地板送風模式下的送風角度對室內(nèi)甲醛擴散的模擬研究

趙濤杰，劉澤勤，董 敏

（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；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(guān)注社會生態(tài)環(huán)境的變化，對于室內(nèi)空氣品質(zhì)的重視程度在不斷提高。人們?nèi)胱⌒路渴滓紤]的問題便是室內(nèi)污染物，其中甲醛作為一種毒害極為嚴重的室內(nèi)污染物一直備受關(guān)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(guī)律，從而保持室內(nèi)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(nèi)許多學者針對室內(nèi)甲醛的擴散規(guī)律做了許多的研究。李耀東等[3]通過模擬多種氣流組織形式下房間內(nèi)氣流的分布及甲醛質(zhì)量濃度的分布，分析氣流速度場對甲醛質(zhì)量濃度場的影響，指出異側(cè)上供下回的送風方式比同側(cè)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(zhì)量濃度的分布。張浩等[4]數(shù)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(nèi)甲醛的分布影響，指出地板供暖房間內(nèi)的流場分布對房間的溫度場及甲醛質(zhì)量濃度場影響較大；地板供暖房間甲醛質(zhì)量濃度分布在豎直方向上有明顯的分層現(xiàn)象。王倩等[5]通過數(shù)值模擬，指出置換通風方式的房間內(nèi)的甲醛質(zhì)量濃度分布主要受室內(nèi)空氣氣流組織的影響，甲醛質(zhì)量濃度出現(xiàn)分層現(xiàn)象隨高度增加而增加，在桌子及房間角落由于有漩渦的產(chǎn)生導致局部氣流組織較差，在其附近及回風口位置甲醛質(zhì)量濃度含量較高。

通過對相關(guān)文獻的分析發(fā)現(xiàn)，對室內(nèi)甲醛規(guī)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(guī)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(shù)值模擬方法分析不同送風角度下辦公室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度的擴散規(guī)律，為UFAD優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。通過數(shù)值模擬分析各種工況下甲醛質(zhì)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(nèi)空氣品質(zhì)的良好設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 數(shù)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(shè)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(shè)有回風口尺寸為0.6 m×0.6 m，底部設(shè)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(fā)出來，通過模擬地板送風的不同送風角度，計算出室內(nèi)空間甲醛質(zhì)量濃度分布，得到甲醛質(zhì)量濃度隨著送風角度的變化呈現(xiàn)不同的分布結(jié)果。并且對計算模型假設(shè)如下：①室內(nèi)流體為空氣和甲醛的混合物；②本文假設(shè)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(shè)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(nèi)甲醛污染物的質(zhì)量濃度在不同的送風角度下進行數(shù)值模擬。以送風速度1.2 m/s和送風角度90°的工況進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，圖2給出了網(wǎng)格獨立性驗證的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)選取有效網(wǎng)格數(shù)為171 117網(wǎng)格時，能格達到獨立性驗證需求。

圖2 網(wǎng)格獨立性驗證

2 送風角度對速度場和甲醛質(zhì)量濃度分布的影響

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

圖3展示出空調(diào)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(guān)節(jié)（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(nèi)循環(huán)，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(fā)源，所以書桌和柜子周圍的甲醛質(zhì)量濃度最高，結(jié)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(zhì)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(qū)域甲醛質(zhì)量濃度較低。因此30°的送風角度能夠有效降低踝關(guān)節(jié)（z=0.1 m）高度周圍的甲醛質(zhì)量濃度，但是針對降低坐立時呼吸區(qū)域（z=1.1 m）和站立時呼吸區(qū)域（z=1.8 m）甲醛質(zhì)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(zhì)量濃度云圖

圖5 展示了空調(diào)風從送風口按照60°的方向吹出時的模擬工況?？照{(diào)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(zhì)量濃度最高。結(jié)合圖5分析，送風角度為60°時房間內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(guān)節(jié)（z=0.1 m）高度周圍的甲醛質(zhì)量濃度，而且也能降低坐立時呼吸區(qū)域（z=1.1m）和站立時呼吸區(qū)域（z=1.8 m）處的甲醛質(zhì)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(zhì)量濃度云圖

圖7展示了空調(diào)風從送風口按照90°的方向吹出時的模擬工況，根據(jù)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(cè)的氣流速度相對較大，而送風口相對的一側(cè)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量濃度相對較高。圖8總體呈現(xiàn)出送風口一側(cè)甲醛的質(zhì)量濃度低，送風口相對側(cè)甲醛質(zhì)量濃度高的現(xiàn)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(nèi)甲醛質(zhì)量濃度的效果更差。

圖8 送風角度90°下不同截面甲醛質(zhì)量濃度云圖

3 結(jié)論

采用數(shù)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(nèi)氣流組織對甲醛質(zhì)量濃度的影響，主要結(jié)論如下：①送風口角度為60°時，辦公室內(nèi)氣流組織較均勻，甲醛的質(zhì)量濃度相對較低，不僅能夠較好地控制踝關(guān)節(jié)（z=0.1 m）高度周圍的甲醛質(zhì)量分數(shù)，而且降低坐立時呼吸區(qū)域（z=1.1m）和站立時呼吸區(qū)域（z=1.8 m）處的甲醛質(zhì)量濃度效果更佳。②送風角度為30°時，辦公室房間下部踝關(guān)節(jié)（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(zhì)量濃度，但由于氣流的衰減作用，降低坐立時呼吸區(qū)域（z=1.1 m）和站立時呼吸區(qū)域（z=1.8 m）去除甲醛質(zhì)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(cè)的氣流速度相對較大，而送風口相對的一側(cè)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(qū)域；并且送風角度為90°時，總體上呈現(xiàn)出送風口一側(cè)甲醛的質(zhì)量濃度低，送風口相對側(cè)甲醛質(zhì)量濃度高的現(xiàn)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(nèi)氣流組織比較均勻，不僅能夠較好地控制踝關(guān)節(jié)（z=0.1 m）高度周圍的甲醛質(zhì)量濃度，而且也能降低坐立時呼吸區(qū)域（z=1.1 m）和站立時呼吸區(qū)域（z=1.8 m）處的甲醛質(zhì)量濃度；送風角度為30°和90°時，辦公室內(nèi)氣流組織分布不均，致使甲醛質(zhì)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(jié)果表明，送風角度為60°時，辦公室內(nèi)氣流組織較均勻，甲醛質(zhì)量濃度擴散效果較好。