送風方式與速度耦合對臥室內(nèi)甲醛濃度分布的模擬分析

趙濤杰，劉澤勤

(1.冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300134；2.天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134；3.天津商業(yè)大學 機械工程學院，天津 300134)

1 引言

隨著城市現(xiàn)代化快速的發(fā)展，人們對普通住宅進行二次裝修日趨普遍[1]。裝修也帶來了一系列環(huán)境問題[2]，如用于黏合家具的膠黏劑主要成分為甲醛[3,4]，所以新裝修房屋中室內(nèi)甲醛污染嚴重[5]。人如果長時間處于甲醛環(huán)境中，會損害身體健康，嚴重的會致癌[6～8]。故分析室內(nèi)采用哪種通風方式和送風速度對降低室內(nèi)甲醛的含量至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)學者針對室內(nèi)甲醛的擴散規(guī)律做了許多的研究。李耀東等[9]通過CFD模擬不同氣流組織下，分析臥室內(nèi)的氣流組織和甲醛質(zhì)量濃度分布，結(jié)果表明：異側(cè)上送下回的送風方式，臥室內(nèi)床頭位置甲醛含量較低，受氣流組織的影響甲醛分布比較均勻。于水等[10]運用軟件Airpak模擬了不同通風方式對室內(nèi)污染物的擴散影響。分析得出：頂送下回的送風方式能夠有效的降低室內(nèi)污染物，適當增加送風量對去除室內(nèi)污染物效果更加顯著。陸夢華等[11]模擬了同側(cè)上送下回和異側(cè)上送下回兩種送風方式下，室內(nèi)的甲醛質(zhì)量濃度分布。分析表明：同側(cè)上送下回比異側(cè)上送下回的送風方式更加能夠有效地降低室內(nèi)的甲醛質(zhì)量濃度。目前大多數(shù)的研究多為對比不同送風方式在單一送風速度工況下的影響研究，少有研究考慮到送風速度變化，對結(jié)論產(chǎn)生的影響。鑒于此，本文采用數(shù)值模擬的形式，將送風速度和多種送風方式進行耦合，采用控制變量法研究不同送風方式和不同送風速度下臥室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度分布和速度分布情況。探究送風方式和送風速度對臥室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度分布的影響，為后期房間的通風優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 數(shù)值模擬計算

本文模擬的臥室三維模型如圖1所示，臥室尺寸為5.1 m×3.6 m×3 m；床的尺寸為2.2 m×2 m×0.5 m；床頭柜尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m；衣柜1.8 m×0.6 m×2 m。設(shè)定甲醛污染物僅從衣柜外表面揮發(fā)出來，通過改變通風方式和送風速度來降低室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度。3 種送風方式的風口尺寸及位置見表1。模擬臥室中不同工況的邊界條件及參數(shù)設(shè)置見表2。

表1 3 種送風方式的風口尺寸及位置

表2 邊界類型及參數(shù)

圖1 臥室的幾何模型

3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

由于3 種送風方式的模型尺寸相同，因此選擇置換通風的送風方式進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。設(shè)定工況為：v=1.2 m/s，T=300 K。擬用1004181、2274495 和3946826三種網(wǎng)格數(shù)，選取x=4.15 m，y=2.7 m直線上不同高度處的速度和甲醛質(zhì)量濃度的分布來驗證網(wǎng)格的無關(guān)性驗證。不同網(wǎng)格數(shù)量下觀測點的速度分布和甲醛質(zhì)量濃度分布如圖2(a)、圖2(b)所示。

根據(jù)圖2分析結(jié)果，本文采用網(wǎng)格數(shù)為2274495網(wǎng)格進行數(shù)值模擬，并對進、出風口區(qū)域及甲醛散發(fā)源網(wǎng)格進行局部加密。

圖2 網(wǎng)格獨立性驗證

4 模擬結(jié)果與分析

由于臥室中的床高為0.5 m，人平躺呼吸的高度約為0.2 m。因此擬選定截面z=0.7 m(人休息時呼吸高度)和截面z=1.8 m(人站立時呼吸高度)來分析臥室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度分布情況，將送風速度設(shè)定為1.2 m/s，對臥室內(nèi)速度分布和甲醛質(zhì)量濃度分布進行分析。

置換通風方式下的速度云圖和甲醛質(zhì)量濃度云圖如圖3和圖4所示。由圖3可知，空調(diào)風從底部送風口射流進入臥室，使得臥室底部速度較大。到達后墻在床和衣柜之間形成漩渦，使得截面z=0.7 m上部速度較大。隨著空調(diào)風從底部送風口進入臥室，受到重力的作用，臥室底部充滿了新鮮的空氣，使臥室底部氣流分布較為均勻。截面z=0.7 m其他位置速度分布較為均勻。最終氣流從臥室下部往上運動，由出風口排出。由圖4可知，氣流從臥室下部往上運動，從衣柜釋放出的甲醛隨氣流方向擴散，導致截面z=0.7 m的甲醛質(zhì)量濃度比z=1.8 m要高。

圖3 置換通風方式下速度(m/s)

圖4 置換通風方式下甲醛質(zhì)量濃度(mg/m3)

頂送下回通風方式下的速度云圖和甲醛質(zhì)量濃度云圖如圖5和圖6所示。由圖5可知，空調(diào)風由上部送風口進入房間，直接吹到床面上，導致截面z=0.7 m和z=1.8 m的中間部位氣流速度較大。當氣流到達床面后，一部分氣流流向回風口，一部分氣流在臥室內(nèi)循環(huán)，使得截面z=0.7 m和z=1.8 m上速度分布不均。由圖6可知，沿送風口送風的方向甲醛質(zhì)量濃度最低，主要是由于送風口輸入新風的速度較大；再加上空調(diào)風直接作用于床面上，床面上的速度相對較大，導致床周圍的甲醛質(zhì)量濃度相對較低。同時衣柜作為甲醛散發(fā)源，受到氣流組織的影響，在衣柜的周圍易形成漩渦，造成截面z=0.7 m和截面z=1.8 m右側(cè)甲醛質(zhì)量濃度要明顯高于左側(cè)，甲醛不易擴散。

