2024, Vol. 40
2. 上海理工大学 健康科学与工程学院，上海，200093
2. School of Health Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
随着生活水平的提高，人们对环境舒适性及室内空气质量的关注逐渐增强，尤其在现代化生活中，人们有80%以上的时间都在室内度过［1］，而在全球范围内每年都有因室内空气污染直接或间接导致的死亡［2］。室内空气质量的好坏对人体健康以及学习、工作效率都会产生很大的影响。根据对现代建筑室内污染物的调查研究可知，颗粒物是室内主要污染物，其在室内的扩散规律与室内人员的健康有着密切的关系［3］。因此，深入研究通风模式对室内颗粒污染物的扩散分布的影响是十分必要。
目前常见的室内通风模式有置换通风（DV）、混合通风和地板送风（UFAD）等。其中，DV是一种传统的机械送风模式，因其具有较高的换气效率和通风效率，且能有效节省系统能耗，在世界范围内有广泛的实际应用［4–7］。UFAD是将新鲜空气通过位于地板上的进风口送入室内环境，这种送风系统可以使新鲜的空气直接进入工作区，能较好地提高通风效率和改善室内热舒适性 ［8–10］。
在对置换通风和地板送风这两种典型的机械通风模式的通风特性研究方面，Maier等 [11］在飞机测试舱内开展置换通风的实验研究，结果表明置换通风可为飞机客舱提供舒适的室内环境。Wang等 [7］对DV模式下工厂焊接车间焊接过程中烟雾颗粒污染物扩散进行了数值模拟，并利用现场测量结果验证了数值模拟的准确性。研究结果显示，在大型工业建筑空间中，DV模式下可有效去除焊接过程中产生的烟尘并产生室内热分层现象。Taheri等 [13］利用欧拉−拉格朗日方法分别分析了UFAD模式下四个送风角（30°、45°、60°和90°）对室内流场和颗粒物分布的影响。结果发现，随着送风角的增大，温度的垂直梯度增大，45°和60°送风角下PM2.5的去除效果比较好。而对于粒径为1、5和10 μm的颗粒物，各送风角下去除效果基本相同。Fathollahzadeh等 [13］则重点研究了UFAD系统对室内居住者总体热舒适及局部热不适感的影响，分别探讨了四个送风速度（0.3、0.4、0.5、0.6 m·s−1）下80人的密集室内空间的通风情况。研究表明UFAD系统能够为人员密集空间创造舒适的室内环境。Ho等 [14］通过模拟比较了办公环境中两种送风模式（地板送风和架空送风）对周围环境的影响。通过对不同工况下室内速度、温度、相对湿度、污染物浓度分析发现，在相同的热舒适条件下，地板送风在去除污染物方面的性能优于架空送风，且节能效果显著。
目前虽已有不少研究表明室内不同通风模式、送风速度及温度均会影响室内空气质量和污染物的扩散分布 ［11–14］，但大多研究主要考虑不同送风模式下室内的气流运动及热环境，未详细考虑不同通风系统的不同运行条件对室内污染物去除效果的影响。根据以往的研究可以发现不同的通风模式在颗粒物去除性能上表现不同［15］，此外，研究通风系统对颗粒物去除的影响时应考虑污染物来源和系统运行条件。因此，本研究旨在研究不同通风模式对室内气流组织、热环境及污染物扩散分布的影响，并提出既能保障室内人员舒适度又能改善室内空气质量的通风模式。另外，由于小型办公室人员密集，此类室内环境更需关注通风模式的选择，故本研究选取一个小型办公室为研究对象，对其建立全尺寸三维数值模型，通过数值模拟对比分析两种通风模式（置换通风和地板送风）下室内气流运动规律及污染物去除效果。
1 模型建立及数值模拟方法 1.1 房间模型介绍根据已有的研究［16］及对真实办公室环境调研，本文建立了一间小型六人间办公室的物理模型。基于实测数据将办公室房间尺寸设置为4.66 m×4.5 m×3 m。天花板上有6盏按2×3方式排列的灯，房间内有6名人员，成3排2列坐姿排布在6个办公桌位置上。置换通风的入口设置在房间两侧墙壁靠下位置，地板送风的入口设置在房间地板上，且回风口都位于天花板上的同一位置。两种机械通风送、回风口均为矩形，尺寸均为0.3 m×0.3 m，两种通风模式房间模型如图1所示。基于已有研究中对人体形状［12］简化的方法，将人体模型中头、身体及腿部三部分均简化为长方体。
