设为首页
加入收藏
期刊导航
网站地图
首页
期刊
数学与物理
地球与环境
信息通讯
经济与管理
生命科学
工程技术
医药卫生
人文社科
化学与材料
会议
合作
新闻
我们
招聘
千人智库
我要投搞
办刊
期刊菜单
●领域
●编委
●投稿须知
●最新文章
●检索
●投稿
文章导航
●Abstract
●Full-Text PDF
●Full-Text HTML
●Full-Text ePUB
●Linked References
●How to Cite this Article
Advances in Environmental Protection
环境保护前沿
, 201
4
,
4
,
9-12
http://dx.doi.org/10.12677/aep.2014.41002
Published Online
February 2014 (http://www.hanspub.org/journal/aep
.html
)
OPEN ACCESS
9
Characteristics of Indoor Particle Pollutant Distribution in
Energy Conversation Building
Lexian Zhu
1
,
Wei Cai
1*
, Shilin Dong
1
,
Fengming Yuan
1
, Huan Liu
2
1
Institute of Building
Energy Conversation
,
Ningbo Universi t y of Technology
,
Ningbo
2
School of Ene rgy and Power Engineering
,
Huazhong University of Science and Technology
,
Wuhan
Email:
*
zlcaiwei@sina.com
Received: Dec. 18
th
, 2013; revised:
Jan.
16
th
, 2014;
accepted: Jan. 26
th
, 2014
Copyright © 201
4
Lexian Zhu et al. This is an open acces s article distributed un der the Creative Commons Attrib ution License, which per mits unre-
stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provide
d the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons A
t-
tribution License all Cop yrights © 201
4
are reserved fo r Hans and the own er of the intellectual prop erty Lexian Zhu et al. All C opyright © 201
4
are
guarded by l
aw and by Hans as
a guardian.
Abstract:
The objective of this paper is to investigate the concentration distribution of particle pollutants in air cond
i-
tioning buildings. A diffusion model for indoor pollutants of all air cond itioning was built. The effects of fresh air, ou
t-
door pollutants concentration,
filtration efficiency
of
fresh air, and return
-
air by
-
pass coefficient on indoor concentration
distribution were discussed. The result shows that primary return air has
critical
filtration efficiency
and the effect of
fres
h air ratio on indoor air quality is greater than by
-
pass coefficient in secondary return
-
air system.
Keywords:
Particle Pollutants
;
A ir Qua lity
;
Concentration Distribution
;
Numerical Simulation
节能建筑室内颗粒状污染物浓度特性研究
祝乐娴
1
,蔡
伟
1*
,董士林
1
,袁封明
1
,刘
欢
2
1
宁波工程学院建筑节能研究所,宁波
2
华中科技大学能源与动力学院,武汉
Email:
*
zlcaiwei@sina.com
收稿日期:
2013
年
12
月
18
日;修回日期:
2014
年
1
月
16
日;修回日期:
2014
年
1
月
26
日
摘
要:
对空调建筑室内颗粒污染物浓度分布特性进行了研究,建立了全空气空调系统室内污染物扩散模型,
模拟分析了新风量、室外污染物浓度、新风过滤效率和回风旁通系数对室内污染物浓度的影响规律。研究表明,
一次回风方式存在着一个临界新风过滤效率,只有大于该临界效率时,增加新风量才能减少室内颗粒污染物浓
度。二次回风方式下,新风比对室内空气品质的影响程度大于回风旁通系数。
关键词:
颗粒污染物;空气品质;浓度分布;数值模拟
1.
引言
随着能源供应的日趋紧张及对室内空气品质的
要求越来越高,迫切要求在保持舒适度的前提下,最
大限度地降低建筑能耗。节能建筑强调密闭性而引起
空气品质不佳,如何解决好节能和室内空气品质的矛
盾,是建筑环境领域亟待解决的难题。
近年来,众多学者对建筑室内污染物问题进行了
探索
[1
-3]
。黄 虹
[4]
等建立了室内空气污染排放源的模型,
何娟
[5]
模拟了一次回风系统不同新风比下的室内污染
物浓度的变化规律。然而迄今为止,还未见对全空气
空调通风系统室内颗粒状污染物浓度扩散模型的全
方面报道。
*
通讯作者。
节能建筑室内颗粒状污染物浓度特性研究
OPEN ACCESS
10
本文拟建立空调房间室内污染物浓度的数学模
型,分析各参数对室内污染物浓度的影响关系,提出
节能建筑室内污染物控制途径和应对措施。
2.
