通风扇换气形式对室内空气品质影响研究

2021-10-06宋桦

建筑热能通风空调 2021年8期

宋桦

太原市轨道交通发展有限公司

空气品质好坏直接关系到人们的身体健康。国内学者通过对室内速度场、温度场、污染物浓度等方面数值模拟，分析不同通风方式对室内空气品质的影响[1-2]。许多文章在建模时均使用理想的方形模型。而住宅中，风口一般设置在某个房间，需要研究整个户型的空气品质。设计的户型多种多样，后期装修中，鉴于空调成本，选择即方便又经济的通风扇实现室内空气置换显得尤为重要。本文选择户型中通风结构较差的“刀型”户型进行模拟，研究室内空气品质。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文采用图1 所示的户型建立物理模型（图2）。模型高度为2.8 m，为实际户型三室两厅两卫，面积约为106 m2。南向为带有阳台的主卧，次卧、客厅朝北。窗户均简化为高1.5 m、宽0.8 m，离楼板高度为1 m。X正向为北向，Y 负向为重力方向。

图1 刀字型户型示意图

图2 物理模型图

1.2 数学模型

简化计算模型，假定房间内气流为不可压缩流体，湍流流动采用k-ε 方程。

1.3 边界条件参数设置

采用计算流体力学软件AIRPAK 进行三维建模，并对边界条件进行设置和模型划分网格。因为在本次模拟中只关心室内空气品质的变化规律，只研究气流速度场的变化，在设置中不进行能量方程的计算[3]。

在厨房窗户顶部设置一台窗式通风扇，长0.4 m，宽0.3 m，频率为50 Hz，在本次模拟中分别取风速为2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s，三种类型的通风扇风速进行研究。

房间内所有的窗户边界定义为自由出流，只将通风扇定义为入口边界或者出口边界进行研究[4]。考虑到楼道内空气质量较差，因此入户门在本次模拟中均关闭，不考虑从入户门处流入房间的空气。忽略门窗缝隙中的渗透风量[5]。

2 模拟结果及分析

模拟结果对人生活平均高度1.5 m 处的风速进行比较分析，空气品质采用室内空气龄进行研究，此次模型网格划分及网格质量如图3 所示。从图3 可以看到网格划分质量较高，有利于模拟计算结果的收敛，增加模拟结果的准确性。

图3 模型网格划分及网格质量

2.1 抽出式排风

将通风扇设置为抽出式排风模式进行数值模拟，在Y=1.5 m 处，通风扇风速v=2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s时风速矢量图如图4～6 所示，空气龄云图具体如图7～9 所示。

图4 排风v=2.5 m/s 时风速矢量图

图5 排风v=3.5 m/s 时风速矢量图

图6 排风v=4.5 m/s 时风速矢量图

图7 排风v=2.5 m/s 时空气龄云图

图8 排风v=3.5 m/s 时空气龄云图

图9 排风v=4.5 m/s 时空气龄云图

在通风扇为抽出式排风工况下，从图4～6 可以看出，室内各房间的空气产生流动，因为随着厨房处排风的进行，室内空气压力降低[6]，室外新鲜空气通过各房间的窗户流入室内，并通过房间内门窗的相对位置关系，进行了适当的空气流动路径组织，最后汇聚到厨房排出，实现房间内空气交换[7]。但从风速大小上可以看出，随着排风速度的增加，各房间内的风速大小变化并不明显，这是因为排风速度较小，并且图示为Y=1.5 m 处的风速，而排风口是在2.7 m 高的位置，排风速度的增加对Y=1.5 m 处的风速影响较小。从图7～9 可以看出，随着通风扇排风速度的增加，房间整体空气龄在减少，即房间空气品质在逐渐提高，但不同房间却有着不同的情况，随着排风速度的增加，客厅空气龄减小的幅度最大，最为明显，而主卧和书房内的空气龄减少幅度最小。

