通風(fēng)扇換氣形式對室內(nèi)空氣品質(zhì)影響研究

宋樺

太原市軌道交通發(fā)展有限公司

空氣品質(zhì)好壞直接關(guān)系到人們的身體健康。國內(nèi)學(xué)者通過對室內(nèi)速度場、溫度場、污染物濃度等方面數(shù)值模擬，分析不同通風(fēng)方式對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響[1-2]。許多文章在建模時(shí)均使用理想的方形模型。而住宅中，風(fēng)口一般設(shè)置在某個房間，需要研究整個戶型的空氣品質(zhì)。設(shè)計(jì)的戶型多種多樣，后期裝修中，鑒于空調(diào)成本，選擇即方便又經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣置換顯得尤為重要。本文選擇戶型中通風(fēng)結(jié)構(gòu)較差的“刀型”戶型進(jìn)行模擬，研究室內(nèi)空氣品質(zhì)。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文采用圖1 所示的戶型建立物理模型（圖2）。模型高度為2.8 m，為實(shí)際戶型三室兩廳兩衛(wèi)，面積約為106 m2。南向?yàn)閹в嘘柵_的主臥，次臥、客廳朝北。窗戶均簡化為高1.5 m、寬0.8 m，離樓板高度為1 m。X正向?yàn)楸毕?，Y 負(fù)向?yàn)橹亓Ψ较颉?/p>

圖1 刀字型戶型示意圖

圖2 物理模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

簡化計(jì)算模型，假定房間內(nèi)氣流為不可壓縮流體，湍流流動采用k-ε 方程。

1.3 邊界條件參數(shù)設(shè)置

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件AIRPAK 進(jìn)行三維建模，并對邊界條件進(jìn)行設(shè)置和模型劃分網(wǎng)格。因?yàn)樵诒敬文M中只關(guān)心室內(nèi)空氣品質(zhì)的變化規(guī)律，只研究氣流速度場的變化，在設(shè)置中不進(jìn)行能量方程的計(jì)算[3]。

在廚房窗戶頂部設(shè)置一臺窗式通風(fēng)扇，長0.4 m，寬0.3 m，頻率為50 Hz，在本次模擬中分別取風(fēng)速為2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s，三種類型的通風(fēng)扇風(fēng)速進(jìn)行研究。

房間內(nèi)所有的窗戶邊界定義為自由出流，只將通風(fēng)扇定義為入口邊界或者出口邊界進(jìn)行研究[4]?？紤]到樓道內(nèi)空氣質(zhì)量較差，因此入戶門在本次模擬中均關(guān)閉，不考慮從入戶門處流入房間的空氣。忽略門窗縫隙中的滲透風(fēng)量[5]。

2 模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果對人生活平均高度1.5 m 處的風(fēng)速進(jìn)行比較分析，空氣品質(zhì)采用室內(nèi)空氣齡進(jìn)行研究，此次模型網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量如圖3 所示。從圖3 可以看到網(wǎng)格劃分質(zhì)量較高，有利于模擬計(jì)算結(jié)果的收斂，增加模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 模型網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量

2.1 抽出式排風(fēng)

將通風(fēng)扇設(shè)置為抽出式排風(fēng)模式進(jìn)行數(shù)值模擬，在Y=1.5 m 處，通風(fēng)扇風(fēng)速v=2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s時(shí)風(fēng)速矢量圖如圖4～6 所示，空氣齡云圖具體如圖7～9 所示。

