地板送風方式下室內甲醛的擴散模擬研究

徐茜榮，張浩，2，*，王倩，玄克勇

(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101；2.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 濟南 250101；3.保定市建筑設計院有限公司，河北 保定 071000；4.山東林李建筑設計有限公司，山東 濟南 250014)

0 引言

隨著我國經濟水平的不斷提升，人們對居住環(huán)境也提出了更高的要求，高檔、舒適、安全的室內裝修已經成為當代居民的共同追求，隨之而來的就是裝修所帶來的室內污染問題。已有資料顯示，甲醛是裝修過程中產生的主要污染物，如房間內的木制家具、室內裝飾和繪畫等中通常含有較高含量的甲醛[1－3]。因此降低室內甲醛含量是為人們提供安全、衛(wèi)生、舒適的居住環(huán)境的重要舉措。學者們指出，通風不僅可以調控室內溫濕度，而且還可以有效地降低室內污染物的濃度[4－5]。通風的實質就是交換室內外的空氣，加強通風能夠將更多的新鮮空氣供入室內，從而大大降低污染物的含量，改善室內的空氣品質。目前較常采用的通風方式有自然通風、置換通風、地板送風[6]等，文章主要探究采用地板送風來降低室內污染物含量的方式。

目前，許多學者在研究地板送風方式下的室內空氣品質時發(fā)現(xiàn)通風可以方便快速地提高室內空氣的品質。BAUMAN等[7]研究了在下送上回的地板送風工況下的室內速度場和溫度場分布情況，發(fā)現(xiàn)在送風口附近處的風速大，有明顯的吹風感，并且隨著送風速度的減小，房間內溫度會發(fā)生分層。ARENS等[8]通過實驗發(fā)現(xiàn)在地板送風模式下，送風速度較高時，其大小決定了室內溫度的分層程度。SHOKROLLAHI等[9]通過優(yōu)化地板送風系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)較之于傳統(tǒng)送風方式，地板送風可節(jié)能約13.2%，且由于存在垂直溫差和局部對流冷卻，地板送風可以滿足局部熱舒適的要求。潘李丹[10]對比了不同通風方式下室內二氧化碳達到穩(wěn)定所需要的時間，發(fā)現(xiàn)采用地板送風時，室內的二氧化碳濃度場在較短的時間內就能夠達到穩(wěn)定。王倩等[11]對比了夏季不同通風方式下室內甲醛的分布，得出當采用地板送風時室內甲醛的含量更低。

文章結合我國室內環(huán)境污染的現(xiàn)狀，研究了夏季地板通風方式下室內甲醛的穩(wěn)態(tài)擴散過程，利用有限元分析軟件ANSYS模擬室內空氣的速度場、溫度場以及甲醛的濃度場，并據(jù)此提出能夠提高室內空氣品質的措施。

1 地板送風方式概述

地板送風就是指從地面往建筑物內提供具有一定速度的空氣，在新鮮空氣向上流動的過程中，會與污染氣體迅速地摻混在一起，因此該過程會不可避免的產生熱交換，由此達到調節(jié)室內溫度的目的。較之于置換送風，此種方式的風速更大，因此能夠加強室內空氣的混合程度。在制冷系統(tǒng)中采用地板送風時，應將送風溫度設定在17～18℃，并且送風速度不應超過2 m/s。這樣不僅可以降低工作區(qū)和人員活動區(qū)的空氣溫度，還可以保證較高的空氣品質[12－13]。

地板送風方式便于室內人員對建筑物內的局部環(huán)境進行調節(jié)，幫助其及時且高效地將室內的污染物及余熱排出，提高室內的空氣品質。不僅如此，與其他的送風方式相比，在對建筑物進行重新裝修時，采用地板送風的方式可以節(jié)省大量資金。采用地板送風時，新鮮空氣會與送風口周圍的空氣摻混，使地板附近的空氣溫度上升，從而使垂直方向上的空氣溫度梯度降低[14]。較之于傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)，地板送風系統(tǒng)的送風溫度較高，更為節(jié)能，其能耗僅為傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的34%[15]。在應用地板送風系統(tǒng)的房間中，室內的空氣品質和熱舒適性由送風口直接決定，但目前關于如何改善地板送風口性能方面的研究較少，因此地板送風方式并未在我國得到大力推廣。

2 地板送風房間的數(shù)學及物理模型

通過建立相關的控制方程，可以對室內甲醛的分布情況進行數(shù)值模擬?？刂品匠炭梢詼蚀_描述房間內氣體的流動規(guī)律，模擬中涉及到質量、動量和能量三大守恒方程。采用湍流模型模擬房間內的氣流流動。

