高校教室内PM2.5运移规律及净化措施_马瑞环.pdf

2023 年 第 1 期 化学工程与装备 2023 年 1 月 Chemical Engineering&Equipment 273 高校教室内高校教室内 PM2.5PM2.5 运移规律及净化措施运移规律及净化措施 马瑞环，王 猛，曲雪婷，郭豪鑫（山东石油化工学院，山东 东营 257100）摘摘 要要：PM2.5 的渗透系数为 0.620.85，所以会有大部分的 PM2.5 通过门窗等缝隙进入室内，成为室内环境最大的危害，极大的影响人体的身体健康。本文拟收集整理国内外颗粒物污染状况及相关研究现状的资料，介绍室内颗粒物的形成、危害、主要来源以及影响室内颗粒物浓度的过程；然后采用流体力学 CFD软件 Fluent 数值模拟，采用离散相模型（DPM 模型）对三维教室内气流和颗粒轨道进行模拟。关键词：关键词：室内空气品质；PM2.5；离散相模型；数值模拟 引引 言言 高校学生作为祖国发展的“后备军”，他们的学习环境的舒适程度和身体健康受到国家和家长们的高度重视。研究高校室内 PM2.5 颗粒污染物浓度的分布变化具有重大意义。颗粒物污染的提出始于 20 世纪 50 年代，20 世纪上半叶，国外开始就室内空气品质进行研究，PM2.5 浓度上升至研究的热点。1996 年，Lu1运用 CFD 技术对大气中的气流流动、气溶胶粒子的沉积与分布进行了研究。通过数值模拟和试验，发现颗粒的性质、通风和气流的分布方式对颗粒的沉积和运移有很大的影响。2002 年，Chen2提出了一种利用质量平衡方程和非线性参数估计的方法来进行室内空气颗粒物的动力学计算。2006年，Zhang3利用 CFD软件和拉格朗日粒子追踪法，对通风室中的颗粒扩散及浓度进行了数值模拟，并将其与试验数据进行了比较，以证实其正确性。研究发现，地面送风比顶送和侧送两种送风方式都能较好地去除空气中的微粒，但是地面送风会引起二次悬浮。2005 年，赵彬4利用数值流体力学的方法，对个体通风系统中的微粒扩散行为进行了分析。研究发现，在相同的送风流量和不同的通风模式下，不同粒度的微粒颗粒的扩散特征是不同的。本文研究了东营市某高校教室内不同情况下 PM2.5 浓度的分布情况，为今后进一步改善高校教室内空气质量提供依据。1 1 教室的基本情况教室的基本情况 东营市属于暖温带大陆性季风气候，冬寒夏热，四季分明，年平均气温 12.8，多刮北风、西北风。调查结果显示，东营市室外 PM2.5 浓度在 90g/m3-100g/m3，设置两种不同工况下，由送风口处进入室内的颗粒污染物浓度为100g/m3，送风口处质量流率=室外大气颗粒物浓度送风口面积送风口处送风速度，单位为 kg/s。本文以北方地区某高校教室作为研究模拟对象，教室的尺寸（长宽高）14m8m4.5m，室内放置一定数量的课桌，其尺寸为 1.5m/2m0.3m0.75m，并且室内有四个门、四个外窗、三个悬窗，其中门的尺寸为 0.7m1.2m，外窗的尺寸为 1.8m1.8m，悬窗的尺寸为 0.5m0.5m，如图 1 所示，教室共有门 4 扇，悬窗 3 个，外窗 4 个。图图 1 1 教室几何模型教室几何模型 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.077274 马瑞环：高校教室内 PM2.5 运移规律及净化措施 2 2 数值模拟数值模拟 本文主要是以开窗情况下不同的风速，自然通风的不同方式，分析 PM2.5 浓度分布云图，由模拟结果得出的结论，可提出一些改善教室室内空气品质的解决办法。2.1 不同风速情况下对 PM2.5 的影响 在已有的研究表明5，东营区的风速在不同的季节是不同的，我们在平均通风量已定的情况下，将外界吹入室内的风速分别设置为 2m/s、4m/s、6m/s，模拟出不同风速下的颗粒物情况。本节主要研究在自然风速不同的情况下通过门窗等缝隙进入室内 PM2.5 的数量。且在模拟过程中，仅保持风速这一个变量。首先给颗粒物污染源在z轴方向给定一个0.1m/s的初速度，主要是因为在常规情况下室内是一个充满空气的非绝热状态，我们需要考虑 PM2.5 在室内的运动情况。在研究室外不同风速和自然通风量下对 PM2.5 颗粒物在室内运动的规律的影响时的边界条件，表 1 所示。表表 1 1 不同风速时的边界条件不同风速时的边界条件 名称 数量 连续边界类型 DPM 边界条件类型 课桌 30 wall trap xuanchuang 3 pressure-outlet escap waichuang 4 velocity-inlet wall-jet m 4 pressure-outlet escape 人 10 wall trap 模拟在开窗的情况下，外界不同的风速对颗粒物浓度的影响。当外界风速通过外窗向室内吹进一定的风量时，外界的风速分别为 2m/s、4m/s、6m/s，根据房间和不同风速的特点，将模拟结果显示在 Y=2m 处的纵轴面处。在外窗对应的位置处，颗粒物的浓度大于其他位置的浓度。亦可发现，细颗粒物在室内的浓度场分布是随着空气的流场分布，速度越大且室内流场越明显，细颗粒物便随之运动。