PDF《民居 CO 中毒事件气象条件分析及数值模拟》

第26卷 第 1期

2 0

1 0年 2月 气象与环境学报JOURNALO FME T E O R O L O G YA N DE N V I R O N ME N T V o l .

2 6N o .

1 F e b r u a r y2

0 1

0 收稿日期:

2 0

0 9-

0 8-

2 7 ;

修订日期:

2 0

0 9-

1 1-

2 4 . 基金项目: 国家自然科学基金(

4 0

8 0

5 0

0 4 ) 和长春市科技计划项目(

2 0

0 7 S F

0 8 ) 资助. 作者简介: 谢静芳, 女,

1 9

6 2年生, 正研级高级工程师, 主要从事应用气象研究. 民居 C O中毒事件气象条件分析及数值模拟 谢静芳1 李磊2 郭文利2 应爽1 轩春怡2 (

1 吉林省专业气象台, 吉林 长春

1 3

0 0

6 2 ;

2 北京市气候中心, 北京

1 0

0 0

8 9 ) 摘要: 应用伯努利原理和 C F D应用软件 F L U E N T , 对影响北方民居通风排烟和 C O中毒事件的气象因子进行分析和数 值模拟, 研究基于气象条件的 C O中毒事件预警方法.结果表明: 影响民居通风排烟的气象条件主要有风速、 气温( 室内外温度 差) 、 变压和相对湿度等.其中风速是影响通风排烟和 C O中毒的主要气象因素;

在弱风条件下, 室内外温度差和气压的变化对 通风排烟也有重要影响.在上述工作基础上, 建立了民居通风排烟气象指数的计算方法和基于气象条件的 C O中毒事件预警 方法, 经检验该方法对中毒事件有一定的预警能力. 关键词: 居民 C O中毒;

气象条件;

数值模拟;

预警检验 中图分类号: P

4 5

6

7 文献标识码: A 文章编号:

1 6

7 3-

5 0

3 X (

2 0

1 0 )

0 1-

0 0

6 3-

0 6

1 引言 在我国北方城郊和县镇, 有大量居民日常生活 和冬季取暖依靠燃煤, 每年冬季都有 C O中毒死亡事 件发生.2

0 0 6年 2月

1 3日, 吉林省延边州发生 C O 中毒事件, 医院确诊中毒

2 9 1人、 死亡

1 6人.同日, 黑龙江省牡丹江市中毒

1 1 2人、

1 4人死亡, 安徽合肥 市中毒

8 7人、 死亡 4人.C O中毒事件已经成为影 响极为广泛并危及人民生命安全的严重灾害性事 件.大范围或多发 C O中毒事件都与气象等环境因 素的影响有密切关系.薛波[

1 ] 、 张晓云等[

2 ] 对CO中毒事件期间的气象条件进行了统计和相关分析. 谢静芳等[

3 ] 、 路屹雄等[

4 ] 根据 B e r n o u l l i 原理定义分 析了烟囱抽力, 并对吉林延边 C O中毒事件的气象条 件进行了分析和数值模拟, 在城市建筑物周围和街 道内, 气体的流动及污染物的迁移扩散都受制于建 筑物周围流场和街道峡谷内部的气流运动[

5 -

6 ] .在 房屋这个近于封闭的围护结构中, 其内部气体的流 动( 包括烟气经炉灶和烟道向外排放的过程) , 必然 与自由大气中的气体流动、 污染物扩散等规律有所不 同.本文从成因分析和影响机制入手, 应用伯努利原 理和 C F D应用软件 F L U E N T , 对影响北方民居通风排 烟和 C O中毒事件的气象因子进行分析和数值模拟, 研究基于气象条件的 C O中毒事件预警方法.

2 中毒事件成因及原理分析

2

1 中毒事件成因 C O中毒事件的根本原因是室内 C O污染, 即室 内CO的产生和聚集.煤炭正常燃烧时, 煤烟的成分 主要是 C O

2 、 硫化物、 氮氧化物和粉尘颗粒等.当O2供应不足、 煤炭燃烧不充分时, 则会产生大量的 C O . 居室通风影响氧气供应;

通风和排烟影响室内 C O的 排放.因此, 居室通风不良和排烟不畅是引发 C O中 毒事件的主要原因, 分析 C O中毒事件的影响因素也 就是分析建筑通风排烟影响条件.

2

2 通风排烟原理分析 根据北方民居的特点, 民居由房屋、 炉灶、 烟囱 等构成.房屋底部有一个通风口, 代表门窗缝隙的 通风情况, 它与炉灶和烟囱一起构成房屋的通风和 排烟通道( 图1).当炉灶未燃烧时, 空气的流动和室 图1民居结构示意 内外交换即为通风;

当炉灶燃烧时, 即为通风与排烟 的共同作用. 根据伯努利( B e r n o u l l i ) 原理, 在通风口、 炉灶口 和烟囱口处, 边界条件满足以下方程: P a b+ ρ a b V

2 a b

2 = P i b+ ρ i b V

2 i b

2 P i b+ ρ i b V

2 i b

2 = P s b+ ρ s b V

2 s b

2 P a t+ ρ a t V

2 a t

2 = P s t+ ρ s t V

2 s t ? ? ? ? ? ? ? ? ?

