送風(fēng)方式與速度耦合對(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134；3.天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134)

1 引言

隨著城市現(xiàn)代化快速的發(fā)展，人們對(duì)普通住宅進(jìn)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(yán)重[5]。人如果長時(shí)間處于甲醛環(huán)境中，會(huì)損害身體健康，嚴(yán)重的會(huì)致癌[6～8]。故分析室內(nèi)采用哪種通風(fēng)方式和送風(fēng)速度對(duì)降低室內(nèi)甲醛的含量至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)室內(nèi)甲醛的擴(kuò)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(fēng)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(yùn)用軟件Airpak模擬了不同通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)污染物的擴(kuò)散影響。分析得出：頂送下回的送風(fēng)方式能夠有效的降低室內(nèi)污染物，適當(dāng)增加送風(fēng)量對(duì)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(fēng)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(fēng)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(duì)比不同送風(fēng)方式在單一送風(fēng)速度工況下的影響研究，少有研究考慮到送風(fēng)速度變化，對(duì)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(fēng)速度和多種送風(fēng)方式進(jìn)行耦合，采用控制變量法研究不同送風(fēng)方式和不同送風(fēng)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(fēng)方式和送風(fēng)速度對(duì)臥室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度分布的影響，為后期房間的通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 數(shù)值模擬計(jì)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(fēng)方式和送風(fēng)速度來降低室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度。3 種送風(fēng)方式的風(fēng)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(fēng)方式的風(fēng)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(yàn)

由于3 種送風(fēng)方式的模型尺寸相同，因此選擇置換通風(fēng)的送風(fēng)方式進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)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(yàn)證網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證。不同網(wǎng)格數(shù)量下觀測點(diǎn)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(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)進(jìn)、出風(fēng)口區(qū)域及甲醛散發(fā)源網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)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(shí)呼吸高度)和截面z=1.8 m(人站立時(shí)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(fēng)速度設(shè)定為1.2 m/s，對(duì)臥室內(nèi)速度分布和甲醛質(zhì)量濃度分布進(jìn)行分析。

置換通風(fēng)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(fēng)從底部送風(fēng)口射流進(jìn)入臥室，使得臥室底部速度較大。到達(dá)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(fēng)從底部送風(fēng)口進(jìn)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(yùn)動(dòng)，由出風(fēng)口排出。由圖4可知，氣流從臥室下部往上運(yùn)動(dòng)，從衣柜釋放出的甲醛隨氣流方向擴(kuò)散，導(dǎo)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(fēng)方式下速度(m/s)

圖4 置換通風(fēng)方式下甲醛質(zhì)量濃度(mg/m3)

頂送下回通風(fēng)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(fēng)由上部送風(fēng)口進(jìn)入房間，直接吹到床面上，導(dǎo)致截面z=0.7 m和z=1.8 m的中間部位氣流速度較大。當(dāng)氣流到達(dá)床面后，一部分氣流流向回風(fēng)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(fēng)口送風(fēng)的方向甲醛質(zhì)量濃度最低，主要是由于送風(fēng)口輸入新風(fēng)的速度較大；再加上空調(diào)風(fēng)直接作用于床面上，床面上的速度相對(duì)較大，導(dǎo)致床周圍的甲醛質(zhì)量濃度相對(duì)較低。同時(shí)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(kuò)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(fēng)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(fēng)從前墻上部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入臥室，氣流會(huì)達(dá)到后墻，由于后墻的阻礙作用，氣流向著后墻的四周進(jìn)行擴(kuò)散，造成截面z=0.7 m和z=1.8 m的上部風(fēng)速比較大，下部比較小。隨著氣流的擴(kuò)散，空調(diào)風(fēng)從后墻的回風(fēng)口排出。由圖8可知，空調(diào)風(fēng)由前墻的進(jìn)風(fēng)口直接作用到衣柜上，甲醛隨著氣流進(jìn)行擴(kuò)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(fēng)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(fēng)方式下速度分別為0.4、0.8、1.2、2.0 m/s時(shí)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(dāng)送風(fēng)速度由0.4 m/s增至2.0 m/s時(shí)，置換通風(fēng)截面z=0.7 m和z=1.8 m上平均甲醛質(zhì)量濃度相對(duì)較低。這說明置換通風(fēng)相比其他兩種送風(fēng)方式能夠有效地降低室內(nèi)的甲醛含量。并且當(dāng)送風(fēng)速度增大的時(shí)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(fēng)速度為0.8 m/s時(shí)，截面上的平均甲醛質(zhì)量濃度最低。這說明了針對(duì)置換通風(fēng)適當(dāng)?shù)卦黾铀惋L(fēng)速度可以降低室內(nèi)甲醛含量，當(dāng)送風(fēng)速度增加到一定數(shù)值時(shí)，受氣流組織的影響，會(huì)使擴(kuò)散的甲醛隨著氣流由底部向上擴(kuò)散。

圖9 置換通風(fēng)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(fēng)方式下，當(dāng)送風(fēng)速度由0.4 m/s增至2.0 m/s時(shí)，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(fēng)從進(jìn)風(fēng)口直接作用在床上，氣流沿著床面進(jìn)行擴(kuò)散，造成床面的風(fēng)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(duì)較低。同時(shí)由于氣流到達(dá)床面進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，一部分從回風(fēng)口流出，一部分在衣柜和床之間形成漩渦，會(huì)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(fēng)方式下，當(dāng)送風(fēng)速度由0.4 m/s增至2.0 m/s時(shí)，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(fēng)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(fēng)速度下采用異側(cè)上送下回的通風(fēng)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(duì)二次裝修的臥室進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)定其他條件不變，僅改變送風(fēng)速度分別對(duì)比不同的送風(fēng)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(fēng)速度時(shí)，置換通風(fēng)方式下截面z=0.7 m和z=1.8 m的甲醛質(zhì)量濃度相對(duì)較低，說明采用置換通風(fēng)的送風(fēng)方式能有效降低臥室內(nèi)的甲醛質(zhì)量濃度，當(dāng)送風(fēng)速度為0.8 m/s時(shí)對(duì)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(huì)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(fēng)感較強(qiáng)。同時(shí)此種送風(fēng)模式受氣流組織和空間位置的影響，會(huì)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(fēng)速度時(shí)，異側(cè)上送下回相比較其他兩種送風(fēng)方式臥室內(nèi)氣流組織分布更加均勻。同時(shí)由甲醛擴(kuò)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(fēng)方式比較均勻且分層明顯。

(4)其他條件不變，僅改變送風(fēng)速度時(shí)，置換通風(fēng)采用0.8 m/s送風(fēng)速度對(duì)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(fēng)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(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。