矢流通風(fēng)衛(wèi)生間污染物氣體擴(kuò)散數(shù)值模擬

林豹 彭小勇 陳麗園 吳政江

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)代公共建筑室內(nèi)環(huán)境正日益受到設(shè)計(jì)者和居住者的重視，但公共衛(wèi)生間內(nèi)空氣質(zhì)量、衛(wèi)生環(huán)境卻是最差的部分之一，其主要污染物是水蒸氣及其他不良?xì)怏w[1]。如硫化氫、氨氣、甲硫醇、甲流二醇、乙胺、吲哚，而當(dāng)下對(duì)人體影響最嚴(yán)重的污染物是氨氣和硫化氫。GB50325-2010 要求室內(nèi)氨氣質(zhì)量濃度不得超過(guò) 0.2 mg/m3[2]，工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) TJ36-79 要求生活區(qū)空氣中硫化氫的最高容許濃度為0.01 mg/m3[3]。2020 年，新冠肺炎來(lái)襲，此病毒可通過(guò)糞口傳播途徑的條件為患者糞便中存在具有傳染性的病毒，且病毒通過(guò)糞 -口或糞 -呼吸途徑進(jìn)入并感染其他人體[4]。因此，公共衛(wèi)生間良好的通風(fēng)，不僅有利于如廁時(shí)空氣品質(zhì)的改善，而且還將避免諸如新冠此類病毒的交叉?zhèn)鞑ジ腥?。?guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)公共衛(wèi)生間的污染問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究[5-7]，但是對(duì)于公共衛(wèi)生間的單向矢流形式的氣流組織的研究較少，鑒于衛(wèi)生間對(duì)于建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量，人體健康及新冠病毒等類似病毒交叉感染的控制的重要性，對(duì)公共衛(wèi)生間內(nèi)污染物氣體濃度分布的研究及其控制是非常重要。

1 衛(wèi)生間數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬方法是利用計(jì)算流體力學(xué)原理，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬，本文利用FLUENT 軟件作為數(shù)值模擬的工具，模擬過(guò)程中污染物入口采用組分運(yùn)輸傳輸模型，氣相湍流采用模型?？紤]擴(kuò)散過(guò)程中有浮力驅(qū)動(dòng)的自然對(duì)流影響。運(yùn)用有限容積和SIMPLEC 格式的壓力速度耦合格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解[8-10]。通過(guò)試算比較，以上模型選取可以比較精確的模擬出H2S 和NH3的濃度。

2 單元衛(wèi)生間CFD 模型的建立

根據(jù) 《城市公共廁所設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]建立傳統(tǒng)衛(wèi)生間模型，衛(wèi)生間模型的長(zhǎng)寬高為 1.5 m× 1.2 m× 2.5 m，對(duì)衛(wèi)生間內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，蹲便器為污染源釋放處，為了更加符合真實(shí)情況將其簡(jiǎn)化為 0.35 m× 0.15 m 釋放口，門縫進(jìn)風(fēng)口為0.8 m× 0.05 m，頂部排風(fēng)口為0.3 m× 0.3 m，衛(wèi)生間結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)生間數(shù)值模擬物理模型

3 邊界條件設(shè)置

衛(wèi)生間模型的邊界條件主要包括衛(wèi)生間蹲便器，排風(fēng)口以及門縫。假設(shè)衛(wèi)生間內(nèi)無(wú)其他熱源，圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱。忽略塵埃粒子的質(zhì)量對(duì)氣流的干擾，衛(wèi)生間內(nèi)的污染源的發(fā)塵速率恒定不變。衛(wèi)生間氣流為不可壓縮牛頓流體。氨氣和硫化氫的擴(kuò)散適用于速度進(jìn)口邊界條件，設(shè)置風(fēng)速為 0.1 m/s[12]，氨氣濃度為 1× 10-6kg/m3,硫化氫濃度為5× 10-6kg/m3。門縫設(shè)為自由入口。排風(fēng)口設(shè)為速度出口，速度設(shè)為0.7 m/s(根據(jù)換氣次數(shù)30 次/h 計(jì)算而來(lái))。其他內(nèi)墻邊界條件定義為壁面。

在模擬過(guò)程中操作壓力采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa，衛(wèi)生間內(nèi)環(huán)境溫度為298.15 K，污染物擴(kuò)散面溫度為310.15 K。

4 衛(wèi)生間內(nèi)污染物濃度分布數(shù)值模擬結(jié)果分析與改進(jìn)