2 (

1 )

6 4 气象与环境学报第26卷 在图 1和以下论述中, P 、 V 、 ρ 和 T分别为气体 的压力、 流速、 密度和温度, 下标 a 、 i 、 s 、 b和t分别表 示室外空气、 室内空气、 烟气、 烟囱( 房屋) 底部和烟 囱顶部. 在烟道内, 气体的流动取决于炉灶与烟囱口之 间的压力差( 烟囱抽力) S , 且有: S = P s b- ( P s t+ ρ s b g H ) (

2 ) 式(

2 ) 中, 当S>

0时, 烟气由烟囱内向外排放, S值 越大, 排烟速度越快、 效果越好. 为简化问题、 便于讨论, 假设: (

1 ) 在通风口处, 风速与通风口平面垂直;

在烟 囱口处垂直风速为零, 且不考虑烟囱口处水平风速 对排烟的影响( V a t=

0 ) ;

(

2 ) 在烟囱高度内, 室外空气密度相等( ρ a b = ρ a t ) ;

(

3 ) 烟道内烟气密度均匀、 速度相等、 温度相等 ( ρ s b= ρ s t , V s b= V s t , T s b= T s t ) . 将式(

1 ) 代入式(

2 ) , 则: S = g H ( ρ a b- ρ s b )+ ρ a b V

2 a b

2 (

3 ) 式(

3 ) 表明: 影响烟囱抽力的因子有风速及与空气密 度有关的温度、 气压、 湿度等因子. 根据式(

1 ) 中第二式可知, 烟气的流速 V s t ( 即Vsb)与通风口气流速度 V i b 成正比, 二者相互联系和 制约.因此, 气象条件的影响也相同.

3 通风排烟影响条件分析

3

1 风速的影响 若不考虑温度和气压变化的影响, 且炉灶不燃 烧, 即: 室内外和炉灶内外的气体温度和密度相同, 则式(

3 ) 进一步简化为: S = ρ a b V

2 a b

2 (

4 ) 由式(

4 ) 可知, 烟囱抽力与风速的二次方成正 比, 风速越大, 烟囱抽力越大, 排烟效果越好.

3

2 温度的影响

3

2

1 烟气温度及其与环境空气温度差的影响 若不考虑风速、 气压变化对通风排烟的影响, 对 于干燥大气 P= ρ R T , 式(

3 ) 可进一步表示为: S = g H ρ a T

0 T a b - ρ s T

0 T ( ) s b = g H ρ a T

0 T a b T s b T s b- ρ s ρ a T ( ) a b (

5 ) 式(

5 ) 中, ρ a =

1

2 9k g / m

3 , ρ s=

1

3 4k g / m

3 分别为 标准状态下干空气和烟气的密度.由式(

5 ) 可知, 烟 囱抽力与烟气和环境空气的温度、 密度有关.烟气 温度越高, 烟囱抽力越大.当Tsb=104Tab时, 烟囱 抽力 S =

0 , 烟囱失效.烟气与空气温度相等或烟道 内温度低于环境空气温度时, S1

0 4 T a b时, 烟气与环境空气温度差越 大, 烟囱抽力也越大. 当炉灶燃烧旺盛时, 烟气温度明显高于环境空 气温度, 即使在夏季也完全能保证满足 S>

0 .调查 结果表明: 在炉子燃烧初期( 生炉子) 和后期( 炉火不 旺或压炉子) 煤烟温度较低时, 容易倒烟.尤其是燃 烧后期, 室内氧气已被大量消耗, 通风不良导致 O

2 供应不足并产生大量 C O , 再加上排烟不畅很容易引 发中毒事件.

3

2

2 室内外温度差的影响 假设炉灶不燃烧时, 烟囱内空气温度与室内空 气温度相同, 式(

3 ) 可表示为: S = g H ρ a T

0 T a b - ρ i b T

0 T ( ) i b = g H ρ a T

0 T a b T i b T i b- ρ i b ρ a T ( ) a b (

6 ) 式(

6 ) 表明: 在热压作用下, 经由门窗和烟囱产 生的室内外空气流通, 与室内外温度差有关.当室 内外空气温度差减小时, 通风效率将显著下降.当 通风口大小不变时, 室内外温度差越大, 通风效果越 好.马超等[

8 ] 的研究和试验进一步表明: 在热压作用 下自然通风的排风体积流量与室内外温度差成正比. 谭刚等[

7 ] 的理论和实验研究证实: 在小风的情 况下, 室内外温度差

2 6℃产生的通风效果与室外 风速增加

0 2m/ s 相当.根据式(

4 ) 和式(

6 ) , 当Tab=-

1 0℃, T i b=

1 0℃即室内外温差为

2 0℃时, 热 压产生的抽力与风速

1 8m/ s 时产生的抽力相当. 这表明: 在弱风条件下, 较大的室内外温度差对保持 通风排烟具有重要作用.延吉中毒事件中, 中毒民 居室内温度明显偏低, 热压产生的通风量只有相邻 正常民居的

1 /

1 2 , 也是导致中毒事件重要因素之 一[

3 ] . 此外, 环境温度升高将使室内外温度差减小, 对 通风排烟不利.尤其是冬末春初天气已经回暖, 升 温时气温更容易接近室内温度, 弱风条件下可能导 致窒息性影响, 这也是严重的 C O中毒事件多发生在 冬末春初的主要因素之一.

3

3 气压及其变化的影响 由于气压在垂直高度上的变化, 对烟囱抽力有 直接影响.假设空气密度在烟囱高度内不变, 则受 气压影响的烟囱抽力为: S = g H ρ a b= g H P a b R T a b (

7 ) 当气温不变时, 气压变化引起的烟囱抽力的变 化为: Δ S = g H P a b R T a b - P a b- Δ P R T ( ) a b = g H Δ P R T a b (

8 ) 由式(

8 ) 可见, 烟囱抽力的变化与气压变化趋势 第 1期 谢静芳等: 民居 C O中毒事件气象条件分析及数值模拟

6 5 相同.气压下降使抽力减小, 不利于排烟, 但气压变 化对烟囱抽力的影响较小.根据式(

7 ) 及对应的室 外气温, 延吉 C O中毒事件期间,

1 2日09时至

1 3日07时, 气压由最高值9906h........