送风方式与速度耦合对卧室内甲醛浓度分布的模拟分析

赵涛杰，刘泽勤

(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)

1 引言

随着城市现代化快速的发展，人们对普通住宅进行二次装修日趋普遍[1]。装修也带来了一系列环境问题[2]，如用于黏合家具的胶黏剂主要成分为甲醛[3,4]，所以新装修房屋中室内甲醛污染严重[5]。人如果长时间处于甲醛环境中，会损害身体健康，严重的会致癌[6～8]。故分析室内采用哪种通风方式和送风速度对降低室内甲醛的含量至关重要。

近年来，国内学者针对室内甲醛的扩散规律做了许多的研究。李耀东等[9]通过CFD模拟不同气流组织下，分析卧室内的气流组织和甲醛质量浓度分布，结果表明：异侧上送下回的送风方式，卧室内床头位置甲醛含量较低，受气流组织的影响甲醛分布比较均匀。于水等[10]运用软件Airpak模拟了不同通风方式对室内污染物的扩散影响。分析得出：顶送下回的送风方式能够有效的降低室内污染物，适当增加送风量对去除室内污染物效果更加显著。陆梦华等[11]模拟了同侧上送下回和异侧上送下回两种送风方式下，室内的甲醛质量浓度分布。分析表明：同侧上送下回比异侧上送下回的送风方式更加能够有效地降低室内的甲醛质量浓度。目前大多数的研究多为对比不同送风方式在单一送风速度工况下的影响研究，少有研究考虑到送风速度变化，对结论产生的影响。鉴于此，本文采用数值模拟的形式，将送风速度和多种送风方式进行耦合，采用控制变量法研究不同送风方式和不同送风速度下卧室内甲醛质量浓度分布和速度分布情况。探究送风方式和送风速度对卧室内甲醛质量浓度分布的影响，为后期房间的通风优化设计提供参考依据。

2 数值模拟计算

本文模拟的卧室三维模型如图1所示，卧室尺寸为5.1 m×3.6 m×3 m；床的尺寸为2.2 m×2 m×0.5 m；床头柜尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m；衣柜1.8 m×0.6 m×2 m。设定甲醛污染物仅从衣柜外表面挥发出来，通过改变通风方式和送风速度来降低室内甲醛质量浓度。3 种送风方式的风口尺寸及位置见表1。模拟卧室中不同工况的边界条件及参数设置见表2。

表1 3 种送风方式的风口尺寸及位置

表2 边界类型及参数

图1 卧室的几何模型

3 网格无关性检验

由于3 种送风方式的模型尺寸相同，因此选择置换通风的送风方式进行网格无关性验证。设定工况为：v=1.2 m/s，T=300 K。拟用1004181、2274495 和3946826三种网格数，选取x=4.15 m，y=2.7 m直线上不同高度处的速度和甲醛质量浓度的分布来验证网格的无关性验证。不同网格数量下观测点的速度分布和甲醛质量浓度分布如图2(a)、图2(b)所示。

根据图2分析结果，本文采用网格数为2274495网格进行数值模拟，并对进、出风口区域及甲醛散发源网格进行局部加密。

图2 网格独立性验证

4 模拟结果与分析

由于卧室中的床高为0.5 m，人平躺呼吸的高度约为0.2 m。因此拟选定截面z=0.7 m(人休息时呼吸高度)和截面z=1.8 m(人站立时呼吸高度)来分析卧室内甲醛质量浓度分布情况，将送风速度设定为1.2 m/s，对卧室内速度分布和甲醛质量浓度分布进行分析。

置换通风方式下的速度云图和甲醛质量浓度云图如图3和图4所示。由图3可知，空调风从底部送风口射流进入卧室，使得卧室底部速度较大。到达后墙在床和衣柜之间形成漩涡，使得截面z=0.7 m上部速度较大。随着空调风从底部送风口进入卧室，受到重力的作用，卧室底部充满了新鲜的空气，使卧室底部气流分布较为均匀。截面z=0.7 m其他位置速度分布较为均匀。最终气流从卧室下部往上运动，由出风口排出。由图4可知，气流从卧室下部往上运动，从衣柜释放出的甲醛随气流方向扩散，导致截面z=0.7 m的甲醛质量浓度比z=1.8 m要高。

图3 置换通风方式下速度(m/s)

图4 置换通风方式下甲醛质量浓度(mg/m3)

顶送下回通风方式下的速度云图和甲醛质量浓度云图如图5和图6所示。由图5可知，空调风由上部送风口进入房间，直接吹到床面上，导致截面z=0.7 m和z=1.8 m的中间部位气流速度较大。当气流到达床面后，一部分气流流向回风口，一部分气流在卧室内循环，使得截面z=0.7 m和z=1.8 m上速度分布不均。由图6可知，沿送风口送风的方向甲醛质量浓度最低，主要是由于送风口输入新风的速度较大；再加上空调风直接作用于床面上，床面上的速度相对较大，导致床周围的甲醛质量浓度相对较低。同时衣柜作为甲醛散发源，受到气流组织的影响，在衣柜的周围易形成漩涡，造成截面z=0.7 m和截面z=1.8 m右侧甲醛质量浓度要明显高于左侧，甲醛不易扩散。

