自然置換通風(fēng)條件下室內(nèi)空氣污染的演化規(guī)律研究.pdf

1、自然通風(fēng)是人們改善室內(nèi)環(huán)境的重要手段?？諝鉄岣×︱?qū)動(dòng)的自然置換通風(fēng)是自然通風(fēng)的一種基本形式，該通風(fēng)過程經(jīng)歷一段時(shí)間的發(fā)展后將到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。自然置換通風(fēng)向穩(wěn)態(tài)發(fā)展的過程相對(duì)于建筑使用階段來說并不簡短，因此該過程對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境和空氣污染狀況的影響應(yīng)該引起足夠的重視。
　　 本文在已有的瞬態(tài)自然通風(fēng)模型的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)的理論分析，給出了3個(gè)描述室內(nèi)外初始溫度相同條件下（ΔT0=0）自然置換通風(fēng)瞬態(tài)過程的改進(jìn)模型。與已有的Kaye&Hu

2、nt模型相比，改進(jìn)模型認(rèn)為室內(nèi)上部的熱空氣區(qū)并非充分混合的，而是由緊靠天花板處溫度較高的熱空氣薄層及其下方的熱空氣層兩部分組成，從而對(duì)天花板處的熱空氣薄層結(jié)構(gòu)和排出空氣的浮升力進(jìn)行了分析和簡化。將改進(jìn)模型的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，3個(gè)改進(jìn)模型對(duì)瞬態(tài)通風(fēng)過程的預(yù)測精度均優(yōu)于Kaye&Hunt模型，其中改進(jìn)模型三的總體性能又稍好于其他兩個(gè)改進(jìn)模型。
　　 利用改進(jìn)模型三分析了ΔT0=0條件下自然置換通風(fēng)瞬態(tài)過程的熱

3、分層特性、熱空氣浮升力和瞬時(shí)通風(fēng)量隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果指出，無量綱的有效通風(fēng)面積a越小，通風(fēng)過程中熱分層界面下移越過穩(wěn)態(tài)熱分層界面的現(xiàn)象越明顯，熱分層界面的最低高度與穩(wěn)態(tài)高度之間的差值越大，但這一差值相對(duì)于空間高度很小。通風(fēng)過程中，天花板處熱空氣薄層的厚度將越來越小，其下方熱空氣層的厚度先快速增加至最大值，后小幅變化。無量綱的有效通風(fēng)面積越小，通風(fēng)過程的3個(gè)無量綱時(shí)間越長。熱空氣浮升力和瞬態(tài)通風(fēng)量均取決于熱源浮升力通量B0、有效通風(fēng)口

4、面積A*、房間面積S和房間高度H，增加B0、減小S、A*或H均能增大熱空氣的浮升力，減小S、增大B0、A*或H可以使房間獲得較大的通風(fēng)量。
　　 在對(duì)通風(fēng)房間的氣流型式和氣流速度進(jìn)行簡化分析的基礎(chǔ)上，給出了室內(nèi)外初始溫度相同條件下通風(fēng)房間內(nèi)的氣態(tài)污染物輸送模型，并利用該模型對(duì)室內(nèi)外初始溫度相等的通風(fēng)房間的空氣污染狀況進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)熱空氣層的污染物濃度和室內(nèi)原有冷空氣層的污染物濃度均表現(xiàn)為先升高、后快速降低的特征。室外

5、污染物濃度越大，室內(nèi)污染物濃度的上升階段越長，瞬時(shí)濃度越大。增大B0或減小S有利于改善通風(fēng)氣流對(duì)室內(nèi)污染物的沖刷效果;增大A*或減小H雖然也能使污染物濃度快速變化，但是卻會(huì)使污染物濃度峰值升高。
　　 針對(duì)室內(nèi)初始溫度高于室外溫度（ΔT0＞0）的情況，深入分析了Fitzgerald&Woods理論模型中的4種可能的通風(fēng)模式，進(jìn)一步明確了其中3種模式中區(qū)分不同通風(fēng)情形的室內(nèi)初始浮升力δ0的臨界值δ0c。并通過分析，給出了四溫度層模

6、型、滲透不回流模型等改進(jìn)理論模型。
　　 對(duì)室內(nèi)初始溫度高于室外溫度條件下的瞬態(tài)自然置換通風(fēng)過程，除通風(fēng)模式二外，F(xiàn)itzgerald&Woods模型的其余三種通風(fēng)模式均可能出現(xiàn)熱分層界面上移或下移越過穩(wěn)態(tài)熱分層界面的現(xiàn)象。對(duì)通風(fēng)模式一而言，在室內(nèi)初始浮升力小于臨界值的條件下，室內(nèi)原有熱空氣層的上界面將下移越過穩(wěn)態(tài)熱分層界面，且無量綱的有效通風(fēng)面積或室內(nèi)初始浮升力越小，該現(xiàn)象越明顯。通風(fēng)模式三和通風(fēng)模式四的熱分層界面會(huì)上移越過穩(wěn)