2.1 數(shù)學模型

2.1.1 基本控制方程

基本控制方程由式(1)表示為

在質量守恒方程中，φ為1、Γ為0、S為0；在動量守恒方程中，φ為分速度ui、Γ為速度u、S為；在能量守恒方程中φ為溫度T、Γ為擴散系數(shù)k/c、S為ST。

所研究房間內的流體是室內空氣與甲醛的混合物，因此采用組分輸運模型對室內甲醛的分布情況進行模擬。組分輸運模型由式(2)表示為

式中u x、u y、u z分別為x、y、z方向的速度，m/s；s(x，y，z)為任意一點的擴散強度；C為甲醛的質量濃度，mg/m3。

2.1.2 湍流模型中的相關方程式(k－ε方程)

湍動能方程(即k方程)，由式(3)表示為

式中k為湍動能；μt為渦粘性系數(shù)；σk為k方程中的湍流普朗特數(shù)；x i、x j分別為i、j坐標位置；G k為由層流速度梯度引起的湍流動能，J；G b為由浮力引起的湍流動能，J；ε為紊動能耗散率；S k為k方程中的源項。

湍流能量耗散率方程(即ε方程)，由式(4)表示為

式中C1ε、C2ε、C3ε為湍流模型系數(shù)，由實驗得到；Sε為ε方程中的源項。

2.2 物理模型

2.2.1 幾何模型建立

選取某采用地板送風的臥室作為研究對象，設定房間尺寸為3.3 m×4.8 m×2.6 m，對房間模型進行簡化，如圖1所示。在此模型中，衣柜和地板為室內散發(fā)甲醛的污染源。各部分的具體尺寸見表1。

圖1 地板送風房間的物理模型圖

表1 房間模型具體設置表

2.2.2 網格劃分

結構化網格劃分的方法適用于內部結構工整、簡單的模型，并且可以很好地控制所生成網格的質量，使計算更易于收斂，結果的準確性也較高。因此，對所建立的物理模型采用結構化網格劃分的方法，如圖2所示。通過網格的獨立性驗證，模型中的地板送風的最少網格數(shù)是54 457，所劃分的網格的尺寸、質量都滿足要求。

圖2 地板送風房間物理模型的網格劃分圖

2.2.3 物理模型的簡化及相關假設

在通過模擬來分析夏季地板送風方式下房間的熱舒適性和室內空氣品質時，為了使所建立的物理模型與研究的房間內實際的氣體流動狀態(tài)更加接近，需要對所建模型做如下簡化:

(1)對室內溫度場、速度場和甲醛濃度場的分析，是在系統(tǒng)達到穩(wěn)定后所進行[16]，因此在模擬中可以將房間內的空氣的流動看作是穩(wěn)態(tài)、具有高紊流雷諾數(shù)的流動過程；

(2)室內空氣、污染氣體甲醛，都可以在模擬中假設為不可壓縮的常物性流體，因為在整個的流動過程中會忽略室內氣體的密度變化，即將其密度視為常數(shù)；

(3)忽略從門縫、窗及墻等位置滲入外部空氣的情況；

(4)不考慮室內其他熱源的影響(如室內人員、燈具、家電的散熱)，并將房間內各壁面看作是壁溫恒定的穩(wěn)態(tài)傳熱過程；

(5)甲醛的擴散過程為單一的物理過程，不會產生化學反應；

(6)不考慮室內墻壁、綠色植物等對甲醛的吸附作用。

2.2.4 邊界條件的設定

在夏季工況下，模擬采用地板送風的房間內甲醛的擴散狀況和室內熱舒適性。

(1)為了能夠給人員活動區(qū)域提供較低的空氣溫度和較高的空氣品質，模擬中設定地板送風的風速為1.25 m/s；

(2)出口處的邊界條件設定為自由出流；

(3)室內的衣柜和地板是甲醛的來源地，采用質量入口(Mass Flow Inlet)邊界條件，設定室內甲醛的釋放強度為7.2×10－12kg/s[17]；

(4)定義溫度邊界條件:窗戶、外墻、內墻和地面的溫度分別為28、26、25、24℃。

3 數(shù)值模擬結果分析

為了更好地探究甲醛的分布情況，在房間內分別選取高度z為0.9、1.2、2.0 m的截面作為典型截面，分別為靠近送風口、人員坐姿呼吸區(qū)和靠近回風口，并以整個房間作為研究對象，探究y方向的甲醛分布和z方向的速度分布。

