地板送风模式下的送风角度对室内甲醛扩散的模拟研究

赵涛杰，刘泽勤，董 敏

（1.冷冻冷藏技术教育部工程研究中心，天津300134；2.天津市制冷技术重点实验室，天津300134；3.天津商业大学机械工程学院，天津300134；4.山东华宇工学院能源与建筑工程学院，山东 德州253071）

随着生活水平的不断提高，人们不仅关注社会生态环境的变化，对于室内空气品质的重视程度在不断提高。人们入住新房首要考虑的问题便是室内污染物，其中甲醛作为一种毒害极为严重的室内污染物一直备受关注[1]，并且甲醛对人体还具有致癌和致畸性的危害[2]。因此明确甲醛的扩散规律，从而保持室内良好的空气流通对人体身体健康具有很大意义。

近年来，国内许多学者针对室内甲醛的扩散规律做了许多的研究。李耀东等[3]通过模拟多种气流组织形式下房间内气流的分布及甲醛质量浓度的分布，分析气流速度场对甲醛质量浓度场的影响，指出异侧上供下回的送风方式比同侧上送下回、顶送下回和下送顶回送风形式好，能够有效影响甲醛质量浓度的分布。张浩等[4]数值模拟了自然通风方式下污染源位置变化对冬季地板供暖房间内甲醛的分布影响，指出地板供暖房间内的流场分布对房间的温度场及甲醛质量浓度场影响较大；地板供暖房间甲醛质量浓度分布在竖直方向上有明显的分层现象。王倩等[5]通过数值模拟，指出置换通风方式的房间内的甲醛质量浓度分布主要受室内空气气流组织的影响，甲醛质量浓度出现分层现象随高度增加而增加，在桌子及房间角落由于有漩涡的产生导致局部气流组织较差，在其附近及回风口位置甲醛质量浓度含量较高。

通过对相关文献的分析发现，对室内甲醛规律分布的研究报道更多是基于垂直送风的方式，送风角度对如新装修办公室的甲醛扩散规律的研究分析报道相对少见。本文以某一典型办公室为研究对象，采用CFD数值模拟方法分析不同送风角度下办公室内甲醛质量浓度的扩散规律，为UFAD优化设计提供参考依据。通过数值模拟分析各种工况下甲醛质量浓度和气流速度分布，确定甲醛对人体危害相对最小的最佳方案，为室内空气品质的良好设计提供参考依据。

1 数值模拟计算

办公室的三维简化模型如图1所示，模拟房间尺寸为5 m×4 m×3 m；设办公桌尺寸为1.5 m×2 m×0.8 m，书柜为1.5 m×0.5 m×2 m。模拟房间顶部中心位置设有回风口尺寸为0.6 m×0.6 m，底部设有送风口，与左右墙距离均为0.4 m，甲醛污染物从办公桌和书柜的外表面挥发出来，通过模拟地板送风的不同送风角度，计算出室内空间甲醛质量浓度分布，得到甲醛质量浓度随着送风角度的变化呈现不同的分布结果。并且对计算模型假设如下：①室内流体为空气和甲醛的混合物；②本文假设书柜和书桌为甲醛污染物的释放源；考虑重力影响，加速度为Z=-9.81 m/s2；③房间其他部分假设绝热且不透风[6]。

图1 办公室三维简化模型

本课题通过对研究对象的方向，拟采用组分传输模型和标准k-ε两方程的紊流模型对室内甲醛污染物的质量浓度在不同的送风角度下进行数值模拟。以送风速度1.2 m/s和送风角度90°的工况进行网格无关性验证，图2给出了网格独立性验证的计算结果，发现选取有效网格数为171 117网格时，能格达到独立性验证需求。

图2 网格独立性验证

2 送风角度对速度场和甲醛质量浓度分布的影响

为了更好地研究和分析室内甲醛扩散的分布特性以及速度分布，笔者选取了踝关节高度（z=0.1 m）、坐立时呼吸区（z=1.1 m）和站立时呼吸区（z=1.8 m）3个截面进行分析研究。

图3展示出空调风从送风口按照30°的方向吹出时的模拟工况。气流按照30°的方向进入房间，使得踝关节（z=0.1 m）高度处速度比较大，速度场分布不均匀。随着气流扩散到达前墙，受前墙的阻碍作用，沿送风方向与截面z=1.1 m的接触位置速度较大，其他位置速度较小。然后气流在房间内循环，最终从顶部的回风口排出。