7、態(tài)熱分層界面，且室內(nèi)初始浮升力越大，該現(xiàn)象越顯著。
　　 對(duì)室內(nèi)初始溫度高于室外溫度條件下的瞬態(tài)自然置換通風(fēng)過程，其初始通風(fēng)量與有效通風(fēng)口面積A*、房間高度H、室內(nèi)初始溫度T0和室外溫度Ta有關(guān)，且與前三個(gè)參數(shù)成正比，與室外溫度成反比。穩(wěn)態(tài)通風(fēng)量則取決于A*、H和B0，并與它們成正比。除通風(fēng)模式一的初始通風(fēng)量可能小于穩(wěn)態(tài)通風(fēng)量外，其余三種通風(fēng)模式的初始通風(fēng)量均大于穩(wěn)態(tài)通風(fēng)量。增大B0、A*或H均可以提高四種通風(fēng)模式的瞬態(tài)通風(fēng)量，

8、增大S除了可能使通風(fēng)模式一的瞬態(tài)通風(fēng)量減小外，可以使其他三種通風(fēng)模式獲得較大的瞬態(tài)通風(fēng)量。提高室內(nèi)初始溫度T0可以使通風(fēng)模式一、模式二和模式四獲得較大的瞬態(tài)通風(fēng)量，但是提高T0卻可能使通風(fēng)模式三的瞬態(tài)通風(fēng)量由于下降太快而在通風(fēng)開始幾分鐘后反而較小。
　　 參照室內(nèi)初始溫度高于室外溫度條件下瞬態(tài)自然置換通風(fēng)的四種模式的熱分層狀況，給出了室內(nèi)不同區(qū)域的氣態(tài)污染物守恒方程，并聯(lián)立瞬態(tài)通風(fēng)模型，求解得到了典型條件下室內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)氣態(tài)污染

9、物濃度的變化過程。對(duì)室內(nèi)初始溫度高于室外溫度條件下的自然置換通風(fēng)過程，增大A*、減小S或H均可以促進(jìn)室內(nèi)污染物濃度的衰減，增大B0對(duì)通風(fēng)模式三的室內(nèi)污染狀況影響不大，但是有利于其他三種通風(fēng)模式下室內(nèi)污染物濃度的快速下降。提高室內(nèi)初始溫度T0可以加速通風(fēng)模式一、模式二和模式三的污染物濃度衰減過程，但是卻不利于降低通風(fēng)模式四的室內(nèi)氣態(tài)污染物濃度。
　　 根據(jù)理論研究結(jié)果，本文通過實(shí)驗(yàn)測試了典型條件下的自然置換通風(fēng)過程中實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的瞬時(shí)

10、溫度分布和CO2濃度分布，分析了室內(nèi)外初始溫差、通風(fēng)口特性、熱源特性等因素對(duì)瞬態(tài)通風(fēng)過程的影響。結(jié)果表明，室內(nèi)外初始溫差對(duì)通風(fēng)房間的熱分層特性、濃度分層特性、通風(fēng)量變化過程以及通風(fēng)氣流排除污染物的效果均有重要影響。通風(fēng)口面積變化對(duì)室內(nèi)高度方向的最大溫差和頭足部溫差的影響很小，對(duì)室內(nèi)熱分層特性的影響則與室內(nèi)外初始溫差條件有關(guān)。通風(fēng)口面積越大，瞬時(shí)通風(fēng)量越大，污染物排除速度也越快。通風(fēng)口形狀對(duì)通風(fēng)過程中室內(nèi)高度方向的最大溫差及頭足部溫差的影

11、響也較小。通風(fēng)口形狀變化對(duì)室內(nèi)污染物排除效果的影響比較復(fù)雜，實(shí)測結(jié)果顯示，采用豎長形通風(fēng)口有利于室內(nèi)污染物的快速排出。
　　 實(shí)驗(yàn)表明，室內(nèi)熱源功率較大時(shí)，沿房間高度方向的最大溫差和頭足部溫差均較大，但熱源功率的變化對(duì)室內(nèi)熱分層現(xiàn)象產(chǎn)生的影響并不明顯。在室內(nèi)外初始溫差大于零或等于零的條件下(ΔT0≥0)，熱源功率越大，獲得的瞬時(shí)通風(fēng)量亦越大，從而可以改善室內(nèi)污染物的清除效果。但在室內(nèi)外初始溫差小于零的條件下(ΔT0＜0)，提高熱

12、源功率，反而不利于室內(nèi)污染物的快速排除。此外，熱源垂直位置對(duì)室內(nèi)高度方向的最大溫差和頭足部溫差均有明顯影響。熱源位置越高，室內(nèi)上部區(qū)域的溫度梯度越明顯，下部區(qū)域的溫度梯度越小。但熱源位置變化對(duì)瞬時(shí)通風(fēng)量和ΔT0≥0條件下通風(fēng)氣流排除室內(nèi)污染物效果的影響均不明了。在室內(nèi)初始溫度低于室外溫度條件下（ΔT0＜0），提高熱源位置可以加速室內(nèi)污染物的排除。地面熱源的水平位置對(duì)室內(nèi)高度方向的最大溫差和頭足部溫差、室內(nèi)熱分層特性、瞬時(shí)通風(fēng)量以及室內(nèi)污