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图 1 两种通风模式房间模型 Fig.1 Model of two ventilation modes |
选择地板作为离散相模型（DPM）中的面源，用以模拟室内地板散发的细颗粒物。离散相颗粒物密度为1 000 kg·m−3，取粒径1 μm的单一粒径实心球体。颗粒物初始速度为0 m·s−1，释放速率为2.26 μg·s−1［17］。
1.2 边界条件设定数值模拟中将进风口平面设置为速度入口，出风口边界条件为出口边界，其余均设置为无滑移壁面条件。考虑到室内人员舒适度，主要选择两种送风速度和送风温度，不同通风模式下的计算工况如表1所示，表中Tin、U、ΔT分别为送风温度、送风速度和温差。房间内所有墙壁、桌子及人员的温度均参考前人总结的室内构筑物温度条件设置［18］。颗粒物壁面条件中，出口设置为escape条件，进风通道设置为reflect条件，由于颗粒物在接触壁面后很难反弹再次进入流场［19］，所以其余壁面设置为trap条件。
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表 1 不同通风模式下的计算工况 Table 1 Simulation conditions under different ventilation modes |
采用ICEM 18.0软件进行网格划分。由于计算域的结构比较规则，故采用结构化六面体网格对计算域进行离散，其中送风口、回风口、门窗、人体模型附近等需要重点关注涡流情况区域的网格都进行了加密处理，而对室内其他区域采用较稀疏的网格。由于网格数量及其疏密程度直接影响数值计算的成本与结果的准确性，因此合适数量与疏密程度的网格划分至关重要。本研究划分了四种不同数量与疏密程度的网格（287万、497万、807万、
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图 2 建筑模型网格划分与敏感性分析 Fig.2 Meshing of building model and sensitivity analysis |
采用RNG湍流模型进行数值模拟计算，而颗粒物运动轨迹采用拉格朗日法确定。计算公式为
| $\qquad \dfrac{{\mathrm{d}}\overrightarrow{{u}_{{\mathrm{p}}}}}{{\mathrm{d}}t}={F}_{{\mathrm{D}}}\left(\overrightarrow{u}-\overrightarrow{{u}_{{\mathrm{p}}}}\right) + \dfrac{\overrightarrow{g}\left({\rho }_{{\mathrm{p}}}-\rho \right)}{{\rho }_{{\mathrm{p}}}} + \overrightarrow{{F}_{{\mathrm{a}}}} $ | (1) |
式中：
颗粒物受力考虑了重力、浮力、曳力和附加力，附加力只考虑萨夫曼升力、热泳力和布朗力，忽略了其他力的影响［14］。采用ANSYS FLUENT软件进行数值计算，壁面函数为标准壁面函数，求解器采用基于压力的隐式格式，压力与速度耦合采用SIMPLE算法，对流项离散采用二阶迎风差分格式。此外，本研究中按三维不可压缩流体进行求解，计算收敛条件为能量方程计算残差小于10−6，其余方程计算残差小于10−3。
1.4 模型验证为了验证RNG k−ε模型对于非等温室内流场以及拉格朗日法对颗粒物运动轨迹模拟的准确性，本文参照Zhang 等［16］的实验数据进行模型验证。对一个UFAD模式下 4.91 m×2.44 m×4.31 m全尺寸房间进行实测，送风量为0.094 4 m3·s−1。房间模型如图3（a）所示。实验测量点位置如图3（b）所示，其中：V1 ～ V7为速度测量点；S_V2为颗粒物释放位置；P1 ～ P6为颗粒物测量点。实验中边界条件如表2所示，灯、人体的热流密度分别为64、100 W。
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图 3 实验模型示意图 Fig.3 Schematic diagram of experimental model |
