建筑間鍋爐排煙擴(kuò)散模擬與改善
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邱稼儀1賀啟濱2劉艷華1
1西安交通大學(xué)人居學(xué)院2深圳市建筑科學(xué)研究院有限公司
摘要：本文建立了由四棟建筑和其間的鍋爐煙囪組成的小區(qū)的三維模型，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法模擬計(jì)算了兩種風(fēng)向條件下，該煙囪排煙在建筑間的擴(kuò)散情況。結(jié)果顯示，煙囪排煙對(duì)臨近建筑可能造成嚴(yán)重污染。當(dāng)新建建筑位于煙囪下風(fēng)側(cè)時(shí)，高層建筑的高層部分受污染的程度非常嚴(yán)重，氣體污染物能夠沿建筑壁面向上爬升至頂層。然而，根據(jù)污染物的擴(kuò)散情況，調(diào)整建筑布局可以改善新建建筑物周圍的空氣質(zhì)量。本實(shí)例中通過改變新建建筑物與煙囪的相對(duì)位置，使得建筑附近的污染物濃度大幅度下降。
關(guān)鍵詞：煙囪污染擴(kuò)散特性數(shù)值模擬建筑布局
0 引言
在我國北方寒冷地區(qū)，城市冬季供暖主要有區(qū)域性集中供熱和小區(qū)集中式鍋爐房供熱，某些城市中后者所占比例接近一半。馬雁軍等人研究了不同高度煙囪排放的SO2對(duì)城市大氣污染的貢獻(xiàn)，分析結(jié)果表明，35 m以下煙囪造成的SO2污染的地面濃度占45.8%。劉玉徹研究了不同高度煙囪在不同風(fēng)速、不同穩(wěn)定度情況下SO2的最大落地濃度和落地距離。尤學(xué)一等人的模擬研究發(fā)現(xiàn)，通過合理安排建筑群中各建筑物的位置，可以有效地減少建筑群內(nèi)污染物高濃度的影響區(qū)域。根據(jù)這些研究可知，煙囪與建筑的相對(duì)高度直接決定了鍋爐排煙的污染程度。因此，在分布式供暖的建筑小區(qū)規(guī)劃中，不僅要考慮新建煙囪的高度，也要考慮舊有煙囪是否會(huì)對(duì)臨近新建高層建筑造成污染。
1 計(jì)算模型
1.1物理模型
本文以指導(dǎo)新建筑布局為目的，對(duì)煙囪的排放擴(kuò)散特性進(jìn)行研究。本文的研究對(duì)象包括一棟20 m高的舊建筑、一個(gè)30 m高的舊煙囪和三棟60 m高的擬建新建筑。由于新建筑遠(yuǎn)高于舊煙囪，煙囪極有可能對(duì)擬建新建筑造成污染。小區(qū)的模型如圖1所示，圖中X軸正方向?yàn)闁|，Y軸正方向?yàn)楸�。建筑A為舊有建筑，長(zhǎng)×寬×高=20 m x 10 mx20 m; E是位于建筑A常年風(fēng)向（東風(fēng)）下風(fēng)向的舊有煙囪，高度為30 m;建筑B、C、D為擬建的新建筑，長(zhǎng)×寬×高=20 mx10 m x60 m。
1.2計(jì)算方法及邊界條件
分別計(jì)算東風(fēng)和西風(fēng)兩種條件下，煙囪排煙在建筑間的擴(kuò)散和分布情況。計(jì)算域的選取參考COSTAction 732，人流邊界、頂部邊界和側(cè)邊界的距離均取為5Hmax，出流邊界取為12Hmax，其中H max為60 m。本計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在建筑附近設(shè)置有170 mx170 mx120 m的加密區(qū)域，最小網(wǎng)格尺寸為0.8 m，總網(wǎng)格數(shù)為292萬。
采用雷諾時(shí)均方法，選用標(biāo)準(zhǔn)k-8模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并選擇通用有限速率模型的無反應(yīng)物質(zhì)輸運(yùn)模型，采用SIMPLE算法對(duì)問題進(jìn)行模擬求解，其中的參