数学模型
本文对全空气集中空调房间进行研究,分析室内
污染物浓度的变化规律
(
图
1)
。为 了
建模方便,特做出
如下
假设:
污染物在室内发生或在进入室内的同时,浓度短
时间内
均匀扩散
与分布;
污染物不会产生吸附、沉积或物质变化现象;
不考虑空调系统各部件产生的污染物;
不考虑房间内空气的自然渗入与渗出,且室内无
其他空气净化装置。
以整个房间为控制体,根据质量守恒定律,可以
得出:
( )()
( )
001200 2
d
11
d
s
c
VMQCC QQQX
ηη η
τ
=+− −−+−
(1)
式中,
V
为控制室体积
(m
3
)
;
c
为控制室内污染物浓度
(mg / m
3
)
;
τ
为运行时间
(s)
;
M
为室内产尘量
(mg)
;
Q
s
、
Q
0
分别为送风量和新风量
(m
3
)
;
C
0
为新风浓度
(mg / m
3
)
;
η
1
、
η
2
分别为新风过滤效率和回风过滤效率;
X
为回风旁通系数,
X
= 1
代表一次回风方式,
0 <
X
<
1
则代表二次回风方式。
当污染物浓度达到平衡时,即当
τ
→∞
时,室内
污染物浓度趋于稳定,其表达式为:
( )()
(
)
00 12
0 02
+11
S
M QC
C
QQ QX
ηη
η
∞
−−
=
+−
(2)
可以看出,当通风进行到一定时间后,
控制室内
污染物
的浓度受
初始浓度的影响逐渐减弱
,最终
趋于
定值。由式
(2)
可知,达到稳定状态时,室内污染物浓
度主要取决于新风量、新风污染物浓度、回风旁通系
数、过滤器净化效率及室内污染物发生量。
3.
结果与分析
3.1
.
新风量的影响
新风量对室内空气品质的影响较大
[3]
。将式
(2)
两
侧同时对
Q
0
求导,可得,
Figure 1. A diffusion model of indoor pollutants concentration
图
1.
室内污染物均匀扩散模型
()() ()
( )
02 122
2
0
0 02
11 1
s
s
QC XMX
C
Q
QQ QX
ηη ηη
δ
δ
η
∞
−−− −
=
+−
(3)
由
(3)
可知,当公式右侧小于
0
,即增加新风量
Q
0
,可以使室内污染物浓度降低。实际情况下,
过
滤器效率、室内产尘量、总送风量、新风量都可确
定,室外污染物浓度也可实测得出。因此,式
(3)
数
值可经计算得到,一旦其值大于或等于
0
,就可以
进
行合理
调整
,使
其值小于
0
,使得增加新风量能改善
室内空气品质。
3.2.
室外污染物浓度的影响
为了分析室外污染物浓度对室内空气品质的影
响,式
(2)
两侧均对新风浓度
C
0
求导,可得,
( )
( )( )
2
11
1
11
r
s
MX
C
QX
η
ηη
−
=
−−
(4)
其中
C
r
为新风污染物浓度的临界值
,当
新风污染物
浓度
C
0
>
C
r
时,意味着增大新风量并不能降低室内
污染物浓度,反而会增加室内污染物浓度。这时需
对新风
进一步
净化处理,使得新风污染物浓度达到
C
0
<
C
r
,才能通过增加新风量来稀释室内污染物浓
度。因此,实际工况中应测定室外污染物浓度,以
判定
是否要增加新风量。
3.3.
新风过滤效率的影响
为了有效的消除和控制室外颗粒经新风通道进
入室内,在空调设备的选择上,新风和回风的空气过
滤器是控制室内空气品质的重要环节。
将式
(2)
整理可得,
( )
( )
( )
( )
00 200 2
1
0 020 02
+1 1
SS
M QCQC
C
Q QQXQ QQX
ηη
η
ηη
−−
= −
+− +−
(5)
节能建筑室内颗粒状污染物浓度特性研究
OPEN ACCESS
11
由
(5)
可知,
平衡后新风过滤效率增加,室内污染
物浓度减少;新风过滤效率减少,室内污染物浓度增
加。
以某
办公室为例
,分析室内污染物浓度变化规律,
已知该办公室占地面积
30
m
2
、层高
2.5
m
、人员密度
为
0.1
人
/m
2
、每小时
换气
6
次,测得室外污染物浓度
为
0.12 mg/m
3
、人均发尘
量为
10
mg / (
人
·h)
,
回风过
滤效率取
80%
,计算得出该总送风量
450
mg/h
,室内
污染物发生量
30
mg/h
。
图
2
给出了该房间一次回风
(
X
= 1)
时
室内污染物
浓度与新风过滤效率在不同新风比下的变化情况
。可
以看出,当房间总风量、回风过滤效率、室外粉尘浓
度、室内产尘量一定的情况下,存在着一个临界新风
过滤效率。当其他参数均固定不变时,
令式
(5)
等于零,
即可求解算出该临界效率值。
当空调系统的新风过滤效率等于临界新风过滤
效率时,室内含尘浓度与新风量的变化无关;
当新风
过滤小于临界新风过滤效率时,新风比大的时候的室
内颗粒污染物浓度比新风比小的时候的室内颗粒污
染物浓度大;只有当新风过滤效率大于临界新风过滤
效率时,增加新风量才能减少室内颗粒污染物浓度。
图
3
给出了旁通比例
X
= 0.8
时,空调系统二次
回风方式下室内污染物浓度与新风过滤效率的变化
情况。可以看出,图
3
中并未出现图
2
类似的临界新
风过滤效率,而是呈现出一定规律性。相同新风比下,
随着新风过滤效率的增加,室内污染物浓度不断降低。
另外,相同新风过滤效率下,新风比的增加也使得室
内污染物浓度的下降。
图
4~
图
6
分别给出了在不同二次回风方式下室
内污染物度与新风过滤效率的变
化规律
(
X
=
0.6
,
X
=
0.4
,
X
=
0.2
)
。可以看出,各图表现出的规律类似,
即室内污染物随着新风过滤效率增加而减少。只是在
图
6
中,新风比为
0.2
时的污染物浓度明显的高于其
他图,这是因为,该工况下送风系统二次回风比例大,
而且新风量较少,室内污染物浓度未及时清除而造成的。
3.4.
