基于Fluent 的通風排氣裝置設置與優(yōu)化探討- 以江蘇大學A 區(qū)為例

陳思涵 王 瑜 吳喜貞

（江蘇大學，江蘇 鎮(zhèn)江212013）

1 概述

改革開放以來，城鄉(xiāng)建設行業(yè)發(fā)展飛快，除新建工程外，改建、擴建工程也很多。由于辦公條件的改善或因建筑功能的改變而增設的衛(wèi)生間都涉及到排氣問題。針對這些問題，有關(guān)專家學者主要對機械排風方法進行研究，總結(jié)出機械排風系統(tǒng)雖然一次性投資較大,但它能適應復雜多變的建筑布局,不受建筑布局和室外氣候限制，也不影響其它設施的正常使用，通風效果比較理想。

國外有醫(yī)學專家甚至認為，密閉的衛(wèi)生間是最容易讓人患癌癥的地方。衛(wèi)生間內(nèi)良好的通風設計，可以稀釋室內(nèi)的污濁空氣濃度，保持室內(nèi)空氣清新，也能避免其他房間得空氣受到影響。因此，了解并改善衛(wèi)生間的通風狀況有著重要的意義。大量試驗研究表明，公共建筑衛(wèi)生間通風設計，應該根據(jù)使用頻率、溫度、排風口布置及通風控制策略等進行考慮，才能夠達到預期目標。最后得出公共建筑衛(wèi)生間機械通風系統(tǒng)設計需要注意的幾個問題：要選用低噪聲、耐腐蝕的排風機，進排風系統(tǒng)管材要求防銹耐腐；當同一個排風系統(tǒng)有多個排氣扇時，在排風支管上設止回閥，或者選擇自帶止回功能的排風扇以防止空氣回流；排風總管人管井處設70°C 防火閥；北方地區(qū)或者濕度較大的衛(wèi)生間排風管道要有一定坡度坡向排風管井，并設計外保溫墻；盡量采用鐵皮風道，禁止采用土建風道。

基于這些研究，我們逐漸把目光集中于學生宿舍樓。在我國大陸地區(qū), 幾乎所有的中學和大學里帶衛(wèi)生間的宿舍都是將衛(wèi)生間設計在朝窗戶側(cè)。學生宿舍作為學生較長時間待的地方,其空氣狀況對學生的健康狀況起著非常重要的作用。目前有的學生宿舍和部分公寓樓衛(wèi)生間由于條件限制沒有安置在負壓側(cè)，導致通風不暢氣味串聯(lián)。衛(wèi)生間是室內(nèi)最易有衛(wèi)生狀況的地方，由于廁所、排水管道及地漏的某些狀況，導致氣味無法快速排出室內(nèi)，散發(fā)出氨氣、硫化氫等對人體健康有害的氣體。眾所周知，氨氣為無色有刺激性惡臭的氣味，會對皮膚、呼吸道和眼睛造成傷害，硫化氫有劇毒，對學生的健康狀況有一定的影響。本文為解決宿舍樓內(nèi)衛(wèi)生間氣味串聯(lián)問題，利用CAD 建模、Fluent 室內(nèi)風場模擬，對衛(wèi)生間的氣流進行模擬，整合信息并對其優(yōu)化以達到解決衛(wèi)生間氣味串聯(lián)的目的。

2 研究過程

2.1 研究對象確定

2.1.1 調(diào)查問卷

我們制作網(wǎng)上調(diào)查問卷，共有410 人參與調(diào)查，只有12%的人認為廁所基本沒有異味，且大多數(shù)人是在宿舍樓里聞到異味。衛(wèi)生間的狀況也是同學們切身經(jīng)歷過的，所以我們調(diào)查是具有真實性和實際參考價值的。

2.1.2 實地考察

我們實地測量了江蘇大學校內(nèi)具有代表性的樓棟內(nèi)衛(wèi)生間：A 區(qū)、B 區(qū)、三山樓，其中，A 區(qū)、B 區(qū)為宿舍樓，三山樓為教學樓。利用測距儀測量并形成了這三處的平面圖以及三維圖。