2)出流面邊界條件：認(rèn)為出流面的流動(dòng)已充分發(fā)展，設(shè)為自由流動(dòng)邊界。
3)上空面及兩側(cè)面邊界條件：計(jì)算區(qū)域的上空及兩側(cè)設(shè)為對(duì)稱邊界。
4)地面及建筑物壁面邊界條件：路面、墻面及屋頂設(shè)為固體壁面，應(yīng)用壁面函數(shù)法并選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
5)污染源：以煙囪E的頂面為面源，設(shè)為速度入口邊界。以SO2代表煙氣中的氣態(tài)污染物，根據(jù)煙囪出口SO2排放量的國家標(biāo)準(zhǔn)換算，設(shè)置出口處SO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為3.42 e4，排煙速度設(shè)為5m/s，煙氣溫度設(shè)為400K。
2 結(jié)果與分析
2.1初始建筑布局條件下的污染物分布
圖2為Y=36m剖面處SO2的濃度分布云圖。由圖2(a)可以看到，東風(fēng)時(shí)，煙囪排煙對(duì)建筑B造成了嚴(yán)重的污染。由于氣態(tài)污染物的爬墻效應(yīng)，建筑B的東側(cè)墻在垂直方向受到污染的范圍從煙氣出口高度直至樓頂高度。煙氣在掠過樓頂后有所下沉，對(duì)建筑B的西側(cè)也形成了污染，這是由建筑背風(fēng)側(cè)的氣流尾渦造成的。但是此條件下，建筑A并不受污染，這也說明，先前（舊）的建筑與煙囪的位置布局是合理的。由圖2(b)可以看到，西風(fēng)時(shí)，煙囪排煙并未對(duì)下風(fēng)側(cè)的舊建筑A產(chǎn)生影響，說明當(dāng)年的煙囪設(shè)計(jì)高度是合理的。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，建筑高度越來越高，許多建筑物的高度都高于煙囪，煙囪對(duì)建筑周圍空氣環(huán)境的污染不能不重視。該圖中，由于擬建建筑在上風(fēng)側(cè)，此氣候條件下，煙囪的排放對(duì)擬建建筑不構(gòu)成威脅。但是，煙氣有向新建筑B靠近的趨勢(shì)，因此，建筑間保證合理的建筑間距是必要的。另外，煙氣大量飄向建筑A的上空，煙氣中的顆粒物很有可能在此范圍內(nèi)沉降。
圖3給出的是Z=31 m平面上SO2的濃度分布圖�？梢钥吹�，東風(fēng)時(shí)在Z=31 m高度處，即煙氣出口高度附近，污染物隨東風(fēng)向下游擴(kuò)散，威脅建筑B。但在西風(fēng)條件下，煙氣出口附近的煙氣主要擴(kuò)散方向仍是垂直向上，水平方向并無明顯的擴(kuò)散。這說明，上風(fēng)側(cè)新建高層建筑對(duì)西風(fēng)阻擋有利于煙氣高空排放。
圖4給出的是Z=40 m平面上SO2的濃度分布圖�？梢钥吹�，東風(fēng)時(shí)，在距離煙氣出口10m上方，煙氣已經(jīng)大面積向下游擴(kuò)散，建筑B的東側(cè)壁面受到嚴(yán)重污染，若此壁面有開窗，則室內(nèi)人員將吸人大量煙氣。建筑B的南側(cè)壁面不遠(yuǎn)處，也有大范圍煙氣彌漫。西風(fēng)時(shí)，此高度處煙氣的擴(kuò)散范圍仍相對(duì)較小。兩種風(fēng)向條件下，建筑C、D均未受到明顯污染，可見足夠大的建筑間距可以使建筑物本身免受煙氣威脅。