圖5 頂送下回方式下速度(m/s)

圖6 頂送下回方式下甲醛質(zhì)量濃度(mg/m3)

異側(cè)上送下回通風方式下速度云圖和甲醛質(zhì)量濃度云圖如圖7和圖8所示。由圖7可知，空調(diào)風從前墻上部的進風口進入臥室，氣流會達到后墻，由于后墻的阻礙作用，氣流向著后墻的四周進行擴散，造成截面z=0.7 m和z=1.8 m的上部風速比較大，下部比較小。隨著氣流的擴散，空調(diào)風從后墻的回風口排出。由圖8可知，空調(diào)風由前墻的進風口直接作用到衣柜上，甲醛隨著氣流進行擴散，所以沿著氣流方向的甲醛質(zhì)量濃度比較低。但是隨著氣流速度衰減所攜帶的甲醛持續(xù)積累，甲醛質(zhì)量濃度不斷增加，造成截面z=0.7 m和截面z=1.8 m上的甲醛含量相比于其他兩種送風方式要高一些。

圖7 異側(cè)上送下回方式下速度(m/s)

圖8 異側(cè)上送下回方式下甲醛質(zhì)量濃度(mg/m3)

圖9～11是采用不同送風方式下速度分別為0.4、0.8、1.2、2.0 m/s時在截面z=0.7 m和z=1.8 m的平均甲醛質(zhì)量濃度柱狀圖。

由圖9可知，當送風速度由0.4 m/s增至2.0 m/s時，置換通風截面z=0.7 m和z=1.8 m上平均甲醛質(zhì)量濃度相對較低。這說明置換通風相比其他兩種送風方式能夠有效地降低室內(nèi)的甲醛含量。并且當送風速度增大的時候，截面z=0.7 m和z=1.8 m上的甲醛質(zhì)量濃度，總體上呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，送風速度為0.8 m/s時，截面上的平均甲醛質(zhì)量濃度最低。這說明了針對置換通風適當?shù)卦黾铀惋L速度可以降低室內(nèi)甲醛含量，當送風速度增加到一定數(shù)值時，受氣流組織的影響，會使擴散的甲醛隨著氣流由底部向上擴散。

圖9 置換通風不同平面的平均甲醛質(zhì)量濃度

由圖10可知，頂送下回的通風方式下，當送風速度由0.4 m/s增至2.0 m/s時，截面z=0.7 m和z=1.8 m上的平均甲醛質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，并且兩者相差較大。這主要是由于空調(diào)風從進風口直接作用在床上，氣流沿著床面進行擴散，造成床面的風速度較大，甲醛質(zhì)量濃度較小，故截面z=0.7 m上的平均甲醛質(zhì)量濃度相對較低。同時由于氣流到達床面進行擴散時，一部分從回風口流出，一部分在衣柜和床之間形成漩渦，會形成甲醛聚集現(xiàn)象。故截面z=0.7 m和z=1.8 m上的平均甲醛質(zhì)量濃度兩者相差較大。

圖10 頂送下回不同平面的平均甲醛質(zhì)量濃度

由圖11可知，異側(cè)上送下回的通風方式下，當送風速度由0.4 m/s增至2.0 m/s時，截面z=0.7 m和z=1.8 m的平均甲醛質(zhì)量濃度相差最小，并在不同的送風速度下，不同截面上的平均甲醛質(zhì)量濃度相差不大。這說明了在不同的送風速度下采用異側(cè)上送下回的通風模式，臥室內(nèi)的氣流組織更加均勻。

圖11 異側(cè)上送下回不同平面的平均甲醛質(zhì)量濃度

5 結(jié)論

對二次裝修的臥室進行數(shù)值模擬，設(shè)定其他條件不變，僅改變送風速度分別對比不同的送風方式下的氣流組織分布和甲醛質(zhì)量濃度分布。

(1)其他條件不變，僅改變送風速度時，置換通風方式下截面z=0.7 m和z=1.8 m的甲醛質(zhì)量濃度相對較低，說明采用置換通風的送風方式能有效降低臥室內(nèi)的甲醛質(zhì)量濃度，當送風速度為0.8 m/s時對降低室內(nèi)甲醛的效果最佳。其次是異側(cè)上送下回。其中頂送下回雖能夠有效降低截面z=0.7 m和z=1.8 m的甲醛質(zhì)量濃度，但會造成床面位置氣流組織不均勻，甲醛質(zhì)量濃度分布明顯分層，吹風感較強。同時此種送風模式受氣流組織和空間位置的影響，會阻礙甲醛的排出，使其除醛效果較差。

(2)其他條件不變，僅改變送風速度時，異側(cè)上送下回相比較其他兩種送風方式臥室內(nèi)氣流組織分布更加均勻。同時由甲醛擴散受到氣流組織的影響可知，臥室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度在截面z=0.7 m和z=1.8 m上分布相比較其他兩種送風方式比較均勻且分層明顯。

(4)其他條件不變，僅改變送風速度時，置換通風采用0.8 m/s送風速度對降低室內(nèi)甲醛的效果最佳，異側(cè)上送下回采用不同的送風速度使得臥室內(nèi)的氣流組織更加均勻，舒適度較高。上述結(jié)論為后期房間的通風優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。