地板送风系统室内可吸入颗粒物分布特性研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.58MB 58 页 15积分

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摘要

随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断加快，人们对室内环境也

提出了更高的要求。颗粒物是影响室内空气品质的重要因素之一，尤其是粒径

10μm 以下的可吸入颗粒物对人体健康的危害更大。本文通过数值模拟和实验测试

两种方法结合地板送风系统特定的室内流场，对室内颗粒物的运动和分布规律进

行了研究，探讨地板送风模式下颗粒物对室内空气品质的影响。数值模拟中湍流

模型应用可实现（Realizable）双方程模型，采用拉格朗日方法离散相模型

追踪室内颗粒的运动轨迹，对考虑地面积尘室内颗粒运动和分布特征及蚊香烟尘

的非稳态扩散过程进行模拟和分析。实验在上海理工大学带有地板送风系统的办

公室进行，采用 GRIMM Model 1.108 气溶胶光谱仪监测送风前后及蚊香发尘前后

室内可吸入颗粒物粒子数浓度及质量浓度的变化过程。同时利用安捷伦热电偶布

置测点及热线风速仪对室内高度方向温度分布及风口轴心速度衰减进行了测试，

结合送风稳定后颗粒物浓度测试对数值模型的可行性进行了验证。

研究结果表明：粒径在 0.5μm 以下的细颗粒物主要受布朗力作用，对室内总

粒子数浓度贡献较大，容易在室内悬浮也容易被地板送风向上的流型携带至房间

上部区域从排风口排出；粒径在 2.5μm 以上的粗颗粒物受重力作用的影响较大，

对室内粒子总质量浓度贡献较大，更多的沉降在地面和侧壁。地板送风可显著降

低室内颗粒浓度，营造较清洁的工作区环境，且地面颗粒的脱附和扩散主要发生

在送风口附近，远离送风口区域几乎不受影响。蚊香烟尘虽可明显增大 0.5μm 以

下的细颗粒物粒子数浓度和质量浓度，但在地板送风条件下室内空气品质也可满

足设计要求。且数值模拟结果与实验测试数据吻合良好，证明了拉格朗日方法在

室内颗粒运动模拟的适用性、可靠性。

关键词：地板送风系统可吸入颗粒物离散相模型室内空气品质

ABSTRACT

With the rapid development of society economy and urbanization, the citizen have

a higher request about the quality of indoor environment. Particulate matter is one of the

important factors that influence the indoor air quality, especially the particulate matter

below PM10 which is more harmful to human.This thesis makes a study on the motion

and distribution of indoor particulate matter via the conbination of numerical simulation

and experimental test for underfloor air distribution system to discuss the effects of

indoor particulate matter on indoor air quality.The two-equation model is applied

to the turbulence model in the numerical simulation, and Lagrangian discrete phase

model is adopted to trace the motion of particulate matter, to simulate and analyze the

motion and distribution characteristics of indoor particles considering the dust on the

floor and mosquito smoke unsteady state diffusing process.The experiment is carried in

a office with UFAD system. The GRIMM Model 1.108 aerosol spectrometer is used to

monitor indoor particulate concentrations before and after air supply and mosquito

burning.

And the agilent and hot-wire anemometer are used to measure the temperature

distribution and axial velocity decay to verfy the feasibility of the numerical model

combining the particulate concentration test data.

The research result shows that the fine particles especially particle size under

0.5μm have more contribution to the total number concentration, and are meanly

affected by brownian force. They are easily suspended and easily to be carried to the

upper room space under the UFAD upward flow, then eliminated from exhaust outlet.

The coarse particles (d≥2.5μm) are meanly affected by gravity, and they have more

contribution to the total mass concentration. Most of them landfall on the floor and

walls. UFAD system can significantly reduce the indoor particle concentration and build

a clean working environment. The desorption and spread of the particles on the floor is

near the air supply outlet, the zone far from air supply outlet is almost unaffected. Even

the number and mass concentrations of the fine particles increase greatly when

mosquito burning, indoor air quality can meet the design requirements under UFAD

system.The simulation results are in satisfactorily agreement with the experiment

results, which proves that the Lagrange method is reasonable.