圖5給出的是Z=60 m平面上SO2的濃度分布圖。由圖5(a)可以看到，東風(fēng)時(shí)，在Z=60m處，即新建高層建筑的樓頂高度，煙氣完全覆蓋了建筑B的南側(cè)壁面，對(duì)比圖4可知，若40～60 m高度范圍內(nèi)的樓層在此側(cè)開窗，則室內(nèi)人員將吸人大量煙氣。煙氣甚至越過建筑B向建筑B的西側(cè)漫延，使建筑B的西側(cè)面也受到污染，雖然相較Z=40m高度，煙氣濃度已有明顯下降。由圖5(b)可見，西風(fēng)時(shí)，此高度處煙囪排煙仍未對(duì)建筑B、C、D造成明顯影響，煙氣集中在建筑A的上空。結(jié)合圖3和圖4，可以認(rèn)為由于新建建筑B的阻擋，煙氣的拔高能力增強(qiáng)，但向下游漂移的能力減弱。
2.2建筑布局改進(jìn)與分析
由前面的分析可見，煙囪主要對(duì)其正下游的新建建筑B造成嚴(yán)重污染，因此考慮通過改變煙囪與建筑B的相對(duì)位置，來改善新建建筑B的環(huán)境條件。初始建筑布局條件下的計(jì)算結(jié)果顯示，污染情況嚴(yán)重的是東風(fēng)時(shí)建筑B靠南側(cè)的部分，因此將建筑B向北移動(dòng)5m，使其離開煙囪的東風(fēng)下風(fēng)向。改變布局之后，計(jì)算東風(fēng)工況。
圖6給出的是東風(fēng)條件下布局改變前后Z=35 m平面上SO2的濃度分布圖�？梢钥闯觯ㄖ﨎向北側(cè)移動(dòng)5m之后，流場(chǎng)有所改變，雖然污染物的整體濃度水平未見明顯變化，但其對(duì)擬建建筑物B的影響明顯減弱。在圖示截面中，污染物的擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)離了建筑壁面，順風(fēng)向下游擴(kuò)散，不會(huì)進(jìn)入建筑B的內(nèi)部，說明所做更改方案行之有效�？梢姛焽枧c建筑物的相對(duì)位置影響建筑物周圍的空氣質(zhì)量。
為了分析建筑B周圍SO2平均濃度的變化，在建筑B墻面（近墻1m）處取測(cè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)SO2濃度值。分別在西墻、南墻、東墻外劃分四個(gè)取值區(qū)域( W1~4，S1~4，E1~4)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)取9個(gè)成“米”字分布的點(diǎn)，以9個(gè)點(diǎn)的濃度平均值表征該區(qū)域的濃度水平。測(cè)點(diǎn)的位置示意如圖7。其中圖7(b)標(biāo)示了南墻和東墻外測(cè)點(diǎn)的具體位置，西墻外測(cè)點(diǎn)與東墻外測(cè)點(diǎn)的布置方式相同。
圖8給出的是新舊布局下建筑B各墻面SO2濃度隨高度變化的曲線。由圖可見，改變建筑布局之后建筑B墻面附近的SO2濃度明顯降低，西墻外和東墻外的濃度值已接近0。因此，所提出的改善建議是合適的，可作為此類問題的參考建議。
3 結(jié)論
協(xié)調(diào)好煙囪與新、舊建筑的依存關(guān)系對(duì)于創(chuàng)造良好的小區(qū)空氣環(huán)境非常重要。在舊有建筑與煙囪布局合理的情況下，有必要對(duì)新增建筑的排列布置方式進(jìn)行研究，以避免新增建筑受到舊有煙囪的污染。數(shù)值模擬無疑是解決此問題的理想方法。
本研究的主要結(jié)論如下：
1)煙囪排煙對(duì)臨近建筑有可能造成嚴(yán)重污染，尤其是位于下風(fēng)側(cè)的高層建筑，特別是那些高于煙囪的樓層；
2)在不利風(fēng)向的情況，位于下風(fēng)向的建筑的四面墻壁都可能受到污染，均有若干樓層不可開窗；
3)當(dāng)建筑間距足夠大時(shí)，不沿風(fēng)向排列的建筑不會(huì)受到明顯污染；
4)改變建筑與煙囪的相對(duì)位置可以減輕排煙污染。煙囪遠(yuǎn)離建筑物可使建筑附近的污染物濃度明顯降低。重視建筑布局對(duì)于緩解排煙污染是非常重要的。
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