风速在 6m/s 时的颗粒物浓度明显大于 4m/s 和 2m/s 时的颗粒物浓度。也就是说，当风速越大时，进入室内的颗粒物就越多，从而导致室内颗粒物的浓度就越高。综合比较三种不同风速下 PM2.5 的浓度分布和颗粒物运移规律，可以看出：在不同风速的影响下，风速越大，教室内的颗粒物运动越明显，进入室内的颗粒物浓度就越高。2.2 自然通风对 PM2.5 的影响 本研究取风速为最低 2m/s 时的室内颗粒物浓度，且在模拟的过程中，假定自然通风的风量是稳定的。我们需要在z 轴方向给定颗粒物一个 0.5m/s 的初始速度。在整个研究中不考虑传热的问题。图图 2 2 工况工况 1 1 颗粒物浓度分布云图（单位：颗粒物浓度分布云图（单位：kg/mkg/m3 3）图图 3 3 工况工况 2 2 颗粒物浓度分布云图（单位：颗粒物浓度分布云图（单位：kg/mkg/m3 3）图图 4 4 工况工况 3 3 颗粒物浓度分布云图（单位：颗粒物浓度分布云图（单位：kg/mkg/m3 3）马瑞环：高校教室内 PM2.5 运移规律及净化措施 275 通过对室内各个部分不同边界条件的设置，形成不同的自然通风形式。使室内形成一种自然压差，促使空气流动，使得建筑室内外空气进行交换，进而模拟出室内颗粒物的浓度显示。模拟教室的尺寸（长*宽*高）14m*8m*4.5m，我们可以得出风速为 2m/s 时室内的颗粒物浓度最低，所以在模拟自然通风对颗粒物影响时采用风速为 2m/s，然后改变其边界条件，主要分为三种不同的自然通风方式。在三种工况情况下，墙壁、课桌、人都不参与颗粒物的发散，所以都可将其连续相边界条件设置为 wall。其中，对于工况 1 来说，PM2.5通过外窗进入室内，然后从悬窗处排出，所以将外窗设置为速度口，悬窗设置为压力口；与工况 1 正好相反，工况 2将悬窗设置为速度口，使 PM2.5 通过悬窗进入，然后通过外窗排出室外；工况 3 主要是使颗粒物从外窗进入，将其悬窗封闭从而使颗粒物从门排出，所以将工况 3 中的外窗设置为速度口，门设置为压力口，悬窗设置为 wall。上图 2、图 3、图 4 为三种不同通风模式下室内 PM2.5浓度分布云图，在工况 1 的条件下，室外大量的空气通过外窗进入室内并且与室内的空气进行混合，并且通过悬窗流出室外。由于外窗与悬窗几乎对应，且悬窗的尺寸小于外窗的尺寸，所以会形成穿堂风的效应，但不会有太多的空气通过悬窗流到室外。对于工况 2 而言，悬窗为主要的进风口，尺寸较小，所以会有少量的空气进入室内，然后通过外窗排至室外。工况 3 主要是从外窗进入大量的空气，但与工况 1不同的是，工况 3 是从门处将室内的空气排出，由于门的位置与外窗的位置相差较远，所以从外窗进入的空气会直接撞击到对面的墙壁上后沿着墙壁方向运动，最后从门向外排出。我们可以发现，在旋涡边缘和低速漩涡区域会有非常高浓度的 PM2.5 颗粒，同时由于 PM2.5 的颗粒物体积较小，所以其受到的质量力也较小，所以更容易被高速流动的空气所冲击，从而使颗粒物在室内进行往返运动，很难排出，工况1 和工况 3 尤为明显。而相对于不易产生漩涡的工况 2 来说，PM2.5 不会因为旋涡的影响而在室内做往返运动，所以颗粒物会很容易被排出。综上所述，在不同的气流形势下，PM2.5颗粒物的排出与室内形成的旋涡类型息息相关。3 3 净化措施净化措施 风速和自然通风的形式对室内颗粒物的浓度会产生一定的影响，但是由于要保证室内的空气流通，我们可以在不同的风速情况下，选择不同的自然通风形式。（1）注意合理的开窗通风。通风是提高室内环境质量的一种有效途径。但当空气污染严重时，要避免打开窗户换气，以免造成空气污染。可以在正午阳光充足，户外污染少时，打开窗户进行通风。（2）采用空气净化设备。当室内的窗户面积比较大时，可采用 NE 涂料在窗户的室内侧面喷涂，采用光触媒的原理，对 PM2.5 及以下的颗粒进行有效的吸附。4 4 总总 结结 综上所述，本文主要是采用流体力学 CFD 软件 Fluent进行数值模拟，然后采用离散相模型对三维教室内气流和颗粒物浓度进行模拟。模拟在开窗情况下，不同的风速，自然通风的不同方式，分析 PM2.5 浓度分布云图，根据模拟的结果，可以为提高教室的室内环境质量提供建议，例如减少门窗的开窗和采取有效的空气净化措施，为学生、老师提供一个舒适优良的学习环境。参考文献参考文献 1 Lu W,Howarth A T,Adam N,et al.Modelling and measurement of airflow and aerosolparticle distribution in a ventilated two-zone chamber J.Building&Environment,1996,31(5):417-423.2 黄永益.打印室内细颗粒物_PM2.5_的散发_运移与排除的数值模拟研究D.3 张含芝.体育馆更衣室内 PM2.5 浓度分布的数值模拟研究D.4 韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用M.北京理工大学出版社.5 王咏梅,黄晓鹏,吴劲锋.基于 POLYFLOW 的环模制粒机流场模拟分析J.太阳能学报.