自然置换通风条件下室内空气污染的演化规律研究

摘要

自然通风是人们改善室内环境的重要手段。空气热浮力驱动的自然置换通风是自然通风的一种基本形式，该通风过程经历一段时间的发展后将到达稳定状态。自然置换通风向稳态发展的过程相对于建筑使用阶段来说并不简短，因此该过程对室内热环境和空气污染状况的影响应该引起足够的重视。
　　 本文在已有的瞬态自然通风模型的基础上，通过系统的理论分析，给出了3个描述室内外初始温度相同条件下（ΔT0=0）自然置换通风瞬态过程的改进模型。与已有的Kaye&Hunt模型相比，改进模型认为室内上部的热空气区并非充分混合的，而是由紧靠天花板处温度较高的热空气薄层及其下方的热空气层两部分组成，从而对天花板处的热空气薄层结构和排出空气的浮升力进行了分析和简化。将改进模型的计算结果与文献中的实验数据进行对比后发现，3个改进模型对瞬态通风过程的预测精度均优于Kaye&Hunt模型，其中改进模型三的总体性能又稍好于其他两个改进模型。
　　 利用改进模型三分析了ΔT0=0条件下自然置换通风瞬态过程的热分层特性、热空气浮升力和瞬时通风量随时间的变化规律。结果指出，无量纲的有效通风面积a越小，通风过程中热分层界面下移越过稳态热分层界面的现象越明显，热分层界面的最低高度与稳态高度之间的差值越大，但这一差值相对于空间高度很小。通风过程中，天花板处热空气薄层的厚度将越来越小，其下方热空气层的厚度先快速增加至最大值，后小幅变化。无量纲的有效通风面积越小，通风过程的3个无量纲时间越长。热空气浮升力和瞬态通风量均取决于热源浮升力通量B0、有效通风口面积A*、房间面积S和房间高度H，增加B0、减小S、A*或H均能增大热空气的浮升力，减小S、增大B0、A*或H可以使房间获得较大的通风量。
　　 在对通风房间的气流型式和气流速度进行简化分析的基础上，给出了室内外初始温度相同条件下通风房间内的气态污染物输送模型，并利用该模型对室内外初始温度相等的通风房间的空气污染状况进行了分析。结果发现，室内热空气层的污染物浓度和室内原有冷空气层的污染物浓度均表现为先升高、后快速降低的特征。室外污染物浓度越大，室内污染物浓度的上升阶段越长，瞬时浓度越大。增大B0或减小S有利于改善通风气流对室内污染物的冲刷效果;增大A*或减小H虽然也能使污染物浓度快速变化，但是却会使污染物浓度峰值升高。
　　 针对室内初始温度高于室外温度（ΔT0＞0）的情况，深入分析了Fitzgerald&Woods理论模型中的4种可能的通风模式，进一步明确了其中3种模式中区分不同通风情形的室内初始浮升力δ0的临界值δ0c。并通过分析，给出了四温度层模型、渗透不回流模型等改进理论模型。
　　 对室内初始温度高于室外温度条件下的瞬态自然置换通风过程，除通风模式二外，Fitzgerald&Woods模型的其余三种通风模式均可能出现热分层界面上移或下移越过稳态热分层界面的现象。对通风模式一而言，在室内初始浮升力小于临界值的条件下，室内原有热空气层的上界面将下移越过稳态热分层界面，且无量纲的有效通风面积或室内初始浮升力越小，该现象越明显。通风模式三和通风模式四的热分层界面会上移越过稳态热分层界面，且室内初始浮升力越大，该现象越显著。
　　 对室内初始温度高于室外温度条件下的瞬态自然置换通风过程，其初始通风量与有效通风口面积A*、房间高度H、室内初始温度T0和室外温度Ta有关，且与前三个参数成正比，与室外温度成反比。稳态通风量则取决于A*、H和B0，并与它们成正比。除通风模式一的初始通风量可能小于稳态通风量外，其余三种通风模式的初始通风量均大于稳态通风量。增大B0、A*或H均可以提高四种通风模式的瞬态通风量，增大S除了可能使通风模式一的瞬态通风量减小外，可以使其他三种通风模式获得较大的瞬态通风量。提高室内初始温度T0可以使通风模式一、模式二和模式四获得较大的瞬态通风量，但是提高T0却可能使通风模式三的瞬态通风量由于下降太快而在通风开始几分钟后反而较小。
　　 参照室内初始温度高于室外温度条件下瞬态自然置换通风的四种模式的热分层状况，给出了室内不同区域的气态污染物守恒方程，并联立瞬态通风模型，求解得到了典型条件下室内不同区域内气态污染物浓度的变化过程。对室内初始温度高于室外温度条件下的自然置换通风过程，增大A*、减小S或H均可以促进室内污染物浓度的衰减，增大B0对通风模式三的室内污染状况影响不大，但是有利于其他三种通风模式下室内污染物浓度的快速下降。提高室内初始温度T0可以加速通风模式一、模式二和模式三的污染物浓度衰减过程，但是却不利于降低通风模式四的室内气态污染物浓度。
　　 根据理论研究结果，本文通过实验测试了典型条件下的自然置换通风过程中实验舱内的瞬时温度分布和CO2浓度分布，分析了室内外初始温差、通风口特性、热源特性等因素对瞬态通风过程的影响。结果表明，室内外初始温差对通风房间的热分层特性、浓度分层特性、通风量变化过程以及通风气流排除污染物的效果均有重要影响。通风口面积变化对室内高度方向的最大温差和头足部温差的影响很小，对室内热分层特性的影响则与室内外初始温差条件有关。通风口面积越大，瞬时通风量越大，污染物排除速度也越快。通风口形状对通风过程中室内高度方向的最大温差及头足部温差的影响也较小。通风口形状变化对室内污染物排除效果的影响比较复杂，实测结果显示，采用竖长形通风口有利于室内污染物的快速排出。
　　 实验表明，室内热源功率较大时，沿房间高度方向的最大温差和头足部温差均较大，但热源功率的变化对室内热分层现象产生的影响并不明显。在室内外初始温差大于零或等于零的条件下(ΔT0≥0)，热源功率越大，获得的瞬时通风量亦越大，从而可以改善室内污染物的清除效果。但在室内外初始温差小于零的条件下(ΔT0＜0)，提高热源功率，反而不利于室内污染物的快速排除。此外，热源垂直位置对室内高度方向的最大温差和头足部温差均有明显影响。热源位置越高，室内上部区域的温度梯度越明显，下部区域的温度梯度越小。但热源位置变化对瞬时通风量和ΔT0≥0条件下通风气流排除室内污染物效果的影响均不明了。在室内初始温度低于室外温度条件下（ΔT0＜0），提高热源位置可以加速室内污染物的排除。地面热源的水平位置对室内高度方向的最大温差和头足部温差、室内热分层特性、瞬时通风量以及室内污染物排除速率的影响均很小。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 课题的提出及意义

