基于Fluent 的通风排气装置设置与优化探讨- 以江苏大学A 区为例

陈思涵 王 瑜 吴喜贞

（江苏大学，江苏 镇江212013）

1 概述

改革开放以来，城乡建设行业发展飞快，除新建工程外，改建、扩建工程也很多。由于办公条件的改善或因建筑功能的改变而增设的卫生间都涉及到排气问题。针对这些问题，有关专家学者主要对机械排风方法进行研究，总结出机械排风系统虽然一次性投资较大,但它能适应复杂多变的建筑布局,不受建筑布局和室外气候限制，也不影响其它设施的正常使用，通风效果比较理想。

国外有医学专家甚至认为，密闭的卫生间是最容易让人患癌症的地方。卫生间内良好的通风设计，可以稀释室内的污浊空气浓度，保持室内空气清新，也能避免其他房间得空气受到影响。因此，了解并改善卫生间的通风状况有着重要的意义。大量试验研究表明，公共建筑卫生间通风设计，应该根据使用频率、温度、排风口布置及通风控制策略等进行考虑，才能够达到预期目标。最后得出公共建筑卫生间机械通风系统设计需要注意的几个问题：要选用低噪声、耐腐蚀的排风机，进排风系统管材要求防锈耐腐；当同一个排风系统有多个排气扇时，在排风支管上设止回阀，或者选择自带止回功能的排风扇以防止空气回流；排风总管人管井处设70°C 防火阀；北方地区或者湿度较大的卫生间排风管道要有一定坡度坡向排风管井，并设计外保温墙；尽量采用铁皮风道，禁止采用土建风道。

基于这些研究，我们逐渐把目光集中于学生宿舍楼。在我国大陆地区, 几乎所有的中学和大学里带卫生间的宿舍都是将卫生间设计在朝窗户侧。学生宿舍作为学生较长时间待的地方,其空气状况对学生的健康状况起着非常重要的作用。目前有的学生宿舍和部分公寓楼卫生间由于条件限制没有安置在负压侧，导致通风不畅气味串联。卫生间是室内最易有卫生状况的地方，由于厕所、排水管道及地漏的某些状况，导致气味无法快速排出室内，散发出氨气、硫化氢等对人体健康有害的气体。众所周知，氨气为无色有刺激性恶臭的气味，会对皮肤、呼吸道和眼睛造成伤害，硫化氢有剧毒，对学生的健康状况有一定的影响。本文为解决宿舍楼内卫生间气味串联问题，利用CAD 建模、Fluent 室内风场模拟，对卫生间的气流进行模拟，整合信息并对其优化以达到解决卫生间气味串联的目的。

2 研究过程

2.1 研究对象确定

2.1.1 调查问卷

我们制作网上调查问卷，共有410 人参与调查，只有12%的人认为厕所基本没有异味，且大多数人是在宿舍楼里闻到异味。卫生间的状况也是同学们切身经历过的，所以我们调查是具有真实性和实际参考价值的。

2.1.2 实地考察

我们实地测量了江苏大学校内具有代表性的楼栋内卫生间：A 区、B 区、三山楼，其中，A 区、B 区为宿舍楼，三山楼为教学楼。利用测距仪测量并形成了这三处的平面图以及三维图。

A 区为老一区，住宿环境较差，卫生间为旱厕，冲水装置为手动式水箱中放水，水的冲击力不强，且水流经过路径约为5.4 米，造成一些排泄物不能及时冲刷干净，在旱厕中滞留，产生氨气等有害气体。而且卫生间无排风装置，仅有一扇窗户，只能通过自然通风来进行散味。同时，该卫生间没有安装在负压侧，一旦外界风力处于低速时会造成气味串联，整个楼道都充斥着有害气体。

B 区为新一区宿舍楼，卫生间为带有冲水装置的蹲坑，不会造成排泄物堆积的状况。虽然仅有一扇窗户，但通风状况良好。

三山楼是一栋教学楼，为了给学生提供便利，卫生间设有两排厕所，均为附有冲水装置的蹲坑。虽然仅有一扇窗户，但窗户位于与河边相隔的马路对面，通风状况良好，气体可以有效排放。经过对比，我们发现A 区宿舍楼卫生间通风状况是最差的，故选取A 区卫生间为主要研究对象。

2.2 研究原因及目的

卫生间是室内必不可少的一种空间布局。通过调查问卷和亲身经历，能得到结论：卫生间的气体的确对学上的生活产生了一定程度的影响。卫生间的主要有害气体是氨气和硫化氢，低浓度的硫化氢对眼、呼吸系统及中枢神经有影响，而吸入少量高浓度的硫化氢可于短时间内致命。氨气可能会使人呼吸不畅，不利于思考和记忆，对免疫力差的人更会产生巨大危害。为了学生的健康，以及为学生提供良好的住宿环境，我们对卫生间的通风排气方式设置进行研究。我们简单确定了卫生间气味指数的等级，进而更好地优化管道及排风装置的设置。下表是我们查阅资料得知卫生间气味指数等级。（见表1）

