釋放源位置對郵輪艙室甲醛擴(kuò)散規(guī)律的影響

陳森楊，徐 立，劉 越，夏夢寒，方 揚(yáng)

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

居住艙室是游客在郵輪航行中休息和生活的重要場所，因此艙室的環(huán)境對游客的旅游體驗(yàn)有著重大影響。郵輪居住艙室配置了許多家具,其中不少家具的制造原材料為含有如甲醛等揮發(fā)性有機(jī)化合物的人造板，當(dāng)室內(nèi)甲醛達(dá)到一定濃度時，會引起中毒甚至致癌、致死，因此需要對郵輪艙室的污染物進(jìn)行研究。

由于甲醛等污染物具有毒害作用，因此許多學(xué)者利用CFD軟件來數(shù)值模擬污染物的擴(kuò)散，對其擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究。國外學(xué)者Ioannis K.Panagopoulos[1]等人以公寓為對象，數(shù)值模擬了不同通風(fēng)方案下?lián)]發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)和甲醛污染物在空氣中的分布。吳迪[2]基于CFD模擬技術(shù)，以住宅為對象,對其裝飾材料散發(fā)的甲醛進(jìn)行了模擬研究，從而為減輕甲醛對人體的危害提供了理論依據(jù)。楊小妮[3]等人模擬了釋放源與通風(fēng)速率對室內(nèi)甲醛擴(kuò)散的影響，表明通風(fēng)速率對甲醛擴(kuò)散的影響最大。周唯薈[4]對人造板的VOCs散發(fā)規(guī)律進(jìn)行了研究，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)較為接近。肖楚璠[5]等人模擬了會議室甲醛濃度的變化，結(jié)果表明通風(fēng)可以有效地降低室內(nèi)甲醛的濃度。

基于上述研究，本文采用Airpak軟件數(shù)值模擬郵輪艙室在夏季同一空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)下，艙室內(nèi)家具作為甲醛釋放源在不同擺放位置對其甲醛擴(kuò)散的影響。以期能夠通過家具釋放源的合理擺放來改善室內(nèi)甲醛的濃度，為室內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)及甲醛濃度控制提供理論依據(jù)。

1 模型建立及描述

本文根據(jù)搭建的實(shí)際艙室，經(jīng)簡化后利用Airpak建立的艙室三維模型的示意圖如圖1所示。艙室長7.55 m、寬2.95 m、凈高2.15 m，艙室設(shè)置1個送風(fēng)口，采用頂部送風(fēng)方式；設(shè)置2個回風(fēng)口，分別位于衛(wèi)生間頂部(回風(fēng)口1)和墻壁下方(回風(fēng)口2)。衛(wèi)生間門上距地板0.15 m高度處，設(shè)有一個0.2 m×0.2 m的回風(fēng)格柵。原艙室有單人床、沙發(fā)、茶幾、梳妝臺、衣柜等眾多家具，為了方便研究釋放源的擺放位置對室內(nèi)甲醛擴(kuò)散位置的影響，選取艙室內(nèi)的衣柜與梳妝臺作為甲醛釋放源。

圖1 艙室三維模型示意圖

對釋放源家具進(jìn)行再擺放，得到方案一～方案四平面圖如圖2所示。與方案一相比，各方案只改變家具釋放源的位置，不改變家具的物理模型。各方案物理模型信息如表1所示。

圖2 方案一～方案四平面圖

表1 各方案物理模型信息

2 邊界條件與計(jì)算

在Airpak中建立上述方案的物理模型。室內(nèi)進(jìn)行的是空氣與甲醛耦合的復(fù)雜湍流運(yùn)動，但考慮到送風(fēng)速度不高，將空氣與甲醛氣體均視為不可壓縮的牛頓流體。采用人造板制作的家具，其甲醛散發(fā)選擇一階衰減模型進(jìn)行模擬，散發(fā)速率為5.6×10-7e-7.47×10-7tmg/(s·m2)[3]，其中，t為時間，s；e為自然常數(shù)。艙室內(nèi)天花板、地板、左右墻壁均視為絕熱狀態(tài)，陽臺窗戶熱流密度為270 W/m2，陽臺墻壁設(shè)置為室外溫度32 ℃，入戶門所在墻壁設(shè)置為26 ℃，艙室內(nèi)燈與電視總功率為218 W，艙室設(shè)計(jì)溫度23 ℃。

設(shè)置邊界條件，并經(jīng)過粗、細(xì)網(wǎng)格劃分，再以溫度為參考經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，最終選取4種方案的物理模型網(wǎng)格劃分信息如表2所示。

表2 4種方案的物理模型網(wǎng)格劃分信息

模擬過程中，甲醛濃度隨時間變化而變化，因此本文研究甲醛的擴(kuò)散過程為三維非穩(wěn)態(tài)過程。選取二方程標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行求解，求解精度均保持默認(rèn)。模擬時間為24 h，其中前12 h房間為密閉狀態(tài)，空調(diào)系統(tǒng)不送風(fēng)；后12 h打開空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)處理后的新鮮空氣以1.6 m/s的速度、18 ℃的溫度狀態(tài)送入室內(nèi)。

