地板送風模式下的送風角度對室內甲醛擴散的模擬研究

趙濤杰，劉澤勤，董 敏

（1.冷凍冷藏技術教育部工程研究中心，天津300134；2.天津市制冷技術重點實驗室，天津300134；3.天津商業大學機械工程學院，天津300134；4.山東華宇工學院能源與建筑工程學院，山東 德州253071）

隨著生活水平的不斷提高，人們不僅關注社會生態環境的變化，對于室內空氣品質的重視程度在不斷提高。人們入住新房首要考慮的問題便是室內污染物，其中甲醛作為一種毒害極為嚴重的室內污染物一直備受關注[1]，并且甲醛對人體還具有致癌和致畸性的危害[2]。因此明確甲醛的擴散規律，從而保持室內良好的空氣流通對人體身體健康具有很大意義。

近年來，國內許多學者針對室內甲醛的擴散規律做了許多的研究。李耀東等[3]通過模擬多種氣流組織形式下房間內氣流的分布及甲醛質量濃度的分布，分析氣流速度場對甲醛質量濃度場的影響，指出異側上供下回的送風方式比同側上送下回、頂送下回和下送頂回送風形式好，能夠有效影響甲醛質量濃度的分布。張浩等[4]數值模擬了自然通風方式下污染源位置變化對冬季地板供暖房間內甲醛的分布影響，指出地板供暖房間內的流場分布對房間的溫度場及甲醛質量濃度場影響較大；地板供暖房間甲醛質量濃度分布在豎直方向上有明顯的分層現象。王倩等[5]通過數值模擬，指出置換通風方式的房間內的甲醛質量濃度分布主要受室內空氣氣流組織的影響，甲醛質量濃度出現分層現象隨高度增加而增加，在桌子及房間角落由于有漩渦的產生導致局部氣流組織較差，在其附近及回風口位置甲醛質量濃度含量較高。

通過對相關文獻的分析發現，對室內甲醛規律分布的研究報道更多是基于垂直送風的方式，送風角度對如新裝修辦公室的甲醛擴散規律的研究分析報道相對少見。本文以某一典型辦公室為研究對象，采用CFD數值模擬方法分析不同送風角度下辦公室內甲醛質量濃度的擴散規律，為UFAD優化設計提供參考依據。通過數值模擬分析各種工況下甲醛質量濃度和氣流速度分布，確定甲醛對人體危害相對最小的最佳方案，為室內空氣品質的良好設計提供參考依據。

1 數值模擬計算

辦公室的三維簡化模型如圖1所示，模擬房間尺寸為5 m×4 m×3 m；設辦公桌尺寸為1.5 m×2 m×0.8 m，書柜為1.5 m×0.5 m×2 m。模擬房間頂部中心位置設有回風口尺寸為0.6 m×0.6 m，底部設有送風口，與左右墻距離均為0.4 m，甲醛污染物從辦公桌和書柜的外表面揮發出來，通過模擬地板送風的不同送風角度，計算出室內空間甲醛質量濃度分布，得到甲醛質量濃度隨著送風角度的變化呈現不同的分布結果。并且對計算模型假設如下：①室內流體為空氣和甲醛的混合物；②本文假設書柜和書桌為甲醛污染物的釋放源；考慮重力影響，加速度為Z=-9.81 m/s2；③房間其他部分假設絕熱且不透風[6]。

圖1 辦公室三維簡化模型

本課題通過對研究對象的方向，擬采用組分傳輸模型和標準k-ε兩方程的紊流模型對室內甲醛污染物的質量濃度在不同的送風角度下進行數值模擬。以送風速度1.2 m/s和送風角度90°的工況進行網格無關性驗證，圖2給出了網格獨立性驗證的計算結果，發現選取有效網格數為171 117網格時，能格達到獨立性驗證需求。

圖2 網格獨立性驗證

2 送風角度對速度場和甲醛質量濃度分布的影響

為了更好地研究和分析室內甲醛擴散的分布特性以及速度分布，筆者選取了踝關節高度（z=0.1 m）、坐立時呼吸區（z=1.1 m）和站立時呼吸區（z=1.8 m）3個截面進行分析研究。

圖3展示出空調風從送風口按照30°的方向吹出時的模擬工況。氣流按照30°的方向進入房間，使得踝關節（z=0.1 m）高度處速度比較大，速度場分布不均勻。隨著氣流擴散到達前墻，受前墻的阻礙作用，沿送風方向與截面z=1.1 m的接觸位置速度較大，其他位置速度較小。然后氣流在房間內循環，最終從頂部的回風口排出。