2.2 压入式送风

将通风扇设置为压入式送风模式进行数值模拟，在Y=1.5 m 处，通风扇风速v=2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s时风速矢量图如图10～12 所示，空气龄云图如图13～15 所示。

在通风扇为压入式送风工况时，从图10～12 可以看出，房间气流组织流动方向与抽出式排风工况相反，房间依旧进行了空气置换[8]。而随着送风速度的增加，各房间内风速变化在Y=1.5 m 处的位置依旧不明显，与抽出式排风工况相比较，生活区所在的高度Y=1.5 m 处的风速受通风扇进风（排风）速度的变化影响较小，可见在住宅中设置窗式通风扇并不影响人们日常对生活区风速的舒适性要求。从图13～15 可以看出，在此工况下，厨房和客厅的空气龄最小，并且随着风速的增加，空气龄逐渐降低。主卧，次卧和书房的空气龄较大，空气品质较差。

图10 送风v=2.5 m/s 时风速矢量图

图11 送风v=3.5 m/s 时风速矢量图

图12 送风v=4.5 m/s 时风速矢量图

图13 送风v=2.5 m/s 时空气龄云图

图14 送风v=3.5 m/s 时空气龄云图

图15 送风v=4.5 m/s 时空气龄云图

2.3 模拟结果对比

对数值模拟计算结果进行整理，分别选取主卧及客厅的空气龄模拟结果，对其在房间整个高度上的变化规律进行研究。结果选取通风扇风速为3.5 m/s 时，抽出式排风和压入式送风工况下，主卧及客厅的空气龄随高度的变化情况，如图16 所示。

图16 空气龄随房间高度变化规律

从图16 可以看出，主卧区域的空气龄远远大于客厅区域的空气龄，原因是在图1 上可见，主卧距离通风扇较远，进风（或排风）对于主卧产生的影响较小，因此主卧区的空气置换程度较小，空气龄较大，品质较差。而客厅距离通风扇较近，进排风对其影响程度大，空气龄较小，品质较优；对于主卧，不同的换气形式对其空气品质影响较大，压入式送风形式形成的空气品质明显差于抽出式排风形式，分析原因可知，压入式送风的原理是要为房间送入新风，造成房间内压力增加，形成正压，从而气流通过窗户流向室外。抽出式排风的原理是抽出房间内的气体，造成房间内压力减小，形成负压，从而气流通过窗户由室外流向室内[9]。结合图8 与图14 可知，在压入式送风工况下，由于厨房空间有限，大部分的新鲜空气停留于厨房内，造成厨房内的空气品质极好，但通过房门流入主卧的空气较少，从而对主卧房间的增压效果不明显，造成主卧房间空气置换频率降低[10]。而对于抽出式排风工况，厨房易形成负压[11]，厨房的负压使得主卧阳台窗户处空气置换频率增加，从而降低主卧的空气龄，提高了空气品质。

取主卧及客厅Y=1.5 m 处的中心点处的空气龄在不同换气形式工况下随送排风风速逐渐增大时的变化规律，如图17、图18 所示。

图17 主卧空气龄变化规律

图18 客厅空气龄变化规律

从图17、18 可以看出，不同通风扇风速下，抽出式排风形式下室内空气龄均低于压入式送风形式，约为31.15%，即抽出式排风形式更有利于提高刀型住宅的空气品质。随着通风扇风速每增加1 m/s，各房间的空气龄平均变化率如图19 所示。

由图19 分析可知，压入式送风形式对房间空气龄的影响较大，空气品质波动较大。抽出式排风形式对房间空气龄影响较为稳定，空气品质波动较小。并且从图中可以看出，抽出式排风形式对离排风口较远的主卧影响程度高于客厅，相反，压入式送风形式对离送风口较近的客厅影响程度较大，可见通风扇抽出式排风形式对离风口较远的区域影响较大，而压入式送风形式对离风口较近的区域影响较大。