本报告旨在向研究人员介绍Jacek Hendiger等人于2025年12月在《Sustainability》期刊上发表的一项关于大型室内空间密集危险气体扩散的原创性研究。该研究通过全尺寸案例结合计算流体力学（CFD）模拟与可视化实验，系统评估了不同通风布局对重质气体（以氯气Cl2为模型）控制效果的影响。

一、 研究作者、机构与发表信息

本研究由来自波兰华沙理工大学环境工程学院空调与供暖系的Jacek Hendiger（通讯作者）、Marta Chludzińska和Piotr Ziętek三位研究者共同完成。研究论文题为《大型室内空间密集危险气体扩散的案例研究：基于建模的通风布局分析》（Case Study of Dense Hazardous Gas Dispersion in Large Indoor Spaces: Ventilation Layout Analysis with Modeling），发表于《Sustainability》期刊2025年第17卷第11367页。

二、 学术背景与研究目的

本研究属于室内环境工程、职业健康与安全以及可持续建筑运营的交叉领域，具体聚焦于工业与大型建筑空间的通风控制策略。研究的现实背景是，在许多工业场景（如水处理、车库、化工生产）中，存在比空气密度大、扩散性低的气相污染物，如氯气、硫化氢、液化石油气蒸汽等。这些重质气体在密闭空间内倾向于积聚并滞留在地板附近，形成显著的浓度梯度，严重威胁处于呼吸带的工作人员的健康，并可能引发火灾或爆炸。

尽管先前研究已普遍证实，对于重质污染物，低位排风（靠近地板）的去除效果优于高位排风，且排风效果高度依赖于污染源与排风口之间的距离（即捕集范围），但在实际的大型、高天花板空间应用中，仍存在知识缺口。现有研究多基于较小的实验舱或较高的换气次数（ACH），缺乏在全尺寸、中等通风量条件下，系统分析排风口高度、多级排风布局以及辅助送风协同作用的综合性、定性证据。此外，多级（低、中、高）排风口同时运行的效能及其与辅助送风的组合策略，在大型空间条件下的研究也较为罕见。

因此，本研究旨在填补上述空白，提供基于几何布局优先（而非单纯增加通风量）的设计指导。具体目标包括：（1）量化排风口高度（低、中、高）对重质气体羽流限制效果的影响；（2）评估在总风量不变的情况下，将风量分配至三个同位置不同高度的排风口（协同运行）是否优于单一排风口；（3）定性识别大型空间内有效的捕集半径；（4）确定辅助送风在何种条件下有助于污染物去除，在何种条件下反而会促进混合扩散。研究的最终目的是为降低人员暴露风险、同时避免不必要的通风能耗提供可操作的指导。

三、 详细研究流程

本研究采用了数值模拟与全尺度物理实验相结合的方法，以实现结果的交叉验证和现象的更精确分析。所有测试均在恒定通风量（总排风量12,000 m³/h，对应换气次数约5.1 h⁻¹）下进行，以凸显几何布局的影响。

1. 数值模拟（CFD）流程： * 模拟对象与场景设置： 模拟空间为一个真实的大厅（约20m x 13m x 9m）。研究定义了多种通风配置方案进行对比分析。核心变量包括： * 排风布局： 共设置三个排风格栅，分别位于低（距地板0.37米）、中（3.35米）、高（8.86米）三个高度。测试了四种排风模式：仅低格栅运行（12,000 m³/h）、仅中格栅运行（12,000 m³/h）、仅高格栅运行（12,000 m³/h）、以及三个格栅同时运行（每个4,000 m³/h，总风量仍为12,000 m³/h）。 * 辅助送风： 在上述每种排风模式下，又分别设置了“有”或“无”辅助送风两种子工况。辅助送风采用地板置换式送风器，风量为2,000 m³/h，位于距排风竖井10米处，旨在引导污染物朝向低位排风口运动。 * 污染源： 污染物源为氯气（Cl2，密度2.95 kg/m³），设定为持续释放（0.000125 kg/s，持续180秒）。源被放置于距低位排风口5米的地板上，此距离基于预实验确定为仍能有效捕集的最大距离。 * 模拟方法与模型： 研究使用商业软件ANSYS Fluent 21.R1进行稳态模拟。采用Realizable k-ε湍流模型来描述速度和压力场，并结合欧拉输运模型模拟污染物的扩散。计算网格为包含约250万个元素的无结构化网格，并在关键区域进行了局部细化。几何模型的保真度达到95%，确保了对气流和污染物扩散有影响的主要结构特征均被纳入模型。 * 数据分析流程： 通过模拟获取不同工况下空间内的浓度场、气流组织形态。研究选取了特定时间点（如120秒、240秒、360秒）的100 mg/m³等值面图来展示污染物云的形态和范围。同时，通过监测排风口处的污染物浓度，量化不同排风布局的捕集效能。特别地，对比了有无辅助送风条件下，各排风口（低、中、高）所接收到的最大污染物浓度。

