室内污染物颗粒运动模拟与空调系统优化控制研究

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室内空气品质问题现如今已经成为人们重点关注的问题。无论从暖通空调从业人员的角度还是从普通用户的角度出发,各种各样提高空气品质的解决方案层出不穷。这其中不乏系统科学的解决措施,更有临时起意的无奈之选。从科学研究的角度,对室内空气品质的控制还是应从研究对象一空气污染物的本身出发。本课题的研究对象为室内可吸入颗粒物,包含人体口鼻通过各种行为释放的飞沫气溶胶颗粒、室内可吸入灰尘以及通过通风设备进入到室内的颗粒物。从经典受力模型出发,对飞沫气溶胶颗粒在室内运动时所受各种力的情况进行研究。通过对飞沫气溶胶颗粒喷出与扩散时物理参数的设定,来计算各种力的数量级,确定各力的有效性,使气溶胶颗粒受力模型能与后续的研究工况相匹配。在此基础上,将颗粒运动分为以初速度从口腔喷出与受室内气流组织影响扩散两种情况,确定了飞沫气溶胶颗粒的运动模型。在不同设计工况下确定了不同粒径飞沫气溶胶的最远扩散距离,确定在扩散阶段,飞沫气溶胶颗粒最远可以传播到距离口鼻5米这一安全距离。本课题还将室内外可吸入颗粒物纳为仿真研究对象,并分为无通风、全空气一次回风与风机盘管加新风系统三种通风情况讨论。根据质量守恒原理建立了此三种情况下室内颗粒浓度变化模型,先后确定了房间与空调系统的相关参数,通过记录无机械通风下室内可吸入颗粒物浓度随人员活动的变化情况,可以推算出单位面积下不同人员活动强度的悬浮系数,用以建立后续的浓度集总参数模型。在MATLAB/Simulink平台上进行仿真,以集总参数的方法研究在不同送风参数下室内颗粒浓度的变化情况。最后应用在第二章所确定的最远传播距离概念,分析不同送风参数下可吸入颗粒浓度对室内人员的影响。又根据模拟结果提出了基于设备运行调节的室内可吸入颗粒物浓度控制策略,即优先提高回风过滤器效率、降低送风温度与提高通风换气次数的控制策略。为了使可吸入颗粒浓度的集总参数模型能更加良好地反应处室内各处的浓度情况,又利用计算流体力学模拟的方法从分布参数的角度对室内可吸入颗粒浓度进行仿真。首先采用第四章中的方法对空调系统设备进行仿真,在CFD模拟中直接调用设备仿真的结果,获取送风参数作为CFD模拟的边界条件。利用设备端与用户端的协同仿真平台,通过调节空调系统设备参数直接设定CFD模拟的初始条件与边界条件,完成仿真的全部流程,获得室内各处浓度变化等仿真结果,以固定的送风参数为边界条件,分为人员持续说话与打喷嚏或咳嗽两种情况分别进行进行了飞沫气溶胶颗粒运动的非稳态模拟。模拟结果得到了颗粒扩散的轨迹路线,以及房间纵向每隔50厘米截面的浓度分布曲线,飞沫颗粒的扩散距离均在1-5m的范围内呈现衰减趋势,模拟结果与第二章点源扩散距离的计算结果一致性相吻合。
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