A 區(qū)為老一區(qū)，住宿環(huán)境較差，衛(wèi)生間為旱廁，沖水裝置為手動式水箱中放水，水的沖擊力不強，且水流經(jīng)過路徑約為5.4 米，造成一些排泄物不能及時沖刷干凈，在旱廁中滯留，產(chǎn)生氨氣等有害氣體。而且衛(wèi)生間無排風裝置，僅有一扇窗戶，只能通過自然通風來進行散味。同時，該衛(wèi)生間沒有安裝在負壓側(cè)，一旦外界風力處于低速時會造成氣味串聯(lián)，整個樓道都充斥著有害氣體。

B 區(qū)為新一區(qū)宿舍樓，衛(wèi)生間為帶有沖水裝置的蹲坑，不會造成排泄物堆積的狀況。雖然僅有一扇窗戶，但通風狀況良好。

三山樓是一棟教學樓，為了給學生提供便利，衛(wèi)生間設有兩排廁所，均為附有沖水裝置的蹲坑。雖然僅有一扇窗戶，但窗戶位于與河邊相隔的馬路對面，通風狀況良好，氣體可以有效排放。經(jīng)過對比，我們發(fā)現(xiàn)A 區(qū)宿舍樓衛(wèi)生間通風狀況是最差的，故選取A 區(qū)衛(wèi)生間為主要研究對象。

2.2 研究原因及目的

衛(wèi)生間是室內(nèi)必不可少的一種空間布局。通過調(diào)查問卷和親身經(jīng)歷，能得到結(jié)論：衛(wèi)生間的氣體的確對學上的生活產(chǎn)生了一定程度的影響。衛(wèi)生間的主要有害氣體是氨氣和硫化氫，低濃度的硫化氫對眼、呼吸系統(tǒng)及中樞神經(jīng)有影響，而吸入少量高濃度的硫化氫可于短時間內(nèi)致命。氨氣可能會使人呼吸不暢，不利于思考和記憶，對免疫力差的人更會產(chǎn)生巨大危害。為了學生的健康，以及為學生提供良好的住宿環(huán)境，我們對衛(wèi)生間的通風排氣方式設置進行研究。我們簡單確定了衛(wèi)生間氣味指數(shù)的等級，進而更好地優(yōu)化管道及排風裝置的設置。下表是我們查閱資料得知衛(wèi)生間氣味指數(shù)等級。（見表1）

表1 衛(wèi)生間氣味指數(shù)等級

根據(jù)前期問卷調(diào)查結(jié)果，參與調(diào)查的同學中52%的同學認為衛(wèi)生間氣味指數(shù)等級達到三級，因此我們將以設計衛(wèi)生間通風方式和排氣扇設置為目標，解決由于衛(wèi)生間異味以及有害氣體無法排除而導致的對人體產(chǎn)生不利影響的問題，重點研究衛(wèi)生間通風口的設置、強制氣流流動裝置的設計以及相應狀態(tài)下衛(wèi)生間內(nèi)空氣流動的分析。

2.3 常見的通風方法分析

自然通風是利用自然風壓、熱壓、空氣溫差、空氣密度差等依靠室外風力造成的風壓以及室內(nèi)空氣溫度造成的熱壓對室內(nèi)進行通風的方式，即被動通風?，F(xiàn)在的住宅中有外窗的衛(wèi)生間大多數(shù)都是利用自然通風來解決排除異味、引進室外空氣等需求，是最節(jié)能環(huán)保的一種通風方式。然而風壓受到天氣、周圍環(huán)境、建筑物設計、室外風向等因素的影響，風壓與熱壓共同作用時，其共同作用可能會相互抵消。因此，利用外窗來進行衛(wèi)生間自然通風的方式雖然簡便，但不能隨時滿足衛(wèi)生間的需求。

機械通風主要是靠風機作為通風的動力，利用機械設備使室外空氣不斷地進入室內(nèi),沿著預定路線流動,將室內(nèi)污染物濃度稀釋到一個低水平后排出。機械通風的排氣扇可以設置在吊頂處，也可以設置在側(cè)墻處。機械排風系統(tǒng)一般是由吊頂排氣扇、風機、支管、主風管、閥門等組成。這種系統(tǒng)效率高，能適應復雜多變的建筑布局，不受室外氣候影響，但是一次性投資大。