4.1 空態(tài)下衛(wèi)生間數(shù)值模擬

4.1.1 傳統(tǒng)衛(wèi)生間模型內(nèi)氨氣和硫化氫數(shù)值模擬結(jié)果分析

從圖2 中可以看出當(dāng)采用頂排風(fēng)的方式對(duì)衛(wèi)生間進(jìn)行通風(fēng)時(shí)，由于排風(fēng)裝置的影響，污染物氣體的密度和熱浮力對(duì)于其擴(kuò)散影響微小，主要驅(qū)動(dòng)力是機(jī)械排風(fēng)，所以衛(wèi)生間內(nèi)氨氣和硫化氫的濃度分布趨勢(shì)類似。從圖中可以看出污染物擴(kuò)散范圍比較大，基本上擴(kuò)散到整個(gè)衛(wèi)生間，在蹲便器附近的污染物濃度較高。圖3顯示，在Z=1 m 平面，氨氣的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.75× 10-7，國(guó)家氨氣質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)限值為 0.2 mg/m3，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.55× 10-7，說(shuō)明當(dāng)衛(wèi)生間采用頂排風(fēng)的方式進(jìn)行通風(fēng)時(shí)，人的呼吸平面Z=1 m 處氨氣濃度嚴(yán)重超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此外整個(gè)衛(wèi)生間氨氣的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.54× 10-7，也是嚴(yán)重超出了限定值，說(shuō)明此通風(fēng)方式下整個(gè)衛(wèi)生間污染物程度較高。

圖2 X=0.6 m 平面氨氣和硫化氫濃度分布云圖

圖3 Z=1 m 平面氨氣和硫化氫濃度分布云圖

結(jié)合圖2、圖3 的濃度分布云圖分析結(jié)果，從衛(wèi)生間的氣流組織角度出發(fā)進(jìn)一步分析頂排風(fēng)方式的特點(diǎn)。從圖4 中可以看出，衛(wèi)生間中間產(chǎn)生了一個(gè)比較大的漩渦，幾乎整個(gè)切面都形成了一個(gè)漩渦，這樣就會(huì)使得衛(wèi)生間內(nèi)的污染物無(wú)法很有效的排出衛(wèi)生間外，使污染物一直殘留在衛(wèi)生間內(nèi)部。

圖4 X=0.6 m 平面氣流組織流線分布圖

4.1.2 衛(wèi)生間進(jìn)、排風(fēng)方式改進(jìn)分析

要使衛(wèi)生間內(nèi)的污染物能夠有效的排出，一個(gè)良好的氣流組織形式是必要的條件。所以本文提出一種單向矢流衛(wèi)生間單元，使衛(wèi)生間內(nèi)的氣流組織形態(tài)為單向矢流。單向矢流潔凈室的送、回風(fēng)形式為側(cè)上角送風(fēng)，對(duì)側(cè)下角回風(fēng)。為了滿足衛(wèi)生間負(fù)壓排風(fēng)的要求，本文采用側(cè)上角為自由進(jìn)風(fēng)口，對(duì)側(cè)下角為負(fù)壓排風(fēng)口。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)魏學(xué)孟等在單向流潔凈室方面做了大量研究[13-14]，提出了矢流潔凈室的設(shè)計(jì)參數(shù)，潔凈室高長(zhǎng)比為0.5～1 之間，扇形送風(fēng)口面積為所在側(cè)墻的0.35 倍，回風(fēng)口面積為送風(fēng)口面積的 1/5～1/6 倍。根據(jù)以上資料，本文對(duì)衛(wèi)生間進(jìn)、排風(fēng)口的位置和形式進(jìn)行改變。保持衛(wèi)生間長(zhǎng)寬高不變、保留門縫、風(fēng)速保持不變、新增進(jìn)風(fēng)口置于側(cè)上角、排風(fēng)口置于對(duì)側(cè)下角（圖5）。進(jìn)風(fēng)口面積為 0.3 m× 1 m，排風(fēng)口面積為0.15 m× 1 m。進(jìn)風(fēng)口采用百葉風(fēng)口，百葉風(fēng)口是空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的一類送風(fēng)口，通過(guò)調(diào)整葉片角度可產(chǎn)生不同的射流。其出流方式有多種形式，對(duì)于具有可調(diào)葉片的百葉風(fēng)口，常見(jiàn)的出流方向?yàn)榛ハ嗥叫械?1 束直出流以及葉片對(duì)稱張開(kāi)形成一定夾角的 3 束出流[15]。具體形式如圖6 所示。