3.1 典型截面處速度分布

典型截面處速度流線如圖3所示。房間內部沿地板供應的氣流形成了一個逆時針方向的循環(huán)流，而漩渦的產生是由于夾帶射流，房間內部的流動大于從房間中疏散的能力。因此，內部流動必須先“排隊”才能離開房間[18]。地板送風的氣流組織形式為下送上回，所以在下部送風口區(qū)域處具有較高的風速。隨著高度的上升，z方向的風速逐漸降低。在人員活動區(qū)域z為1.2 m處風速較低，室內人員的吹風感較小，會大大提升處于該區(qū)域的人員舒適感。

圖3 典型截面處的速度流線圖

速度分布云圖如圖4所示，地板送風方式只在靠近送風口的位置處具有較大速度，這是由于此處具有較大的卷吸能力，能夠向上卷吸風口附近的空氣，但同時衰減速度也較大。該位置處的送風風速可達約1 m/s，且在此方向上速度的分布較為穩(wěn)定。

圖4 z方向不同高度速度場分布云圖

3.2 典型截面處溫度分布

房間豎直平面上的溫度分布如圖5所示，房間內存在明顯的溫度分層現(xiàn)象。在送風口的位置，冷空氣會與室內的熱空氣摻混，送風氣流所流經區(qū)域內的溫度明顯低于氣流不容易到達的其他區(qū)域的溫度，在遠離送風口處，具有較高的溫度。隨著高度的增加，溫度梯度逐漸減小，這是由于室內熱源人、電腦等主要集中在工作區(qū)，而上方的熱源一般只有照明燈。除送風口處溫度較低之外，室內其他地方的溫度分布較為均勻，該地板送風房間內的溫度維持在296 K(23℃)，能夠滿足室內人員對溫度的要求。

圖5 典型截面處溫度分布圖

3.3 典型截面處甲醛質量分數(shù)分布情況

不同截面在地板送風方式下甲醛質量分數(shù)的分布如圖6所示?？梢杂^察到送風口處的甲醛含量最低，這是因為送風口處的氣流組織較好且在此位置沒有漩渦產生。但在靠近回風口處，由于氣流組織較差，此處甲醛含量較高。室內甲醛的分布情況受到室內流場的影響，在室內存在障礙物(如床、桌子)的地方，氣流會先在水平方向流動，在繞過室內障礙物后才會形成向上流動的氣流，這種氣流會造成室內下方空氣的交叉污染，嚴重時還會在此處形成渦流[19]，所以這些位置處的甲醛質量分數(shù)很高。

圖6 典型截面處甲醛質量分數(shù)分布圖

由此可見，在布置地板送風口時應盡量與室內所存在的障礙物保持距離，并且應盡量使風口靠近外墻，以達到抵消在外圍護結構處所產生的最大負荷的目的；還應合理布置房間內的家具，減少死角的存在，可以很好地排出污染物。

3.4 室內寬度方向甲醛質量分數(shù)分布情況

y方向5個截面(分別為0.8、1.2、1.8、2.4、2.9 m)的甲醛質量分數(shù)分布如圖7所示，左側由于靠近室內污染源衣柜，所以此處的甲醛含量最高。從左至右，與污染源的距離逐漸增大，與室內送風口之間的距離先增大后減小，因而中間處室內甲醛的含量最低。對比圖6和7可以看出，y方向上甲醛的擴散速率大于z方向，這是由于污染物甲醛在高度方向上受到了重力的影響[20]。所以在z方向上，隨著高度的增加甲醛質量分數(shù)的分層會愈加明顯。

圖7 y方向甲醛分布圖

通過向室內引入新風來降低污染物的含量是目前較常采用的凈化建筑物內空氣的方法。但在引入新風的過程中，需要高度注意新風的質與量。應該先過濾新風，再將其送入室內。除此之外，將新風直接送入室內的方式也受到了人們的推崇。因為這些做法都會從根本上減少污染新風的途徑；還應該合理地布置室內的送、回風口，以減少室內的送風死角、提高室內換氣效果。

4 結論

利用ANSYS軟件模擬了地板送風方式下房間中甲醛的擴散情況，得到主要結論如下:

(1)室內甲醛濃度場與室內的速度場和溫度場有關，而且速度場對甲醛濃度場的影響更大；在房間高度方向上甲醛的擴散速率較低，分層現(xiàn)象顯著；在衣柜、床等氣流組織差的地方室內甲醛含量較高，在空氣流速較大、較均勻的地區(qū)甲醛含量較低。

(2)室內空氣由送風口向回風口處流動，在人員活動區(qū)風速適宜，吹風感較小。

(3)地板送風方式下室內存在較明顯的溫度分層現(xiàn)象，在整個房間內會形成不同的局部氣候環(huán)境，但總體的室內溫度能夠滿足人員舒適感的要求。