混合通風是自然通風和機械通風相結(jié)合。我們認為這是最理想的通風方式。在有外窗的衛(wèi)生間安裝簡單的機械排風系統(tǒng)，可以滿足不同天氣狀況下良好的通風效果，經(jīng)濟有效。

考慮到A 區(qū)衛(wèi)生間的實際情況，我們知道，每個衛(wèi)生間都設置有外窗，是直接與外界環(huán)境相接觸的。但顯然，光有外窗是很難將異味排出，主要是因為很多衛(wèi)生間由于條件限制，沒有安置在負壓側(cè)，導致通風不暢氣味串聯(lián)，而混合氣體通過復雜的化學作用產(chǎn)生對人體有害的氨氣、硫化氫等有害氣體，對人體產(chǎn)生危害。故我們確定最終的通風方式為混合通風。在原有自然通風的基礎(chǔ)上設置機械通風。

2.4 風場模擬以及排風設置

為了確定排氣扇的安裝位置，我們利用fluent 軟件進行風場分析，主要分析無排氣扇以及將排氣扇安裝在不同位置情況下空氣氣流流速以及其對空氣污染物排出的影響。我們將排氣扇設置在窗對面、與門同側(cè)以及門對面，計算模型參數(shù)為：窗內(nèi)外壓差1.5Pa，環(huán)境壓力101325Pa，隔間高度1.6m，窗臺高度1m，排氣扇流量9.5m3/min，排氣扇高度2.5m 且與兩墻之間距離相等，空氣由窗戶進入，在壓差作用下從門及排氣扇流出。

2.4.1 無排氣扇

在無排氣扇的情況下，在窗戶對面上方空間存在一個低速區(qū)?？臻g大部分區(qū)域幾乎沒有壓力梯度，氣體流通性極差，導致氣味聚集不易消耗掉。另外，氣流從門排出去也會導致氣味串聯(lián)。因此有必要安裝排氣扇，既有利于空氣流通，又有助于將氣味收集排出不亂竄。（見圖1、2）

圖1 無排氣扇計算模型

圖2

2.4.2 排氣扇在窗對面

在窗戶對面安裝一個排氣扇后，衛(wèi)生間上方的低速區(qū)范圍明顯變小，氣流有序地從門以排氣扇排出，隔間處氣流的流通效果有所改善但流速較低。（見圖3）

圖3

2.4.3 排氣扇在門側(cè)

把排氣扇安裝在門一側(cè)的墻上，可以發(fā)現(xiàn)衛(wèi)生間內(nèi)靠近門一側(cè)的一半空間氣流流速較大，隔間一側(cè)氣流流速較低。（見圖4）。

圖4

2.4.4 排氣扇在門對面

整體上沒有流速較低的區(qū)域，整個空間內(nèi)的氣流都流動起來，特別是隔間附近的氣流，即氣味集中產(chǎn)生的區(qū)域，氣流可以及時有效地從排風扇排。（見圖5）

圖5

綜上分析可以得出，我們對比了原始狀況與安裝排風扇后的情況。在安裝排氣扇后衛(wèi)生間內(nèi)的氣流流通性明顯改善，低速區(qū)明顯變小，抑制了氣味的聚集，有利于污染物的排出。在對比將排氣扇安裝在不同位置的三種方案時，分析得出：將排風扇安裝在隔間一側(cè)對于衛(wèi)生間空氣流通以及氣味的收集效果最好。

3 總結(jié)與建議

A 區(qū)宿舍衛(wèi)生間應該在隔間一側(cè)安裝排氣扇，管道直接通到室外，不需要太復雜，從而達到減輕衛(wèi)生間異味的目標。對于大多數(shù)衛(wèi)生間來說，為了解決通風問題，盡量將衛(wèi)生間安裝在負壓側(cè)，防止氣味串聯(lián)，同時將排氣扇安裝在門對面可以促進衛(wèi)生間整體空間空氣的流動，使氣流有效地從排風扇排出。當然，排氣管道沿最短路徑進行安裝，節(jié)省空間和人力物力，良好的宿舍環(huán)境是學生學習和生活的保證，衛(wèi)生間環(huán)境的改善會給學生的宿舍生活更好的體驗。