圖5 衛(wèi)生間數(shù)值模擬物理模型

圖6 百葉風(fēng)口模型

4.1.3 模擬結(jié)果分析

從圖7 中可以看出，除了蹲便器周圍的污染物濃度較高以外，衛(wèi)生間內(nèi)剩余90%的地方污染物氣體的濃度顯著改善。圖 8 顯示，Z=1 m 呼吸平面的污染物氣體濃度再一次驗(yàn)證了此種通風(fēng)方式的優(yōu)點(diǎn)，呼吸區(qū)平面的氨氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到10-14，基本上可以忽略不計(jì)。

圖7 X=0.6 m 平面氨氣濃度分布圖

圖8 Z=1 m 平面氨氣濃度分布圖

圖9 顯示，由于單向氣流的抑制作用，衛(wèi)生間內(nèi)的污染物氣體很難向上擴(kuò)散，在蹲便器的上方污染物氣體的濃度很低。此種單向矢流氣流組織，污染物橫向和縱向擴(kuò)散較小，污染物可以從回風(fēng)口迅速排出，是一種比較理想的氣流流態(tài)。

圖9 X=0.6 m 平面氣流組織流線分布圖

4.2 非空態(tài)下衛(wèi)生間數(shù)值模擬

4.2.1 衛(wèi)生間物理模型

以上模擬都是衛(wèi)生間處于空態(tài)情況下進(jìn)行的，但是人在如廁時(shí)，此種通風(fēng)方式的有效性值得驗(yàn)證。將人體模型簡(jiǎn)化，在模擬中采取蹲姿。具體情況如圖 10所示。

圖10 衛(wèi)生間非空態(tài)數(shù)值模擬物理模型

為了得到更好的通風(fēng)效果，本文分別選取了五種不同風(fēng)速分別為 0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s、1.1 m/s、1.5 m/s 進(jìn)行數(shù)值模擬。

4.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

從五種工況模擬情況（圖11）來(lái)看，風(fēng)速為0.5 m/s和 0.7 m/s 時(shí)，在衛(wèi)生間有人的情況下，衛(wèi)生間內(nèi)部中間區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的漩渦，呼吸區(qū)污染物氣體的濃度比空態(tài)時(shí)要高很多。當(dāng)?shù)人俅笥?.7 m/s 時(shí)，衛(wèi)生間內(nèi)部的氣流組織形式比較好，大致呈現(xiàn)斜推式單向矢流。綜上所述，考慮到能耗問(wèn)題，當(dāng)衛(wèi)生間有人使用時(shí)的最佳風(fēng)速應(yīng)為0.9 m/s。

圖11 X=0.6 m 不同風(fēng)速時(shí)平面氣流組織流線分布圖

5 結(jié)論

1）當(dāng)衛(wèi)生間采用機(jī)械排風(fēng)時(shí)，由于排風(fēng)裝置的影響，污染物氣體的密度和熱浮力對(duì)于其擴(kuò)散影響微小，主要驅(qū)動(dòng)力是機(jī)械排風(fēng)，衛(wèi)生間內(nèi)密度小的氨氣和密度大的硫化氫的濃度分布趨勢(shì)類似。

2）相比傳統(tǒng)頂排式的衛(wèi)生間，側(cè)上角為自由進(jìn)風(fēng)口，對(duì)側(cè)下角為負(fù)壓排風(fēng)口的通風(fēng)方式能讓衛(wèi)生間內(nèi)的污染物氣體濃度大大降低，但是由于氣流組織形式?jīng)]呈現(xiàn)出單向矢流狀態(tài)，導(dǎo)致衛(wèi)生間內(nèi)某些區(qū)域污染物氣體濃度還是較高。

3）將進(jìn)風(fēng)口改變成0°、4 5°、1 5°三束流的百葉進(jìn)風(fēng)口，能使衛(wèi)生間內(nèi)的氣流組織形式形成單向矢流，同時(shí)衛(wèi)生間內(nèi)污染物氣體濃度顯著改善。呼吸區(qū)平面的污染物氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了10-14 級(jí)別，基本上可以忽略不計(jì)。

4）當(dāng)衛(wèi)生間有人使用時(shí)，綜合各方面因素的最佳風(fēng)速應(yīng)為0.9 m/s。