Keywords: underfloor air distribution (UFAD) system, inhalable

particle, discrete phase model, indoor air quality

目录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论.........................................................1
1 研究背景.......................................................1
1.1 地板送风系统概述...........................................1
1.2 地板送风系统应用...........................................2
1.3 研究可吸入颗粒物的必要性...................................3
2 室内颗粒物分布研究进展........................................4
2.1 研究现状...................................................4
2.2 研究方法...................................................7
3 本文的主要工作...............................................10
第二章 室内颗粒物运动分布机理.......................................11
1 颗粒物基本概念................................................11
1.1 室内颗粒物来源............................................11
1.2 颗粒物的粒径..............................................11
1.3 颗粒物的分类..............................................12
1.4 颗粒物的统计分布..........................................12
1.5 国内外颗粒物标准..........................................14
2 颗粒物的受力和运动特性.......................................15
2.1 常用参数的定义...........................................15
2.2 作用在颗粒物上的力.......................................19
2.3 室内颗粒物的运动特性.....................................23
3 本章小结......................................................29
第三章 地板送风室内颗粒物分布特性实验研究...........................30
1 实验地点及方案................................................30
2 实验设备......................................................32
3 实验结果分析及讨论............................................32
3.1 室内可吸入颗粒物粒径分布..................................32
3.2 发尘前后的粒径分布........................................35
4 本章小结.....................................................36
第四章 地板送风室内颗粒分布特性数值研究.............................37
1 基本理论......................................................37
1.1 气相控制方程..............................................37
1.2 颗粒相控制方程............................................38
1.3 颗粒相壁面条件............................................39
1.4 相间耦合..................................................40
2 CFD 数值模型..................................................41

2.1 物理模型..................................................41
2.2 边界条件..................................................42
2.3 网格划分..................................................43
3 数值计算结果及分析............................................44
3.1 室内流场模拟结果..........................................44
3.2 室内颗粒物浓度模拟........................................45
4 数值模拟结果与实验结果对比....................................49
4.1 实验测量..................................................49
4.2 结果对比与分析............................................50
5 本章小结.....................................................52
第五章 结论与展望...................................................53
参考文献............................................................55