由圖4可見，書桌和柜子為甲醛散發源，所以書桌和柜子周圍的甲醛質量濃度最高，結合圖3分析，位于辦公桌上方的氣流組織較差，使得z=1.1 m高度處的中心位置甲醛的質量濃度較高。在靠近送風口的位置和沿著送風氣流的方向氣流組織較好，無渦旋的區域甲醛質量濃度較低。因此30°的送風角度能夠有效降低踝關節（z=0.1 m）高度周圍的甲醛質量濃度，但是針對降低坐立時呼吸區域（z=1.1 m）和站立時呼吸區域（z=1.8 m）甲醛質量濃度的效果較差。

圖3 送風角度30°下不同截面速度云圖

圖4 送風角度30°下不同截面甲醛質量濃度云圖

圖5 展示了空調風從送風口按照60°的方向吹出時的模擬工況。空調風以60°的方向吹出，導致截面z=0.1m、z=1.1 m和z=1.8 m在沿送風位置處的速度梯度較大。相比于圖3可知，送風角度為60°的氣流分布相比于30°的氣流分布更均勻，尤其是截面z=1.1 m和z=1.8 m處氣流分布更加均勻。

由圖6可見，書桌和書柜周圍的甲醛質量濃度最高。結合圖5分析，送風角度為60°時房間內的氣流分布相對均勻，使得在z=1.1 m和z=1.8 m高度的中心截面上，甲醛質量濃度相比較于圖4更低。特別是截面z=1.1 m的中心位置，甲醛質量濃度擴散的速度更快。因此，送風角度為60°時，不僅能夠較好地控制踝關節（z=0.1 m）高度周圍的甲醛質量濃度，而且也能降低坐立時呼吸區域（z=1.1m）和站立時呼吸區域（z=1.8 m）處的甲醛質量濃度。

圖5 送風角度60°下不同截面速度云圖

圖6 送風角度60°下不同截面甲醛質量濃度云圖

圖7展示了空調風從送風口按照90°的方向吹出時的模擬工況，根據圖7中截面z=0.1 m、z=1.1 m和z=1.8 m可知，在靠近送風口一側的氣流速度相對較大，而送風口相對的一側氣流速度較小，特別是在書柜和辦公桌之間的位置，氣流速度更慢。

圖7 送風角度90°下不同截面速度云圖

由圖8可見，辦公桌和書柜周圍甲醛質量濃度最高，特別是在書柜和辦公桌之間的位置氣流流動很小，從而導致了在書柜和辦公桌之間，送風角度為90°時，甲醛質量濃度相比于送風角度為30°和60°時更高。并且在辦公桌上部z=1.1 m截面位置處甲醛的質量濃度相對較高。圖8總體呈現出送風口一側甲醛的質量濃度低，送風口相對側甲醛質量濃度高的現象。由此可見，送風角度為90°相比于送風角度為30°和60°時對減少室內甲醛質量濃度的效果更差。

圖8 送風角度90°下不同截面甲醛質量濃度云圖

3 結論

采用數值模擬方法，對地板送風模式下的某一典型辦公室送風角度的變化，分析室內氣流組織對甲醛質量濃度的影響，主要結論如下：①送風口角度為60°時，辦公室內氣流組織較均勻，甲醛的質量濃度相對較低，不僅能夠較好地控制踝關節（z=0.1 m）高度周圍的甲醛質量分數，而且降低坐立時呼吸區域（z=1.1m）和站立時呼吸區域（z=1.8 m）處的甲醛質量濃度效果更佳。②送風角度為30°時，辦公室房間下部踝關節（z=0.1 m）周圍的氣流速度較大，因而能夠有效降低低位置的甲醛質量濃度，但由于氣流的衰減作用，降低坐立時呼吸區域（z=1.1 m）和站立時呼吸區域（z=1.8 m）去除甲醛質量濃度效果相比于送風角度為60°時效果稍差。③送風角度為90°時，靠近送風口一側的氣流速度相對較大，而送風口相對的一側氣流速度較小，特別是在書柜和辦公桌之間的底部位置，氣流速度更小。故受到氣流組織的影響，在書桌和書柜之間易形成甲醛聚集的區域；并且送風角度為90°時，總體上呈現出送風口一側甲醛的質量濃度低，送風口相對側甲醛質量濃度高的現象。因而送風角度為90°時不利于角落處甲醛的擴散。

綜上所述，當送風角度為60°時，辦公室內氣流組織比較均勻，不僅能夠較好地控制踝關節（z=0.1 m）高度周圍的甲醛質量濃度，而且也能降低坐立時呼吸區域（z=1.1 m）和站立時呼吸區域（z=1.8 m）處的甲醛質量濃度；送風角度為30°和90°時，辦公室內氣流組織分布不均，致使甲醛質量濃度分布有高有低，除醛效果相比于送風角度為60°時較差。結果表明，送風角度為60°時，辦公室內氣流組織較均勻，甲醛質量濃度擴散效果較好。