表1 卫生间气味指数等级

根据前期问卷调查结果，参与调查的同学中52%的同学认为卫生间气味指数等级达到三级，因此我们将以设计卫生间通风方式和排气扇设置为目标，解决由于卫生间异味以及有害气体无法排除而导致的对人体产生不利影响的问题，重点研究卫生间通风口的设置、强制气流流动装置的设计以及相应状态下卫生间内空气流动的分析。

2.3 常见的通风方法分析

自然通风是利用自然风压、热压、空气温差、空气密度差等依靠室外风力造成的风压以及室内空气温度造成的热压对室内进行通风的方式，即被动通风。现在的住宅中有外窗的卫生间大多数都是利用自然通风来解决排除异味、引进室外空气等需求，是最节能环保的一种通风方式。然而风压受到天气、周围环境、建筑物设计、室外风向等因素的影响，风压与热压共同作用时，其共同作用可能会相互抵消。因此，利用外窗来进行卫生间自然通风的方式虽然简便，但不能随时满足卫生间的需求。

机械通风主要是靠风机作为通风的动力，利用机械设备使室外空气不断地进入室内,沿着预定路线流动,将室内污染物浓度稀释到一个低水平后排出。机械通风的排气扇可以设置在吊顶处，也可以设置在侧墙处。机械排风系统一般是由吊顶排气扇、风机、支管、主风管、阀门等组成。这种系统效率高，能适应复杂多变的建筑布局，不受室外气候影响，但是一次性投资大。

混合通风是自然通风和机械通风相结合。我们认为这是最理想的通风方式。在有外窗的卫生间安装简单的机械排风系统，可以满足不同天气状况下良好的通风效果，经济有效。

考虑到A 区卫生间的实际情况，我们知道，每个卫生间都设置有外窗，是直接与外界环境相接触的。但显然，光有外窗是很难将异味排出，主要是因为很多卫生间由于条件限制，没有安置在负压侧，导致通风不畅气味串联，而混合气体通过复杂的化学作用产生对人体有害的氨气、硫化氢等有害气体，对人体产生危害。故我们确定最终的通风方式为混合通风。在原有自然通风的基础上设置机械通风。

2.4 风场模拟以及排风设置

为了确定排气扇的安装位置，我们利用fluent 软件进行风场分析，主要分析无排气扇以及将排气扇安装在不同位置情况下空气气流流速以及其对空气污染物排出的影响。我们将排气扇设置在窗对面、与门同侧以及门对面，计算模型参数为：窗内外压差1.5Pa，环境压力101325Pa，隔间高度1.6m，窗台高度1m，排气扇流量9.5m3/min，排气扇高度2.5m 且与两墙之间距离相等，空气由窗户进入，在压差作用下从门及排气扇流出。

2.4.1 无排气扇

在无排气扇的情况下，在窗户对面上方空间存在一个低速区。空间大部分区域几乎没有压力梯度，气体流通性极差，导致气味聚集不易消耗掉。另外，气流从门排出去也会导致气味串联。因此有必要安装排气扇，既有利于空气流通，又有助于将气味收集排出不乱窜。（见图1、2）

图1 无排气扇计算模型

图2

2.4.2 排气扇在窗对面

在窗户对面安装一个排气扇后，卫生间上方的低速区范围明显变小，气流有序地从门以排气扇排出，隔间处气流的流通效果有所改善但流速较低。（见图3）

图3

2.4.3 排气扇在门侧

把排气扇安装在门一侧的墙上，可以发现卫生间内靠近门一侧的一半空间气流流速较大，隔间一侧气流流速较低。（见图4）。

图4

2.4.4 排气扇在门对面

整体上没有流速较低的区域，整个空间内的气流都流动起来，特别是隔间附近的气流，即气味集中产生的区域，气流可以及时有效地从排风扇排。（见图5）

图5

综上分析可以得出，我们对比了原始状况与安装排风扇后的情况。在安装排气扇后卫生间内的气流流通性明显改善，低速区明显变小，抑制了气味的聚集，有利于污染物的排出。在对比将排气扇安装在不同位置的三种方案时，分析得出：将排风扇安装在隔间一侧对于卫生间空气流通以及气味的收集效果最好。

3 总结与建议

A 区宿舍卫生间应该在隔间一侧安装排气扇，管道直接通到室外，不需要太复杂，从而达到减轻卫生间异味的目标。对于大多数卫生间来说，为了解决通风问题，尽量将卫生间安装在负压侧，防止气味串联，同时将排气扇安装在门对面可以促进卫生间整体空间空气的流动，使气流有效地从排风扇排出。当然，排气管道沿最短路径进行安装，节省空间和人力物力，良好的宿舍环境是学生学习和生活的保证，卫生间环境的改善会给学生的宿舍生活更好的体验。