图5 顶送下回方式下速度(m/s)

图6 顶送下回方式下甲醛质量浓度(mg/m3)

异侧上送下回通风方式下速度云图和甲醛质量浓度云图如图7和图8所示。由图7可知，空调风从前墙上部的进风口进入卧室，气流会达到后墙，由于后墙的阻碍作用，气流向着后墙的四周进行扩散，造成截面z=0.7 m和z=1.8 m的上部风速比较大，下部比较小。随着气流的扩散，空调风从后墙的回风口排出。由图8可知，空调风由前墙的进风口直接作用到衣柜上，甲醛随着气流进行扩散，所以沿着气流方向的甲醛质量浓度比较低。但是随着气流速度衰减所携带的甲醛持续积累，甲醛质量浓度不断增加，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两种送风方式要高一些。

图7 异侧上送下回方式下速度(m/s)

图8 异侧上送下回方式下甲醛质量浓度(mg/m3)

图9～11是采用不同送风方式下速度分别为0.4、0.8、1.2、2.0 m/s时在截面z=0.7 m和z=1.8 m的平均甲醛质量浓度柱状图。

由图9可知，当送风速度由0.4 m/s增至2.0 m/s时，置换通风截面z=0.7 m和z=1.8 m上平均甲醛质量浓度相对较低。这说明置换通风相比其他两种送风方式能够有效地降低室内的甲醛含量。并且当送风速度增大的时候，截面z=0.7 m和z=1.8 m上的甲醛质量浓度，总体上呈现先减小后增大的趋势，送风速度为0.8 m/s时，截面上的平均甲醛质量浓度最低。这说明了针对置换通风适当地增加送风速度可以降低室内甲醛含量，当送风速度增加到一定数值时，受气流组织的影响，会使扩散的甲醛随着气流由底部向上扩散。

图9 置换通风不同平面的平均甲醛质量浓度

由图10可知，顶送下回的通风方式下，当送风速度由0.4 m/s增至2.0 m/s时，截面z=0.7 m和z=1.8 m上的平均甲醛质量浓度呈现先增后减的趋势，并且两者相差较大。这主要是由于空调风从进风口直接作用在床上，气流沿着床面进行扩散，造成床面的风速度较大，甲醛质量浓度较小，故截面z=0.7 m上的平均甲醛质量浓度相对较低。同时由于气流到达床面进行扩散时，一部分从回风口流出，一部分在衣柜和床之间形成漩涡，会形成甲醛聚集现象。故截面z=0.7 m和z=1.8 m上的平均甲醛质量浓度两者相差较大。

图10 顶送下回不同平面的平均甲醛质量浓度

由图11可知，异侧上送下回的通风方式下，当送风速度由0.4 m/s增至2.0 m/s时，截面z=0.7 m和z=1.8 m的平均甲醛质量浓度相差最小，并在不同的送风速度下，不同截面上的平均甲醛质量浓度相差不大。这说明了在不同的送风速度下采用异侧上送下回的通风模式，卧室内的气流组织更加均匀。

图11 异侧上送下回不同平面的平均甲醛质量浓度

5 结论

对二次装修的卧室进行数值模拟，设定其他条件不变，仅改变送风速度分别对比不同的送风方式下的气流组织分布和甲醛质量浓度分布。

(1)其他条件不变，仅改变送风速度时，置换通风方式下截面z=0.7 m和z=1.8 m的甲醛质量浓度相对较低，说明采用置换通风的送风方式能有效降低卧室内的甲醛质量浓度，当送风速度为0.8 m/s时对降低室内甲醛的效果最佳。其次是异侧上送下回。其中顶送下回虽能够有效降低截面z=0.7 m和z=1.8 m的甲醛质量浓度，但会造成床面位置气流组织不均匀，甲醛质量浓度分布明显分层，吹风感较强。同时此种送风模式受气流组织和空间位置的影响，会阻碍甲醛的排出，使其除醛效果较差。

(2)其他条件不变，仅改变送风速度时，异侧上送下回相比较其他两种送风方式卧室内气流组织分布更加均匀。同时由甲醛扩散受到气流组织的影响可知，卧室内甲醛质量浓度在截面z=0.7 m和z=1.8 m上分布相比较其他两种送风方式比较均匀且分层明显。

(4)其他条件不变，仅改变送风速度时，置换通风采用0.8 m/s送风速度对降低室内甲醛的效果最佳，异侧上送下回采用不同的送风速度使得卧室内的气流组织更加均匀，舒适度较高。上述结论为后期房间的通风优化设计提供了参考依据。