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表 2 UFAD模式下室内边界条件 Table 2 Boundary conditions of UFAD ventilation mode |
图4为数值模拟结果与实验结果对比，其中曲线为模拟结果，散点为实验结果。无量纲温度和无量纲浓度定义分别为
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图 4 模拟结果与实验结果对比 Fig.4 Comparison between numerical simulation and experimental results |
无量纲温度
| $\qquad \mathrm{\theta }=\dfrac{T-{T}_{{\mathrm{in}}}}{{T}_{{\mathrm{out}}}-{T}_{{\mathrm{in}}}} $ | (2) |
式中：T为测量点温度，℃；
无量纲浓度 K为［20］
| $\qquad {K}=\dfrac{C}{{C}_{{\mathrm{e}}}} $ | (3) |
式中：C为测量点颗粒物质量浓度，kg·m−3；
图4 （a） ～ （b）分别为模型中V1 ～ V7处无量纲温度和速度对比，图4（c）为 P1 ～ P6处颗粒物无量纲浓度对比。从图中可知，由于拉格朗日法的浓度计算结果比较分散，P2、P4处的浓度因通风机械气流与热羽流的相互作用，会产生不稳定的分离流，从而引起较大的波动［20］。整体而言，本文选用的RNG k−ε模型计算结果（速度、温度和浓度）均与实验结果保持较好的一致性，因此可认为本文所用的数值模型对室内气流运动和污染物扩散的模拟是可靠的［6］。
2 结果分析与讨论 2.1 DV模式下室内流场及温度场分布图5为夏季DV模式不同工况下Y=2 m和X=1.5 m截面室内速度及流线分布。由图可知，由于送风口位于室内墙壁较低位置，人体腿部和房间下部区域的气流速度较高。同时，房间左、右两侧的办公桌及人体腿部下方均分别形成逆时针和顺时针小涡[图5（a）、5（b）、5（d）、5（e）]，当送风速度变大后，该处的速度涡旋随之变小，如图5（c）和5（f）所示。当送风速度为0.3 m·s−1时，部分靠近壁面的气流上方由于康达效应会贴附壁面竖直向上运动，到达顶部后由于重力作用向下运动，但由于受到人体热羽流影响，故在人体侧上方靠近房间中心位置形成较明显的速度涡旋。另外，由于对称的房间布局，房间中心两侧的速度涡旋相互影响，导致回风口下方速度较高，如图5（a）、5（b）所示。值得注意的是，送风速度增加会影响人体热羽流，从而改变房间内部气流组织[图5（c）、5（f）]。
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图 5 DV模式不同工况下Y=2 m 和X=1.5 m 截面室内速度及流线分布 Fig.5 Indoor velocity and streamline distribution in DV mode at the crosssection of Y=2 m and X=1.5 m under different operating conditions |
图6为DV模式不同工况下Y=2 m和X=1.5 m截面室内温度分布。由图可知，当温度较低的洁净空气送入室内后因密度较大下沉到房间底部，在室内下部空间会形成一个干净的“空气湖”。另外，由于人体热源的存在，人体附近空气在浮力的作用下形成上升的热羽流。对比D1和D2工况发现，当送风温度增大，室内下部区域均匀的气流分布遭到破坏，人体腿部左、右两侧出现温差，如图6（d）、6（f）所示。另外，从房间侧视图可看出，在DV模式下，位于后两排的办公室内人员周围温度分布不均匀，存在较大温差。然而，当送风温度较低但送风速度增大时[图6（c）]，室内温度分布虽更加均匀，但由于夏季送风为冷风，最终会导致室内人员周围及人体腿部以下区域温度较低，且人体热羽流会受到一定的影响。