1．2 自然置换通风理论研究的简要回顾

1．2．1 稳态通风过程

1．2．2 瞬态通风过程

1．3 对已有自然置换通风房间污染状况研究的回顾

1．3．1 Hunt和Kaye的工作

1．3．2 Bolster和Linden的工作

1．4 关于自然置换通风的实验研究

1．4．1 热浮力实验模拟

1．4．2 实验室模型测试

1．5 本课题主要研究内容

2 室内外初始温度相同的瞬态自然置换通风

2．1 自然置换通风瞬态发展过程的理论模型

2．1．1 自然置换通风发展过程的两阶段持续时间的比较

2．1．2 自然置换通风发展过程的改进模型

2．1．3 改进模型与已有模型的比较分析

2．2 自然置换通风瞬态过程的分析

2．2．1 热分层界面高度

2．2．2 特征时间

2．2．3 热浮升力

2．2．4 通风量

2．3 自然通风置换房间的污染状况分析

2．3．1 气态污染物输送模型

2．3．2 室内污染状况的演变过程

2．4 本章小结

3 室内初始温度高于室外条件下的瞬态自然置换通风

3．1 通风模式一

3．1．1 通风模式一的理论模型

3．1．2 通风模式一的瞬态过程分析

3．1．3 通风模式一的室内污染状况分析

3．2 通风模式二

3．2．1 通风模式二的理论模型

3．2．2 通风模式二的瞬态通风量分析

3．2．3 通风模式二的室内污染状况分析

3．3 通风模式三

3．3．1 通风模式三的理论模型

3．3．2 通风模式三的瞬态过程分析

3．3．3 通风模式三的室内污染状况分析

3．4 通风模式四

3．4．1 通风模式四的理论模型

3．4．2 通风模式四的瞬态过程分析

3．4．3 通风模式四的室内污染状况分析

3．5 本章小结

3．5．1 四种通风模式的实现条件

3．5．2 四种通风模式的瞬态通风过程分析

4 自然置换通风过程的实验研究

4．1 实验概述

4．1．1 实验系统

4．1．2 实验方案与步骤

4．1．3 测量仪器

4．2 室内外初始温差对自然置换通风过程的影响

4．2．1 室内初始温度高于室外温度的情形

4．2．2 室内初始温度等于室外温度的情形

4．2．3 室内初始温度低于室外温度的情形

4．2．4 三种室内外初始温差条件下自然置换通风过程的比较

4．3 实验结果与理论预测值的比较

4．4 通风口特性对自然置换通风过程的影响

4．4．1 通风口面积的影响

4．4．2 通风口形状的影响

4．5 热源特性对自然置换通风过程的影响

4．5．1 热源功率的影响

4．5．2 热源位置高度的影响

4．5．3 热源水平位置的影响

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 主要创新点

5．3 后续研究展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