2. 全尺度物理实验流程： * 实验设施与对象： 实验在一个真实的测试大厅（20m × 13m × 9m）中进行，该大厅配备了与CFD模型一致的机械排风系统（三个高度可选的格栅）和辅助送风单元。实验对象为模拟重质气体的“重烟”（经冷却的烟雾），其释放时长与CFD中氯气的释放时长相匹配，以确保过程的可比性。 * 实验方法： 核心研究方法是流动可视化技术。使用烟雾发生器产生重烟以模拟重质污染物的行为，并通过布置在源上方和下层区域的两个摄像机进行同步视频记录，以观察和评估污染物在房间内的扩散情况。 * 测试系列与流程： 实验重复了CFD模拟中的关键工况（对应表1中的案例）。每个测试系列的标准化流程包括：开启相应排风管路的风阀并验证风量（使用孔板流量计测量，最大误差5.3%）；将烟雾发生器定位在污染源点（距排风井5米）；设置摄像机和照明；启动录像设备；释放重烟；记录并观察流动形态；记录观察结果。 * 数据采集与分析： 通过对视频记录的定性分析，评估不同通风配置下污染物羽流的扩散范围、高度、运动方向以及被排风系统捕集的效率。这些观察结果主要用于与CFD模拟的流场图案进行定性对比和验证。

四、 主要研究结果

研究结果清晰地揭示了排风口高度、多级排风布局以及辅助送风对重质气体控制效果的复杂影响。

1. 排风口高度的决定性影响： * 低位排风（案例1）： 效果最佳。污染物从源释放后，被直接引导至低位排风口，扩散被限制在源与排风口之间的小范围区域（约占房间四分之一），且主要聚集在距地板1米高度以内。CFD结果显示，低位格栅入口处的污染物浓度最高。 * 中位排风（案例2）与高位排风（案例3）： 效果显著较差。在中位排风下，污染物向中格栅运动，但扩散面积显著增大（覆盖约50%房间地面），且污染物上升至排风口高度以上。在高位排风下，污染物在地板层内向各个方向扩散，尽管覆盖面积与低位排风相似（约四分之一），但整个房间直至格栅高度的空间都可能被污染，去除效率很低。 * 浓度数据支持： CFD数据显示，无论是否使用辅助送风，低位格栅入口处的污染物浓度（最高达300-350 mg/m³）约为中位格栅（约150 mg/m³）的两倍，是高格栅（<70 mg/m³）的四倍以上。这直接证明了对于地板附近的污染物，低位捕集效率最高。

2. 多级协同排风的优势（案例4与4.1）： * 在总风量不变的前提下，将12,000 m³/h的风量分配至低、中、高三个格栅同时运行（各4,000 m³/h），其控制效果优于单一的中位或高位排风，甚至与单一低位排风（12,000 m³/h）效果相当或略有改善。 * 污染物仍然主要流向低位格栅，但扩散范围被有效限制在源与排风井之间，污染高度约在3-3.5米。CFD浓度图显示，在此配置下，中格栅仅接收到约30 mg/m³的污染物，而上格栅几乎未接收到任何污染物。这表明，即使低位格栅分担的风量减少，它仍能有效捕集地板附近的主要污染层，而中、高层格栅则辅助移除了部分因扩散而上升的污染物，协同作用减少了回流和污染体积。

3. 辅助送风的条件性作用： * 辅助送风并非总是有益的。其效果完全取决于其与排风布局的配合。 * 与低位排风配合（案例1.1）： 当辅助送风（位于源的另一侧）将污染物羽流导向低位排风口时，能进一步聚焦污染物路径，减少其在房间内的扩散，从而加快去除速度，是积极的作用。 * 与中位或高位排风配合（案例2.1与3.1）： 辅助送风往往弊大于利。例如，在中位排风时，送风会扰动地板附近的稳定层，促使污染物更快上升和扩散，虽然可能将羽流限制在更靠近端墙的区域，但总体污染体积和高度可能增加。在高位排风时，辅助送风的改善效果微乎其微。