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图 6 DV模式不同工况下Y=2 m和X=1.5 m 截面室内温度分布 Fig.6 Indoor temperature distribution in DV mode at the crosssection of Y=2 m and X=1.5 m under different operating conditions |
图7为夏季UFAD模式不同工况下Y=2 m和X=1.5 m截面室内速度及流线分布。观察3个工况可以发现，UFAD模式下送风温度的改变对室内组织分布影响很小（对比U1和U2工况），而送风速度的增加（对比U1和U3工况）会明显改变房间内部的涡流结构。同时，对比DV模式下的室内流场，UFAD模式下的高速区域在送风口上方靠壁面位置，这有利于降低室内人体的吹风感。当送风速度为0.3 m·s−1时，可以发现U1、U2工况下靠近壁面的气流由于康达效应贴附壁面竖直向上运动，到达顶部后由于重力作用向下运动。但由于受到人体热羽流影响，故在人体侧上方靠近房间中心位置形成明显的速度涡旋，而由于对称的房间布局，房间中心两侧的速度涡旋相互影响，导致回风口下方速度较高。值得注意的是，此现象在送风温度增加后变得更加明显，如图7（a）和7（b）所示。同时，研究结果表明，增大送风速度虽可将较冷的气流送达距离通风口较远的室内人员处，但会降低室内流场的稳定性，增加室内人体周围的小涡旋结构。与U1工况下相比，U3工况下的气流表现为入射气流向上弯曲程度增加，桌子下侧涡旋结构变小，但涡旋高度增加，并向办公桌下部挤压从而破坏桌底的小涡旋，最终导致人体左、右两侧低温区域变大。这是由于冷空气的送风速度增加，房间出现了“上热下冷”的现象。接近地面的空气温度降低，被“空气湖”推到桌子下方较热的空气区域，空气密度降低并向下运动，而四壁及房间上部区域温度较高，对空气起到加热作用，近壁面空气升温后密度减小向上运动并与顶部向下运动的空气发生碰撞，从而扰乱流场。
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图 7 UFAD模式不同工况下Y=2 m和X=1.5 m截面的室内速度及流线分布 Fig.7 Indoor velocity and streamline distribution in UFAD mode at the crosssection of Y=2 m and X=1.5 m under different operating conditions |
图8为夏季UFAD模式不同工况下Y=2 m和X=1.5 m截面室内温度分布。从3个工况下的气流分布来看，当采用UFAD模式时，与DV模式相似，室内温度场也呈现出明显的热分层现象。通过对比U1和U2工况发现，送风温度为293 K时，由于与室内环境温差较大，垂直范围内的温度梯度较大，热分层现象更加明显，且室内底部及办公桌下方区域的温度呈均匀分布[8（a）]。当送风温度为295 K时，温差较小，导致室内人体周围温度分布不均，尤其对于办公室后排人员，通风效果变差[8（b）]。当送风速度增加后，人体周围冷空气范围变广且人体热羽流遭到破坏，室内人员的舒适性降低。
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图 8 UFAD模式不同工况下Y = 2 m和X = 1.5 m截面的室内温度分布 Fig.8 Indoor temperature distribution in UFAD mode at the crosssection of Y=2 m and X=1.5 m under different operating conditions |
图9（a）、（b）和（c）分别为夏季DV模式不同工况下X=1.5 m、Y=2 m和Z=1.1 m截面颗粒物质量浓度分布。从3个截面的颗粒质量浓度云图可以看出，坐姿状态人体头顶上方的区域颗粒浓度较低。这是受室内人体热羽流的影响，该区域的部分颗粒污染物被带离呼吸区域。通过对比3个DV模式工况下不同截面颗粒物分布可以发现，送风温度或送风速度的改变对办公室内最后排人员周边环境中的颗粒物浓度影响都很小，其中，送风速度的改变主要影响办公室第一排人员呼吸区及顶部上方区域的颗粒物浓度，第二、三排人员周围空气中的颗粒物浓度降低的程度远不如第一排人员周围的显著。说明在此类对称的办公室布局中，DV模式适当运行条件下能改善室内的空气质量，尤其是第一排人员周围的空气质量可得到明显的提升。