回风旁通系数的影响
当空调系统采用二次回风
方式时,平衡后室内污
染物浓度随着
X
增大而减小。为了反映出
X
的变化对
室内浓度的影响程度,令
X
变化为
nX
时,则变化前
后平衡时污染物浓度的比值为:
( )
( )
( )
( )
,
0 02
2
0 022
1
1
N
s
N
s
C
QQ QX
N NX
k
CQQQnXNN nX
η
η
ηη
∞
∞
+−
+−
= ==
+ −+−
(6)
式中
,
k
N
为污染物浓度的比值;
C
∞
、
,
N
C
∞
分别为
回
Figure 2. Curve: indoor pollutants and filtration efficiency (
X
= 1)
图
2.
室内污染物浓度与新风过滤效率的关系
(
X
= 1.0)
Figure 3. Indoor pollutants and filtration efficiency (
X
= 0.8)
图
3.
室内污染物浓度与新风过滤效率的关系
(
X
= 0.8)
Figure 4. Indoor pollutants and filtration efficiency (
X
= 0.6)
图
4.
室内污染物浓度与新风过滤效率的关系
(
X
= 0.6)
节能建筑室内颗粒状污染物浓度特性研究
OPEN ACCESS
12
Figure 5. Indoor pollutants and filtration efficiency (
X
= 0.4)
图
5.
室内污染物浓度与新风过滤效率的关系
(
X
= 0.4)
Figure 6. Indoor pollutants and filtration efficiency (
X
= 0.2)
图
6.
室内污染物浓度与新风过滤效率的关系
(
X
= 0.2)
风旁通系数变化
前后的
室内污染物浓度
;
n
为
回风旁
通系数变化倍数;
N
为
新风比。
由式
(6)
可知
,
k
N
与新风比
N
、混合室空气过滤
净化效率
η
2
有关,而与室内污染物发生量无关。当
新、回风混合室没有安装空气过滤器或是失效,回
风旁通系数
X
的变化并不影响平衡时室内污染物浓
度的变化。当新风比一定时,室内污染物浓度与回
风旁通系数成反比。
为了分析变化规律,对式
(6)
求导
可得:
( )
( )
2
2
2
1
1
N
nX
k
N
NN nX
η
δ
δ
η
−
=
+−
(7)
由式
(7)
可以看出,当
n
> 1
,即
X
增大时,
k
N
随
N
的增大而增大;当
0 <
n
< 1
时,
k
N
随
N
的增大而减小。
即当回风旁通系数增大时,室内污染物浓度会随着新
风比的增大而增大,而当回风旁通系数减小时,室内
污染物浓度会随着新风比的增大而减小。这表明,新
风比对室内空气品质的影响程度大于回风旁通系数。
4.
结语
本文建立了全空气空调系统室内污染物浓度控
制模型,分析了新风量、室外污染物浓度、新风过滤
效率和回风旁通系数对室内污染物浓度的影响规律。
研究表明,一次回风
方式
存在着一个临界新风过滤效
率,只有大于该临界效率时,增加新风量才能减少室
内颗粒污染物浓度。二次回风方式下,新风比对室内
空气品质的影响程度大于回风旁通系数。
致谢
本文受北仑科技创新基金项目、国家级大学生创
新创业训练计划项目
(
201311058005
)
、浙江省大学生
科技创新活动计划项目
(
2012R422002
)
、王 伟明
助创基
金项目联合资助完成。
参考文献
(References)
[1]
Lan
, Q.,
Cui
, K.,
Zeng
, F.,
et al.
(
20
12
)
Characteristics and a
s-
sessment of phthalate esters in urban dusts in
Guangzhou city,
China
.
Environmental Monitoring
and Assessment
,
184
,
4921
-
4929
.
[2]
Teixeira, J.V., Miranda, S., Monteiro, R.A.,
et al.
(
20
13
) A
s-
sessment of indoor airborne contamination in a wastewater
treat-
ment plant
.
Environmental Monitoring
and Assessment
,
185
,
59
-
72
.
[3]
张巨光
,
蔡伟
(
2012
)
空调列车室内微环境空气品质评价分
析
.
山西建筑
,
8
, 218
-
220
.
[4]
黄虹
,
曾宝强
(
200
8)
室内空气污染及排放源的模拟模型
.
江西科学
,
4
,
639-644
.
[5]
何娟
(
200
9)
稀释室内颗粒物污染物用一次回风 空调系统的
优化设计
.
洁净与空调技术
,
4
, 30
-
33
.