浙江理工大学建筑工程学院      袁倩   李国建

摘   要：为了了解引入新风对学生宿舍内PM_2.5的稀释净化效果，文章就使用新风机对室内PM_2.5浓度场分布的影响进行了研究。采用fluent数值模拟法分别对目前主要的两种格局的学生宿舍进行了仿真模拟，改变送、回风口位置，得到在不同情况下引入新风时室内PM_2.5的浓度场分布。分析对比模拟结果，得出在不同送、回风口布置情况下引入新风时两种格局宿舍内PM_2.5浓度场的分布规律及其净化效果，为新风机在学生宿舍的使用提供参考及理论依据。

关键词：新风；PM_2.5；浓度场；模拟

       0   前言

       目前，PM_2.5已经成为人们广泛关注的，也是对人体健康危害严重的一类大气污染物^[1]，有文献[2]指出，PM_2.5浓度升高后人日死亡率也有所升高。 据调查，人们大部分时间都是在室内度过的，室内空气质量对人体有重大的影响，且研究表明颗粒物对室内空气品质有着重要的影响^[3、4]，因此对室内颗粒物的控制处理刻不容缓。

       刘敏^[5]研究了不同空调房间室内颗粒物的演变规律，韩云龙、胡咏梅等人^[6]研究了自然通风下室内颗粒物的分布规律，主要集中在研究不同通风方式下室内PM_2.5的污染状况，并没有针对PM_2.5采取过滤措施。在室外处于污染情况下，如果建筑内不采取任何过滤措施，室外进入室内的颗粒物浓度将与室外颗粒物浓度处于同一数量级^[7、8]， 因此在建筑内设置颗粒物的过滤装置是非常必要的。宣凯云、陈丽萍等人^[9]对室内颗粒物浓度的影响因素进行了数值模拟，对PM_2.5过滤效率进行了研究，但是没有涉及到室内不同布局的影响。

       对于高校宿舍而言，由于学生人数的不断增多，宿舍人员密集且布局紧凑，导致室内空气品质差，而宿舍环境对学生身体健康和学习生活都有着严重影响^[10]。尽管目前大部分高校学生宿舍已经安装了空调，但所使用的空调偏重于室内温湿度及风速控制，对颗粒物来说，所使用的过滤器性能太低^[11]，对颗粒物过滤达不到要求。

       为了了解引入新风对学生宿舍内颗粒物的稀释净化作用，本文研究了使用新风机引入新风对宿舍内PM_2.5的控制处理。在门窗关闭情况下，采用壁挂式新风机向室内引入新风，运用计算流体动力学方法模拟两种典型格局宿舍在不同送、回风口设置下引入新风处理的前阶段PM_2.5浓度场的分布情况。

       1   数学模型与物理模型

       1.1   数学模型

       宿舍内的颗粒物浓度与空气流动紧密相关，即室内空气为连续相。

       该研究中的PM_2.5体积分数小于10%，所以使用离散相模型进行模拟。

       1.2   物理模型

       本文分别模拟了两种典型格局的宿舍，简化模型分别如下见图1、2。宿舍主要格局如图所示，上床下桌，衣柜中间放置或两端放置，由上图可知宿舍布局是对称的，在模拟时选取一半宿舍进行研究。整个宿舍尺寸为6m×4m×3m，门1.2m×2m，阳台门为2m×2m，衣柜0.5m×0.9m×1.8m，床1.8m×0.9m，距地1.8m，桌1.3m×0.9m，距地0.9m。

图1   宿舍1风口布置图	图2   宿舍2风口布置图

       模拟使用的壁挂式新风机，其新风机送风口位于阳台门上方0.2m处，送风口尺寸为0.4m×0.1m，为使颗粒物更好地从室内排出，在房间底部设置回风口，每种房间设置两种不同位置的回风口，其尺寸为0.3m×0.2m，设置情况如图1、图2所示，与送风口同侧或与送风口异侧（在整个房间中风口布置关于ZOX平面对称）。

       模型设置如下表所示：

表1   模型设置表

       2   条件设置

       由于在使用新风机的前几分钟是室内颗粒物浓度场变化最明显的阶段，且室内颗粒物浓度下降的速率也是人们所关注的，通过参考相关文献，结合实际，本研究中先着重研究了颗粒物浓度场在新风机开始后的300s内的变化情况，接下来的情况有待今后进一步的研究。