圖4 排風(fēng)v=2.5 m/s 時(shí)風(fēng)速矢量圖

圖5 排風(fēng)v=3.5 m/s 時(shí)風(fēng)速矢量圖

圖6 排風(fēng)v=4.5 m/s 時(shí)風(fēng)速矢量圖

圖7 排風(fēng)v=2.5 m/s 時(shí)空氣齡云圖

圖8 排風(fēng)v=3.5 m/s 時(shí)空氣齡云圖

圖9 排風(fēng)v=4.5 m/s 時(shí)空氣齡云圖

在通風(fēng)扇為抽出式排風(fēng)工況下，從圖4～6 可以看出，室內(nèi)各房間的空氣產(chǎn)生流動，因?yàn)殡S著廚房處排風(fēng)的進(jìn)行，室內(nèi)空氣壓力降低[6]，室外新鮮空氣通過各房間的窗戶流入室內(nèi)，并通過房間內(nèi)門窗的相對位置關(guān)系，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)目諝饬鲃勇窂浇M織，最后匯聚到廚房排出，實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)空氣交換[7]。但從風(fēng)速大小上可以看出，隨著排風(fēng)速度的增加，各房間內(nèi)的風(fēng)速大小變化并不明顯，這是因?yàn)榕棚L(fēng)速度較小，并且圖示為Y=1.5 m 處的風(fēng)速，而排風(fēng)口是在2.7 m 高的位置，排風(fēng)速度的增加對Y=1.5 m 處的風(fēng)速影響較小。從圖7～9 可以看出，隨著通風(fēng)扇排風(fēng)速度的增加，房間整體空氣齡在減少，即房間空氣品質(zhì)在逐漸提高，但不同房間卻有著不同的情況，隨著排風(fēng)速度的增加，客廳空氣齡減小的幅度最大，最為明顯，而主臥和書房內(nèi)的空氣齡減少幅度最小。

2.2 壓入式送風(fēng)

將通風(fēng)扇設(shè)置為壓入式送風(fēng)模式進(jìn)行數(shù)值模擬，在Y=1.5 m 處，通風(fēng)扇風(fēng)速v=2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s時(shí)風(fēng)速矢量圖如圖10～12 所示，空氣齡云圖如圖13～15 所示。

在通風(fēng)扇為壓入式送風(fēng)工況時(shí)，從圖10～12 可以看出，房間氣流組織流動方向與抽出式排風(fēng)工況相反，房間依舊進(jìn)行了空氣置換[8]。而隨著送風(fēng)速度的增加，各房間內(nèi)風(fēng)速變化在Y=1.5 m 處的位置依舊不明顯，與抽出式排風(fēng)工況相比較，生活區(qū)所在的高度Y=1.5 m 處的風(fēng)速受通風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)（排風(fēng)）速度的變化影響較小，可見在住宅中設(shè)置窗式通風(fēng)扇并不影響人們?nèi)粘ι顓^(qū)風(fēng)速的舒適性要求。從圖13～15 可以看出，在此工況下，廚房和客廳的空氣齡最小，并且隨著風(fēng)速的增加，空氣齡逐漸降低。主臥，次臥和書房的空氣齡較大，空氣品質(zhì)較差。

圖10 送風(fēng)v=2.5 m/s 時(shí)風(fēng)速矢量圖

圖11 送風(fēng)v=3.5 m/s 時(shí)風(fēng)速矢量圖

圖12 送風(fēng)v=4.5 m/s 時(shí)風(fēng)速矢量圖

圖13 送風(fēng)v=2.5 m/s 時(shí)空氣齡云圖

圖14 送風(fēng)v=3.5 m/s 時(shí)空氣齡云圖

圖15 送風(fēng)v=4.5 m/s 時(shí)空氣齡云圖

2.3 模擬結(jié)果對比

對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，分別選取主臥及客廳的空氣齡模擬結(jié)果，對其在房間整個高度上的變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果選取通風(fēng)扇風(fēng)速為3.5 m/s 時(shí)，抽出式排風(fēng)和壓入式送風(fēng)工況下，主臥及客廳的空氣齡隨高度的變化情況，如圖16 所示。

