風(fēng)溫度的改變對顆粒物濃度的影響較DV模式的明顯。因此，夏季采用DV和UFAD模式時，DV模式下選擇較高風(fēng)速的送風(fēng)條件可達(dá)到較好的顆粒物去除效果，且可避免選擇較低溫度的送風(fēng)條件，從而節(jié)省能耗，而UFAD模式下要達(dá)到相同的顆粒物去除效果還需同時增加送風(fēng)速度并降低送風(fēng)溫度。

3結(jié)論

采用經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)值模型，對DV和UFAD模式下辦公室內(nèi)流場、溫度場及顆粒物濃度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到的主要結(jié)論如下：

（1）采用DV和UFAD模式均能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)較好的熱分層，室內(nèi)人員的舒適度能得到一定保障。送風(fēng)速度的變化顯著影響室內(nèi)流場和溫度場，從而對室內(nèi)顆粒物的擴(kuò)散分布產(chǎn)生直接影響。然而，送風(fēng)溫度的改變雖然能影響室內(nèi)溫度的分布，但對室內(nèi)流場影響不大，因此溫度的改變對顆粒物的去除影響并不明顯。

（2）對于本文研究的對稱分布的小型辦公室環(huán)境，夏季UFAD模式下室內(nèi)人員呼吸高度處顆粒物濃度均較DV模式下的高，而UFAD系統(tǒng)去除顆粒物的能力受送風(fēng)速度的影響程度不如DV系統(tǒng)的顯著。選擇UFAD系統(tǒng)來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量可能會增加建筑能耗，因此建議采用DV系統(tǒng)以及較高送風(fēng)速度的運(yùn)行條件以達(dá)到降低室內(nèi)人員呼吸區(qū)顆粒物濃度、改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和節(jié)省能耗的目的。