由图4可见，书桌和柜子为甲醛散发源，所以书桌和柜子周围的甲醛质量浓度最高，结合图3分析，位于办公桌上方的气流组织较差，使得z=1.1 m高度处的中心位置甲醛的质量浓度较高。在靠近送风口的位置和沿着送风气流的方向气流组织较好，无涡旋的区域甲醛质量浓度较低。因此30°的送风角度能够有效降低踝关节（z=0.1 m）高度周围的甲醛质量浓度，但是针对降低坐立时呼吸区域（z=1.1 m）和站立时呼吸区域（z=1.8 m）甲醛质量浓度的效果较差。

图3 送风角度30°下不同截面速度云图

图4 送风角度30°下不同截面甲醛质量浓度云图

图5 展示了空调风从送风口按照60°的方向吹出时的模拟工况。空调风以60°的方向吹出，导致截面z=0.1m、z=1.1 m和z=1.8 m在沿送风位置处的速度梯度较大。相比于图3可知，送风角度为60°的气流分布相比于30°的气流分布更均匀，尤其是截面z=1.1 m和z=1.8 m处气流分布更加均匀。

由图6可见，书桌和书柜周围的甲醛质量浓度最高。结合图5分析，送风角度为60°时房间内的气流分布相对均匀，使得在z=1.1 m和z=1.8 m高度的中心截面上，甲醛质量浓度相比较于图4更低。特别是截面z=1.1 m的中心位置，甲醛质量浓度扩散的速度更快。因此，送风角度为60°时，不仅能够较好地控制踝关节（z=0.1 m）高度周围的甲醛质量浓度，而且也能降低坐立时呼吸区域（z=1.1m）和站立时呼吸区域（z=1.8 m）处的甲醛质量浓度。

图5 送风角度60°下不同截面速度云图

图6 送风角度60°下不同截面甲醛质量浓度云图

图7展示了空调风从送风口按照90°的方向吹出时的模拟工况，根据图7中截面z=0.1 m、z=1.1 m和z=1.8 m可知，在靠近送风口一侧的气流速度相对较大，而送风口相对的一侧气流速度较小，特别是在书柜和办公桌之间的位置，气流速度更慢。

图7 送风角度90°下不同截面速度云图

由图8可见，办公桌和书柜周围甲醛质量浓度最高，特别是在书柜和办公桌之间的位置气流流动很小，从而导致了在书柜和办公桌之间，送风角度为90°时，甲醛质量浓度相比于送风角度为30°和60°时更高。并且在办公桌上部z=1.1 m截面位置处甲醛的质量浓度相对较高。图8总体呈现出送风口一侧甲醛的质量浓度低，送风口相对侧甲醛质量浓度高的现象。由此可见，送风角度为90°相比于送风角度为30°和60°时对减少室内甲醛质量浓度的效果更差。

图8 送风角度90°下不同截面甲醛质量浓度云图

3 结论

采用数值模拟方法，对地板送风模式下的某一典型办公室送风角度的变化，分析室内气流组织对甲醛质量浓度的影响，主要结论如下：①送风口角度为60°时，办公室内气流组织较均匀，甲醛的质量浓度相对较低，不仅能够较好地控制踝关节（z=0.1 m）高度周围的甲醛质量分数，而且降低坐立时呼吸区域（z=1.1m）和站立时呼吸区域（z=1.8 m）处的甲醛质量浓度效果更佳。②送风角度为30°时，办公室房间下部踝关节（z=0.1 m）周围的气流速度较大，因而能够有效降低低位置的甲醛质量浓度，但由于气流的衰减作用，降低坐立时呼吸区域（z=1.1 m）和站立时呼吸区域（z=1.8 m）去除甲醛质量浓度效果相比于送风角度为60°时效果稍差。③送风角度为90°时，靠近送风口一侧的气流速度相对较大，而送风口相对的一侧气流速度较小，特别是在书柜和办公桌之间的底部位置，气流速度更小。故受到气流组织的影响，在书桌和书柜之间易形成甲醛聚集的区域；并且送风角度为90°时，总体上呈现出送风口一侧甲醛的质量浓度低，送风口相对侧甲醛质量浓度高的现象。因而送风角度为90°时不利于角落处甲醛的扩散。

综上所述，当送风角度为60°时，办公室内气流组织比较均匀，不仅能够较好地控制踝关节（z=0.1 m）高度周围的甲醛质量浓度，而且也能降低坐立时呼吸区域（z=1.1 m）和站立时呼吸区域（z=1.8 m）处的甲醛质量浓度；送风角度为30°和90°时，办公室内气流组织分布不均，致使甲醛质量浓度分布有高有低，除醛效果相比于送风角度为60°时较差。结果表明，送风角度为60°时，办公室内气流组织较均匀，甲醛质量浓度扩散效果较好。