邱稼仪1贺启滨2刘艳华1
1西安交通大学人居学院2深圳市建筑科学研究院有限公司
摘要：本文建立了由四栋建筑和其间的锅炉烟囱组成的小区的三维模型，以计算流体动力学的方法模拟计算了两种风向条件下，该烟囱排烟在建筑间的扩散情况。结果显示，烟囱排烟对临近建筑可能造成严重污染。当新建建筑位于烟囱下风侧时，高层建筑的高层部分受污染的程度非常严重，气体污染物能够沿建筑壁面向上爬升至顶层。然而，根据污染物的扩散情况，调整建筑布局可以改善新建建筑物周围的空气质量。本实例中通过改变新建建筑物与烟囱的相对位置，使得建筑附近的污染物浓度大幅度下降。
关键词：烟囱污染扩散特性数值模拟建筑布局
0 引言
在我国北方寒冷地区，城市冬季供暖主要有区域性集中供热和小区集中式锅炉房供热，某些城市中后者所占比例接近一半。马雁军等人研究了不同高度烟囱排放的SO2对城市大气污染的贡献，分析结果表明，35 m以下烟囱造成的SO2污染的地面浓度占45.8%。刘玉彻研究了不同高度烟囱在不同风速、不同稳定度情况下SO2的最大落地浓度和落地距离。尤学一等人的模拟研究发现，通过合理安排建筑群中各建筑物的位置，可以有效地减少建筑群内污染物高浓度的影响区域。根据这些研究可知，烟囱与建筑的相对高度直接决定了锅炉排烟的污染程度。因此，在分布式供暖的建筑小区规划中，不仅要考虑新建烟囱的高度，也要考虑旧有烟囱是否会对临近新建高层建筑造成污染。
1 计算模型
1.1物理模型
本文以指导新建筑布局为目的，对烟囱的排放扩散特性进行研究。本文的研究对象包括一栋20 m高的旧建筑、一个30 m高的旧烟囱和三栋60 m高的拟建新建筑。由于新建筑远高于旧烟囱，烟囱极有可能对拟建新建筑造成污染。小区的模型如图1所示，图中X轴正方向为东，Y轴正方向为北。建筑A为旧有建筑，长×宽×高=20 m x 10 mx20 m; E是位于建筑A常年风向（东风）下风向的旧有烟囱，高度为30 m;建筑B、C、D为拟建的新建筑，长×宽×高=20 mx10 m x60 m。
1.2计算方法及边界条件
分别计算东风和西风两种条件下，烟囱排烟在建筑间的扩散和分布情况。计算域的选取参考COSTAction 732，人流边界、顶部边界和侧边界的距离均取为5Hmax，出流边界取为12Hmax，其中H max为60 m。本计算采用非结构化网格，在建筑附近设置有170 mx170 mx120 m的加密区域，最小网格尺寸为0.8 m，总网格数为292万。
采用雷诺时均方法，选用标准k-8模型进行稳态计算，并选择通用有限速率模型的无反应物质输运模型，采用SIMPLE算法对问题进行模拟求解，其中的参
2)出流面边界条件：认为出流面的流动已充分发展，设为自由流动边界。
3)上空面及两侧面边界条件：计算区域的上空及两侧设为对称边界。
4)地面及建筑物壁面边界条件：路面、墙面及屋顶设为固体壁面，应用壁面函数法并选取标准壁面函数进行计算。
5)污染源：以烟囱E的顶面为面源，设为速度入口边界。以SO2代表烟气中的气态污染物，根据烟囱出口SO2排放量的国家标准换算，设置出口处SO2的质量分数设为3.42 e4，排烟速度设为5m/s，烟气温度设为400K。
2 结果与分析
2.1初始建筑布局条件下的污染物分布
图2为Y=36m剖面处SO2的浓度分布云图。由图2(a)可以看到，东风时，烟囱排烟对建筑B造成了严重的污染。由于气态污染物的爬墙效应，建筑B的东侧墙在垂直方向受到污染的范围从烟气出口高度直至楼顶高度。烟气在掠过楼顶后有所下沉，对建筑B的西侧也形成了污染，这是由建筑背风侧的气流尾涡造成的。但是此条件下，建筑A并不受污染，这也说明，先前（旧）的建筑与烟囱的位置布局是合理的。由图2(b)可以看到，西风时，烟囱排烟并未对下风侧的旧建筑A产生影响，说明当年的烟囱设计高度是合理的。随着城市建设的发展，建筑高度越来越高，许多建筑物的高度都高于烟囱，烟囱对建筑周围空气环境的污染不能不重视。该图中，由于拟建建筑在上风侧，此气候条件下，烟囱的排放对拟建建筑不构成威胁。但是，烟气有向新建筑B靠近的趋势，因此，建筑间保证合理的建筑间距是必要的。另外，烟气大量飘向建筑A的上空，烟气中的颗粒物很有可能在此范围内沉降。
