低溫地板輻射采暖室內顆粒物分布模擬研究

王胖胖 閆秋會

西安建筑科技大學環境與市政工程學院

0 引言

低溫地板輻射采暖系統作為一種新型的采暖方式已經得到廣泛應用。該系統具有節約能源，能夠利用可再生能源和低品位熱能采暖等優點。國內外許多學者針對低溫地板輻射采暖系統，分別采用實驗和數值模擬的方法對室內流場和熱舒適性等方面做了研究[1-4]。岳曉敏[5]等人對地板輻射采暖和散熱器采暖室內的顆粒污染物分布的研究結果表明，相對于低溫地板輻射采暖室內，散熱器采暖室內的空氣質量差些。而低溫地板輻射采暖室內地面附近的顆粒污染物濃度偏高。V.Golkarfard[6]等人的研究結果表明，低溫地板輻射采暖室內顆粒物的沉積率要大于傳統的散熱器采暖室內。但是迄今為止，針對室內源產生的顆粒物在低溫地板輻射采暖室內的運動特征的研究還比較少。

因此，本文采用CFD對低溫地板輻射采暖房間存在室內污染物時顆粒物的運動隨時間和空間變化的特征進行了數值模擬研究。

1 數值計算模型

1.1 物理模型

選取實際的低溫地板輻射采暖房間的臥室作為研究模型。房間尺寸為長（X）×寬（Y）×高（Z）=5m×3.5m×3m。北墻為外墻，北墻的中線上設有玻璃窗，尺寸為0.8m×0.8m。南墻的中線上設有門，尺寸為2m×1m。假設房間地面全部敷設盤管。地面的中心處設有人體模型，簡化尺寸為5m×3.5m×3m。發煙器（顆粒物釋放源）中心位于點（2.5m，1.75m，1.5m）處，簡化尺寸為0.1m×0.1m×0.1m。

用Gambit軟件建立的低溫地板輻射采暖房間的物理模型如圖1所示。

圖1 低溫熱水地板輻射采暖房間的物理模型

1.2 數學模型

1.2.1 氣相模型

低溫地板輻射采暖室內氣流的流動屬于湍流流動，本文選擇的是標準k-ε方程湍流模型，并結合Boussinesq假設來計算熱浮升力對室內流場的影響。控制方程的差分格式采用二階迎風格式，采用SIMPLE算法處理壓力-速度的耦合作用。氣相控制方程表達式為：

式中：φ，Γφ，Sφ分別是通用變量、廣義擴散系數和廣義源項。對應于不同的通用變量，式中各項參數的具體表達式可參見文獻[7-9]。

1.2.2 顆粒相模型

針對本文研究的內容，采用的顆粒相模型是基于拉格朗日方法建立的離散相模型（DPM）。為簡化模擬，采用以下假設：

1）忽略氣流與顆粒物的熱、質傳輸。

2）顆粒間不發生凝并。

3）將顆粒物看作實心球體。

此時顆粒物的運動方程為：

式中：u為流體相速度；up為顆粒速度；ρ為流體密度；Fx表示在X方向上附加的加速度項（單位顆粒污染物質量的力）[7-9]。

1.3 邊界條件

結合所研究的對象，將該低溫地板輻射采暖室內的四周圍護結構及地面按第一類邊界條件處理，即定壁溫邊界條件。天花板按絕熱邊界條件處理；窗戶為速度入口（velocity-inlet）邊界條件，外門定義為outflow邊界條件。顆粒物釋放強度均取為1×10-7kg/s，顆粒物密度為1400 kg/m3。

2 低溫地板輻射采暖室內顆粒物分布特征

本文選取X=2.5m（X方向中截面）、Y=1.75m（Y方向中截面）兩個截面來分析低溫地板輻射采暖室內顆粒物的分布特征。

2.1 典型粒徑（2.5μm）隨時間的變化特征

從圖2可以看出，在前10 s內，2.5μm顆粒污染物隨氣流在室內傳播，但傳播速度并不快。在60 s時，2.5μm顆粒污染物由于受到熱浮升力和熱泳力等力的作用已經完全散布于室內。

圖2 2.5μm顆粒污染物隨時間變化的分布圖

2.2 不同粒徑的顆粒污染物隨Z軸（房間高度）的變化

圖3 給出了顆粒污染物由設置在Z=1.5m處的發煙器釋放時，B點顆粒污染物濃度隨房間高度變化的特點。從圖中可以發現，粒徑為1μm和5μm的顆粒污染物濃度的峰值發生在Z=1.2m高度左右，而粒徑為10μm和20μm的顆粒污染物濃度峰值大致出現在Z=0.75m高度處。粒徑dp<10μm的顆粒污染物由于受到上升熱流和重力的共同作用而懸浮。而對于20μm的大粒子，明顯受重力的影響較大。

圖3 不同粒徑顆粒物隨房間高度的變化特點

2.3 不同粒徑的顆粒污染物隨X軸（房間進深）變化

從圖4中可以看出，各粒徑的顆粒污染物濃度峰值基本上都出現在粒子釋放處，即X=2.4m處，與此處相比，其他區域的濃度都較低。圖4（a）和（b）顯示，小粒徑（dp<5μm）的顆粒污染物沿房間進深方向的擴散很明顯，而大粒徑（dp>10μm）的顆粒污染物的擴散并不明顯。這主要是因為在這個高度Z=1.5m處，上升氣流的影響并不顯著，大粒徑的顆粒污染物主要受到重力作用的影響而向下沉降。

圖4 不同粒徑顆粒物隨房間進深的變化特點

3 結論

本文通過數值模擬對低溫地板輻射采暖室內顆粒物運動和擴散特性進行了研究，可得到如下結論：

1）不同粒徑的顆粒污染物隨空間變化會出現明顯的差異。1μm和5μm的顆粒污染物具有很強的氣流跟隨性，其主要受熱浮升力和布朗擴散的影響。而10μm和20μm的顆粒污染物主要受重力作用的影響，大部分分布于房間下部或沉積到地板表面。

2）顆粒物釋放源位于發煙器（Z=1.5m）處時，在房間高度上小粒徑的顆粒污染物濃度的峰值發生在Z=1.2m高度左右，而大粒徑的顆粒物濃度峰值大致出現在Z=0.75m高度處，而在房間進深方向上，大粒徑的顆粒污染物沿房間進深方向的擴散并不明顯。

本文研究結論對于研究低溫地板輻射采暖室內顆粒污染物具有重要的參考價值。

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