3 結(jié)果分析

3.1 密閉情況下，艙室內(nèi)甲醛濃度變化規(guī)律

設(shè)各方案中心點(diǎn)為M，密閉情況下，各方案M處甲醛濃度隨時間變化如圖3所示。由圖3可知，在密閉條件下，M(3.8，1.5，1.1)處甲醛濃度在0～6 h內(nèi)，從0開始快速達(dá)到峰值，方案二的峰值濃度為0.476 3 mg/m3，比方案一低7.3%；6 h后濃度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。這是由于初始時室內(nèi)甲醛濃度為零，隨著時間的推移，梳妝臺、衣柜作為釋放源釋放甲醛使其濃度升高，直至達(dá)到峰值；后期濃度降低是因?yàn)榧兹┰谑覂?nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散趨勢比較穩(wěn)定。從圖3還可知，方案一與方案四的M處濃度較為接近且大于方案二與方案三，這是因?yàn)榉桨敢慌c方案四釋放源的位置距離監(jiān)測點(diǎn)M比較近。因此散發(fā)甲醛的家具釋放源在布置時，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離人員密集區(qū)域與經(jīng)?；顒拥膮^(qū)域。

圖3 密閉情況下，各方案M處甲醛濃度隨時間變化

3.2 相同通風(fēng)條件下，艙室內(nèi)甲醛濃度變化規(guī)律

在同一空調(diào)系統(tǒng)與相同的送風(fēng)條件下，獲得房間中心點(diǎn)M處的甲醛濃度隨時間變化的數(shù)據(jù)，相同通風(fēng)情況下，各方案M處甲醛濃度分布如圖4所示。

圖4 相同通風(fēng)情況下，各方案M處甲醛濃度分布

由圖4可知，各方案在M處甲醛濃度分布的走向趨勢一致。在13～18 h內(nèi)，由于空調(diào)送風(fēng)而濃度均大幅降低；在18 h后，室內(nèi)甲醛濃度達(dá)到平衡、趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖3、圖4進(jìn)行分析，得知有效的通風(fēng)能使艙室內(nèi)家具釋放源釋放的甲醛大幅降低，方案一中M在密閉條件下的甲醛峰值濃度為通風(fēng)條件下甲醛穩(wěn)定濃度的18.4倍。隨著空調(diào)系統(tǒng)的開啟，方案一甲醛濃度的下降速度大于其他3個方案，且在穩(wěn)定時，方案一的最低濃度為0.026 8 mg/m3，而方案三的最低濃度為0.062 3 mg/m3，后者是前者的2.3倍。因此艙室環(huán)境和通風(fēng)系統(tǒng)相同時，艙室內(nèi)家具釋放源的擺放位置不同，艙室內(nèi)甲醛濃度分布不同，釋放源離出風(fēng)口近的擺放方案中艙室內(nèi)甲醛濃度較低。

3.3 相同通風(fēng)條件下，不同特征高度處甲醛濃度變化規(guī)律

人體平躺、坐立、站立時鼻孔嘴巴所對應(yīng)的特征高度約為0.7 m、1.2 m、1.7 m[6]。由于甲醛對人體危害巨大，分析人體經(jīng)常活動區(qū)域的特征高度位置的甲醛濃度有重要意義。通過模擬計(jì)算獲得各高度截面處的甲醛平均濃度。相同通風(fēng)情況下，4種方案在不同特征高度處的甲醛濃度分布見圖5。

圖5 相同通風(fēng)情況下，4種方案在不同特征高度處甲醛濃度分布

從圖5可知，在相同的通風(fēng)情況下，各種方案在3個特征高度處的甲醛平均濃度在12～24 h內(nèi)趨勢與中心點(diǎn)M處相同，均在12～18 h內(nèi)快速下降，后逐漸趨于穩(wěn)定。方案一在通風(fēng)1 h后，各特征高度處甲醛濃度均最低，趨于穩(wěn)定時的甲醛濃度也最低。

因此，可知郵輪艙室內(nèi)家具釋放源的擺放位置對甲醛的分布有重要影響。方案一家具釋放源離出風(fēng)口較近，污染物在空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)條件下隨著氣流較快離開室內(nèi)，因此方案一艙室內(nèi)甲醛濃度最低；方案四其次，而方案二與方案三距離出風(fēng)口較遠(yuǎn)，甲醛隨氣流擴(kuò)散至室外較慢，因此艙室內(nèi)濃度高于方案一。

4 結(jié)束語

1)艙室在密閉條件下，家具釋放源會釋放甲醛，并在一定時間內(nèi)達(dá)到峰值。有效的通風(fēng)，可使房間的甲醛濃度稀釋數(shù)倍，從而快速降低艙室內(nèi)甲醛濃度。

2)艙室內(nèi)家具釋放源的擺放位置對艙室內(nèi)甲醛濃度的分布有重要影響，艙室釋放甲醛等污染物的家具盡量擺在便于通風(fēng)且離出風(fēng)口較近的位置，合理地?cái)[放家具釋放源的位置，也可大幅度降低室內(nèi)甲醛濃度。