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图 9 DV和UFAD模式不同工况下Y = 2 m、X = 1.5 m和Z = 1.1 m截面的颗粒物质量浓度分布 Fig.9 Particle concentration distribution for DV and UFAD mode at the crosssection of Y = 2 m, X = 1.5 m, and Z=1.1 m under different operating conditions |
UFAD模式下的颗粒物分布如图9（d）、（e）和（f）所示，可以发现UFAD系统送风口附近的颗粒物浓度很低，但由于室内人员和办公桌的阻碍，室内人员周围颗粒物浓度较高。另外，UFAD模式下的室内颗粒物浓度明显高于DV模式下的浓度，尤其在送风温度较高（温差小）时，两种通风模式下的室内颗粒物浓度差异最大。当风速增大后，UFAD模式下呼吸高度处颗粒物浓度分布较DV模式下的更均匀，且高浓度区域逐渐集中在房间的中心区域。另外，与DV系统类似，送风速度的增加明显降低了室内颗粒物浓度，但温度的影响对于UFAD模式更加明显 [对比图9（d）和（e）]，且UFAD模式在低风速和较高送风温度运行条件下颗粒物高浓度区域较DV模式下的分布更广[对比图9（b）和9（e）]，影响范围变大，故此运行条件下的两种通风系统中室内呼吸高度处颗粒物浓度差值最大。
图10为不同机械送风工况下室内人体坐姿呼吸高度（Z=1.1 m）处的颗粒物平均质量浓度。从图中可以看出，风速较小，DV和UFAD模式下的污染物浓度均较高，且UFAD模式下呼吸高度处颗粒物浓度均高于DV模式下。当送风温度变高（与室内温差变小），呼吸区的颗粒物均略有上升，UFAD模式下呼吸高度处颗粒物浓度增加12%，而DV模式下呼吸高度处颗粒物浓度仅增加了2%。因此，夏季送风条件下，选择较低的送风温度有利于室内颗粒污染物的去除，且温度的影响在UFAD模式下更加明显。另外，当送风温度较低（293 K）时，送风速度的增加（由0.3 m·s−1提升至0.5 m·s−1）对坐姿状态人体呼吸区的颗粒物浓度的去除效果显著，但送风速度的增加对DV模式下颗粒物去除效果的影响较UFAD模式下明显，即DV模式下颗粒物浓度降低27.6%，UFAD模式下颗粒物浓度降低23.2%。
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图 10 呼吸高度处颗粒物平均质量浓度 Fig.10 Average concentration of particulate matters at the respiratory height |
由此可知，对于两种通风系统，送风速度的影响均比送风温度的显著，但采用UFAD模式时，送风温度的改变对颗粒物浓度的影响较DV模式的明显。因此，夏季采用DV和UFAD模式时，DV模式下选择较高风速的送风条件可达到较好的颗粒物去除效果，且可避免选择较低温度的送风条件，从而节省能耗，而UFAD模式下要达到相同的颗粒物去除效果还需同时增加送风速度并降低送风温度。
3 结论采用经实验验证的数值模型，对DV和UFAD模式下办公室内流场、温度场及颗粒物浓度场进行了数值模拟，得到的主要结论如下：
（1）采用DV和UFAD模式均能实现室内较好的热分层，室内人员的舒适度能得到一定保障。送风速度的变化显著影响室内流场和温度场，从而对室内颗粒物的扩散分布产生直接影响。然而，送风温度的改变虽然能影响室内温度的分布，但对室内流场影响不大，因此温度的改变对颗粒物的去除影响并不明显。
（2）对于本文研究的对称分布的小型办公室环境，夏季UFAD模式下室内人员呼吸高度处颗粒物浓度均较DV模式下的高，而UFAD系统去除颗粒物的能力受送风速度的影响程度不如DV系统的显著。选择UFAD 系统来改善室内空气质量可能会增加建筑能耗，因此建议采用DV系统以及较高送风速度的运行条件以达到降低室内人员呼吸区颗粒物浓度、改善室内空气质量和节省能耗的目的。
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