第一章绪论

随着国民经济持续快速发展以及人民生活水平的日益提高，人们对室内环境

的要求已经不仅局限于传统的热舒适性，而是提升到与室内可挥发有机物、颗粒

物等密切相关的室内空气品质的要求上来。国家“十二五”规划纲要指出，面对

日趋强化的资源环境约束，必须增强危机意识，树立绿色、低碳发展理念，以节

能减排为重点，健全激励与约束机制，加快构建资源节约、环境友好的生产方式

和消费模式，增强可持续发展能力，提高生态文明水平。建筑节能及室内环境质

量已经成为建筑环境行业后续优化与发展的两大主题。地板送风空调系统作为一

项暖通空调新技术，与传统的顶棚送风空调方式相比，有明显的节能及改善空调

房间工作区空气品质的效果，具有很好的发展潜力，吸引着研究者进行深入研究。

1.1 研究背景

1.1.1 地板送风系统概述

地板送风系统是办公室和其他商用建筑中房间空调的一种创新系统，早在17

世纪的北欧国家就有了应用实例。德国在20世纪60年代初即在一些像计算机房、实

验室、控制中心等室内空调负荷较大的房间采用了地板送风。20世纪70年代欧洲国

家开始将其引用到办公建筑，特别是20世纪80年代以来，随着智能建筑的涌现和

发展，为解决办公电缆和通讯线路的布线和排热问题，更是给地板送风的推广提

供了广阔的应用空间[1]。与传统的顶棚送风空调系统不同，地板送风空调系统利用

结构楼板与架空地板之间形成的敞开空间布置送风管道或直接作为送风静压箱，

并根据室内工作区的热湿负荷，将经空调器处理过的空气通过设置在地板静压箱

内的末端装置或设置在地板上的送风口送出，送出的气流首先在进入工作区，通

过诱导作用与室内空气混合，进行热湿交换后在室内热源的对流流动带动下，向

上移动，进入非工作区，再由设在房间顶部的回风口排出[2]。

地板送风空调系统是全空气空调系统的一种形式，同传统顶棚送风空调系统

相比，具有许多鲜明的特点。它的优点主要有以下几个方面[3]：

（1）改善热舒适性

地板送风系统通过将送风口设置在离室内人员很近的地板上、办公桌以及工

作区的隔断上，形成了地板送风和岗位环境调节系统。室内人员可以方便的调节

风量、出风方向以及送风温度，满足个人的舒适性要求，提高工作效率和劳动生

产率。同时，由于受送风气流的影响，地板表面温度夏季低、冬季高，可利用辐射

换热的方式来提高室内人员的舒适性。

（2）改善通风效率和室内空气品质

上海理工大学硕士学位论文

系统通过设置在地板上或靠近地板的送风口送入的新鲜空气首先进入人员工

作区，在房间吊平顶处排风，形成了与置换通风系统相类似的室内空气与污染气

流向上置换的流态，室内产生的热量、尘粒和污染物等随着空气的热对流作用自

然向上，可以期望在人员呼吸高度处的通风与室内空气品质得到一定程度的改善

（3）较大的节能潜力和经济价值

地板送风空调系统仅考虑室内工作区的热湿负荷，也只需维持工作区的环境

参数，相当于提高了室内空气的平均温度，使室内负荷减小，实现了节能。由于

风量减小，送风口风量较低，系统阻力较小，因此可节约空气输送动力。从施工

安装角度讲，由于地板送风一般不考虑设置风管，而是将风口与地板结合一体，

省去了大量的管道制作费用及工程量，同时与其他管线无空间上的矛盾，安装速

度较快，便于推广工业化施工。

（4）布置方式灵活、节约空间

地板送风空调系统利用架空的活动地板输送空气，且容纳电力、语音与数据

通信等设施，节约空间，降低了建筑层高。并且地板可按模数铺设，送风口与地

板组成一个整体，便于移动和变更，可灵活适应办公室布置、装修、用途等方面的

变化。此外，随房间办公机器的变化，可以独立地增设地板送风的柜式空调机组

进行灵活的调节，以适应负荷的变化。

1.1.2 地板送风系统应用

地板送风的优越性已得到肯定，其应用在近二十年来日益广泛。目前，地板

送风系统在欧洲、日本、南非、澳大利亚和北美等地均有应用。据统计，北美地区有

接近40%新建办公建筑中采用了地板送风系统。日本在近几十年内，有大量设备公

司和高校对该空调形式进行了广泛而深刻的应用研究。我国在下送风空调的机理、

负荷确定、室内温度场与速度场的分布、气流组织的设计及相关末端设备的开发等

方面也进行了深入的探讨。随着大量现代办公楼宇的兴建，近年来地板送风系统

越来越受到设计师的青睐。在北京、上海、香港、广州等大城市的建筑中越来越多的

采用地板送风系统，如香港的汇丰银行、中环中心，上海的陆家嘴财富广场、世纪

商贸广场、普天生态楼，北京安捷伦大厦，广州保利国际广场等等[4~7]。

随着人们对建筑环境热舒适性和空气品质等方面提出的更高要求，对地板送

风空调系统的研究和应用仍在不断进行。除了对室内气流组织、热舒适性、相关末

端设备及设计参数方面的研究外，地板送风系统室内空气品质也越来越受到广大

研究设计者的重视。特别是办公楼地板送风系统的运行具有间隙性，室内悬浮颗

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摘要：

摘要随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断加快，人们对室内环境也提出了更高的要求。颗粒物是影响室内空气品质的重要因素之一，尤其是粒径10μm以下的可吸入颗粒物对人体健康的危害更大。本文通过数值模拟和实验测试两种方法结合地板送风系统特定的室内流场，对室内颗粒物的运动和分布规律进行了研究，探讨地板送风模式下颗粒物对室内空气品质的影响。数值模拟中湍流模型应用可实现（Realizable）双方程模型，采用拉格朗日方法离散相模型追踪室内颗粒的运动轨迹，对考虑地面积尘室内颗粒运动和分布特征及蚊香烟尘的非稳态扩散过程进行模拟和分析。实验在上海理工大学带有地板送风系统的办公室进行，采用GRIMMMode...

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