图3给出的是Z=31 m平面上SO2的浓度分布图。可以看到，东风时在Z=31 m高度处，即烟气出口高度附近，污染物随东风向下游扩散，威胁建筑B。但在西风条件下，烟气出口附近的烟气主要扩散方向仍是垂直向上，水平方向并无明显的扩散。这说明，上风侧新建高层建筑对西风阻挡有利于烟气高空排放。
图4给出的是Z=40 m平面上SO2的浓度分布图。可以看到，东风时，在距离烟气出口10m上方，烟气已经大面积向下游扩散，建筑B的东侧壁面受到严重污染，若此壁面有开窗，则室内人员将吸人大量烟气。建筑B的南侧壁面不远处，也有大范围烟气弥漫。西风时，此高度处烟气的扩散范围仍相对较小。两种风向条件下，建筑C、D均未受到明显污染，可见足够大的建筑间距可以使建筑物本身免受烟气威胁。
图5给出的是Z=60 m平面上SO2的浓度分布图。由图5(a)可以看到，东风时，在Z=60m处，即新建高层建筑的楼顶高度，烟气完全覆盖了建筑B的南侧壁面，对比图4可知，若40～60 m高度范围内的楼层在此侧开窗，则室内人员将吸人大量烟气。烟气甚至越过建筑B向建筑B的西侧漫延，使建筑B的西侧面也受到污染，虽然相较Z=40m高度，烟气浓度已有明显下降。由图5(b)可见，西风时，此高度处烟囱排烟仍未对建筑B、C、D造成明显影响，烟气集中在建筑A的上空。结合图3和图4，可以认为由于新建建筑B的阻挡，烟气的拔高能力增强，但向下游漂移的能力减弱。
2.2建筑布局改进与分析
由前面的分析可见，烟囱主要对其正下游的新建建筑B造成严重污染，因此考虑通过改变烟囱与建筑B的相对位置，来改善新建建筑B的环境条件。初始建筑布局条件下的计算结果显示，污染情况严重的是东风时建筑B靠南侧的部分，因此将建筑B向北移动5m，使其离开烟囱的东风下风向。改变布局之后，计算东风工况。
图6给出的是东风条件下布局改变前后Z=35 m平面上SO2的浓度分布图。可以看出，建筑B向北侧移动5m之后，流场有所改变，虽然污染物的整体浓度水平未见明显变化，但其对拟建建筑物B的影响明显减弱。在图示截面中，污染物的扩散范围远离了建筑壁面，顺风向下游扩散，不会进入建筑B的内部，说明所做更改方案行之有效。可见烟囱与建筑物的相对位置影响建筑物周围的空气质量。
为了分析建筑B周围SO2平均浓度的变化，在建筑B墙面（近墙1m）处取测点，统计SO2浓度值。分别在西墙、南墙、东墙外划分四个取值区域( W1~4，S1~4，E1~4)，每个区域内取9个成“米”字分布的点，以9个点的浓度平均值表征该区域的浓度水平。测点的位置示意如图7。其中图7(b)标示了南墙和东墙外测点的具体位置，西墙外测点与东墙外测点的布置方式相同。
图8给出的是新旧布局下建筑B各墙面SO2浓度随高度变化的曲线。由图可见，改变建筑布局之后建筑B墙面附近的SO2浓度明显降低，西墙外和东墙外的浓度值已接近0。因此，所提出的改善建议是合适的，可作为此类问题的参考建议。
3 结论
协调好烟囱与新、旧建筑的依存关系对于创造良好的小区空气环境非常重要。在旧有建筑与烟囱布局合理的情况下，有必要对新增建筑的排列布置方式进行研究，以避免新增建筑受到旧有烟囱的污染。数值模拟无疑是解决此问题的理想方法。
本研究的主要结论如下：
1)烟囱排烟对临近建筑有可能造成严重污染，尤其是位于下风侧的高层建筑，特别是那些高于烟囱的楼层；
2)在不利风向的情况，位于下风向的建筑的四面墙壁都可能受到污染，均有若干楼层不可开窗；
3)当建筑间距足够大时，不沿风向排列的建筑不会受到明显污染；
4)改变建筑与烟囱的相对位置可以减轻排烟污染。烟囱远离建筑物可使建筑附近的污染物浓度明显降低。重视建筑布局对于缓解排烟污染是非常重要的。
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