圖16 空氣齡隨房間高度變化規(guī)律

從圖16 可以看出，主臥區(qū)域的空氣齡遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于客廳區(qū)域的空氣齡，原因是在圖1 上可見，主臥距離通風(fēng)扇較遠(yuǎn)，進(jìn)風(fēng)（或排風(fēng)）對于主臥產(chǎn)生的影響較小，因此主臥區(qū)的空氣置換程度較小，空氣齡較大，品質(zhì)較差。而客廳距離通風(fēng)扇較近，進(jìn)排風(fēng)對其影響程度大，空氣齡較小，品質(zhì)較優(yōu)；對于主臥，不同的換氣形式對其空氣品質(zhì)影響較大，壓入式送風(fēng)形式形成的空氣品質(zhì)明顯差于抽出式排風(fēng)形式，分析原因可知，壓入式送風(fēng)的原理是要為房間送入新風(fēng)，造成房間內(nèi)壓力增加，形成正壓，從而氣流通過窗戶流向室外。抽出式排風(fēng)的原理是抽出房間內(nèi)的氣體，造成房間內(nèi)壓力減小，形成負(fù)壓，從而氣流通過窗戶由室外流向室內(nèi)[9]。結(jié)合圖8 與圖14 可知，在壓入式送風(fēng)工況下，由于廚房空間有限，大部分的新鮮空氣停留于廚房內(nèi)，造成廚房內(nèi)的空氣品質(zhì)極好，但通過房門流入主臥的空氣較少，從而對主臥房間的增壓效果不明顯，造成主臥房間空氣置換頻率降低[10]。而對于抽出式排風(fēng)工況，廚房易形成負(fù)壓[11]，廚房的負(fù)壓使得主臥陽臺窗戶處空氣置換頻率增加，從而降低主臥的空氣齡，提高了空氣品質(zhì)。

取主臥及客廳Y=1.5 m 處的中心點(diǎn)處的空氣齡在不同換氣形式工況下隨送排風(fēng)風(fēng)速逐漸增大時(shí)的變化規(guī)律，如圖17、圖18 所示。

圖17 主臥空氣齡變化規(guī)律

圖18 客廳空氣齡變化規(guī)律

從圖17、18 可以看出，不同通風(fēng)扇風(fēng)速下，抽出式排風(fēng)形式下室內(nèi)空氣齡均低于壓入式送風(fēng)形式，約為31.15%，即抽出式排風(fēng)形式更有利于提高刀型住宅的空氣品質(zhì)。隨著通風(fēng)扇風(fēng)速每增加1 m/s，各房間的空氣齡平均變化率如圖19 所示。

由圖19 分析可知，壓入式送風(fēng)形式對房間空氣齡的影響較大，空氣品質(zhì)波動較大。抽出式排風(fēng)形式對房間空氣齡影響較為穩(wěn)定，空氣品質(zhì)波動較小。并且從圖中可以看出，抽出式排風(fēng)形式對離排風(fēng)口較遠(yuǎn)的主臥影響程度高于客廳，相反，壓入式送風(fēng)形式對離送風(fēng)口較近的客廳影響程度較大，可見通風(fēng)扇抽出式排風(fēng)形式對離風(fēng)口較遠(yuǎn)的區(qū)域影響較大，而壓入式送風(fēng)形式對離風(fēng)口較近的區(qū)域影響較大。

圖19 空氣齡平均變化率對比

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析，可得出如下結(jié)論：

1）由于空調(diào)成本的較高，在居住的房子內(nèi)安裝窗式通風(fēng)扇可以實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)空氣與室外空氣交換，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。

2）對于刀字戶型住宅，在不影響房間裝修美觀的情況下，將窗式通風(fēng)扇安裝于隱蔽的廚房上部，模擬結(jié)果表明，抽出式排風(fēng)形式比壓入式送風(fēng)形式更加有利于室內(nèi)空氣品質(zhì)的提高，且空氣齡比壓入式送風(fēng)減少31.15%。

3）通過對比不同區(qū)域空氣齡的變化率變化規(guī)律可知，通風(fēng)扇換氣形式中壓入式送風(fēng)對近距離區(qū)域的空間品質(zhì)影響較大，而抽出式排風(fēng)對遠(yuǎn)距離區(qū)域影響較大。