4. 有效捕集半径的识别： * 全尺度实验观察到，当污染源距离排风口超过约5米时，去除效能会显著下降。这为工程设计提供了一个重要的几何参数：在概念设计阶段，可以采用一个保守的捕集半径（例如≈5米）来布置排风点，确保其捕集区域覆盖潜在的污染源位置。

五、 研究结论与价值

本研究通过全尺寸实验和CFD模拟，得出以下核心结论，对健康保护、人员福祉及通风系统的可持续设计与运行具有重要指导意义：

1. 几何布局优先： 对于重质污染物，排风口的高度是决定性能的关键因素，有效的去除必须依赖近地板处的捕集。仅采用中位或高位排风会增加羽流在大型空间内扩散和混合的风险。
2. 辅助送风需谨慎使用： 定向的地板层送风射流仅在与低位排风配对时有益，此时它能缩短污染物的传输路径并稳定捕集效果。若与中/高位排风结合，辅助送风倾向于破坏地板层，应禁用或严格控制。
3. 多级排风的协同效益： 将多个不同高度的排风口共置于同一竖井区域，能够建立更连贯的气流路径并限制回流，比单一的、非低位的点排风具有更好的鲁棒性。
4. 捕集范围有限： 有效的捕集区域在空间上是有限的。在设计和改造中，排风点的间距应使其捕集区域在潜在污染源附近重叠；可在概念阶段采用保守的捕集半径假设，并针对具体设施进行验证。
5. 通风量与能效： 当捕集几何布局正确时，适中的换气次数（本研究为约5.1 h⁻¹）即可实现保护性能；在不提供低位捕集的情况下单纯增加换气次数，会因混合效应而产生递减甚至负面的回报。应优先考虑几何布局和气流的定向性，然后再考虑增加通风量，从而实现安全与能源性能的统一。

本研究的科学价值在于提供了在恒定、中等通风量下，针对大型高空间几何布局效应的全尺度定性证据，弥补了该领域的研究空白。其应用价值在于为工程师和设计师提供了明确的、基于实证的设计指南：在设计处理重质气体的通风系统时，应首先确保低位局部排风的设置，并合理规划其服务半径；考虑采用共置的多级排风布局以提高系统可靠性；对辅助送风的应用需基于明确的引导目的，避免滥用导致混合加剧。

六、 研究亮点

1. 全尺度与定性可视化结合： 在真实的大型高空间实验室内进行实验，结果更具工程参考价值；结合CFD模拟与烟雾可视化，直观揭示了不同布局下的气流组织和污染物扩散形态。
2. 系统性的布局对比： 不仅对比了传统的单一高度排风，还创新性地评估了总风量不变下“分布式”多级协同排风模式的性能，并明确了其优势。
3. 强调“几何优先”理念： 研究在固定中等通风量的条件下进行，有力证明了优化空间布局（排风口位置、高度、组合）对于控制重质气体比单纯增加风量更为关键和有效，这直接指向可持续的、低能耗的通风设计方向。
4. 明确了辅助送风的双刃剑效应： 详细揭示了辅助送风在何种具体场景下有益、在何种场景下有害，为实践中避免设计误区提供了清晰依据。
5. 提出了实用的设计参数： 基于实验观察定性识别出的“约5米有效捕集半径”，为初步设计提供了简洁的几何参考依据。

七、 其他有价值内容

研究在讨论部分将实验结果与现有标准（如NFPA 55, EN 60079-10-1）和文献结论进行了关联和印证，增强了结论的普适性和权威性。同时，作者也坦率指出了本研究的局限性，如主要为定性研究、未针对具体物质进行绝对浓度标定、仅基于单一空间几何和一种换气次数等，并为未来研究指明了方向：包括使用多高度气体传感器阵列进行定量效率评估、进行参数化的换气次数扫掠研究、测试热分层和瞬态释放下的自适应多级排风控制，以及将CFD与疏散模型耦合以评估风险等。这些对未来工作的展望使得本研究成为一个承前启后的重要节点。