       在本文研究中默认室内温度为300K，在此研究中主要研究颗粒物浓度场变化，对温湿度变化及其影响暂时不作考虑。进口边界设置为速度进口(velocity-inlet)，出口为流出风口(outflow)，对离散相而言，进出口为escape，床为trap。

       室内颗粒物浓度主要受到室外颗粒物及室内散发源的影响^[12]，在学生宿舍中人员与运行的电脑会散发颗粒物PM_2.5，使得桌面附近PM_2.5浓度较大，假设其平均散发速率为3mg/h[13]，室外PM_2.5浓度为200μg/m³，新风机过滤效率为90%，即可得到送风中PM_2.5浓度为20μg/m³。

       每人所需新风量为30m³/h，人员所需总新风量为120m³/h。考虑到学生宿舍人员密集，为保证良好的空气质量，在此研究中取学生宿舍换气次数为2.5次/h,可得室内所需新风量为180m³/h，综合取宿舍新风量为180m³/h。由送风口尺寸可计算得送风速度为2m/s。

       室内初始浓度场由室内散发源及室外渗透风决定，在该简化模拟中，我们不考虑特殊活动所带来的影响，模拟室内颗粒物浓度场在新风机作用下的变化情况。坐标原点在物理模型中心，人体一般的坐姿高度在1.1~1.2m，在此以地面1.2m处的面为监测面。在人员所在位置设置了监测点,宿舍1中监测点坐标为A1(-1.8,-0.1,-0.3)、B1(0.5,-0.1,-0.3)，宿舍2中监测点坐标为A2(-1.1,-0.1,-0.3)、B2(0.5,-0.1,-0.3)。
室内初始颗粒物浓度场如图3、4所示，在渗透风及室内散发源作用下形成。该模拟情况与实际情况相似，桌面附近浓度越高且向周边浓度逐渐减小。

图3   宿舍1监测面PM2.5初始浓度场kg/m3	图4   宿舍2监测面PM2.5初始浓度场kg/m3

       3   模拟结果

       在300s后室内浓度场情况如图5~12所示（图中凹口处为衣柜所在地）。

图5   模型一室内PM2.5浓度分布kg/m3	图6   模型二室内PM2.5浓度分布kg/m3
图7   模型三室内PM2.5浓度分布kg/m3	图8   模型四室内PM2.5浓度分布kg/m3
图9   模型一监测点PM2.5浓度变化曲线	图10   模型二监测点PM2.5浓度变化曲线图
图11   模型三监测点PM2.5浓度变化曲线图	图12   模型四监测点PM2.5浓度变化曲线图

     3.1   不同格局对PM_2.5稀释效果的影响

       对比图5与图6、图7与图8，由图所示PM_2.5浓度场图可知经过300s后宿舍1内 PM_2.5浓度整体小于宿舍2。可得出在宿舍1引入新风对PM_2.5的稀释效果比在宿舍2引入新风对PM_2.5的稀释效果好。

       3.2   风口设置对PM_2.5稀释效果的影响

       对比图5与图7、图9与图11可知经过300s后宿舍1在送回风口异侧时人员所在区PM_2.5浓度较送回风口同侧时小，即宿舍1送回风口异侧时新风机对室内PM_2.5稀释净化效果较送回风口同侧时好；对比图6与图8可知宿舍2送回风口处于同侧时新风机对室内PM_2.5的稀释净化效果较送回风口异侧时好。

       3.3   人员区净化效果

       由监测点PM_2.5浓度变化曲线图可知人员所在区的颗粒物浓度在新风机合理布置作用下呈波动变化，总体呈现下降趋势。

       4   结论

     （1）引入新风对室内颗粒物进行稀释净化在宿舍1格局下的整体效果比宿舍2好。

     （2）送、回风口位置要根据宿舍格局来确定。宿舍1选择送、回风口异侧，宿舍2选择送、回风口同侧。

     （3）宿舍1格局下送、回风口异侧时整体净化效果最好。

参考文献

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       [13] 谢伟.室内颗粒物浓度变化特征及污染控制策略研究[D].西安：西安建筑科技大学，2013．

备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期。
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