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        基于Fluent 的通風(fēng)排氣裝置設(shè)置與優(yōu)化探討- 以江蘇大學(xué)A 區(qū)為例

        2020-05-19 09:15:34陳思涵吳喜貞
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2020年11期

        陳思涵 王 瑜 吳喜貞

        (江蘇大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江212013)

        1 概述

        改革開放以來(lái),城鄉(xiāng)建設(shè)行業(yè)發(fā)展飛快,除新建工程外,改建、擴(kuò)建工程也很多。由于辦公條件的改善或因建筑功能的改變而增設(shè)的衛(wèi)生間都涉及到排氣問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,有關(guān)專家學(xué)者主要對(duì)機(jī)械排風(fēng)方法進(jìn)行研究,總結(jié)出機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)雖然一次性投資較大,但它能適應(yīng)復(fù)雜多變的建筑布局,不受建筑布局和室外氣候限制,也不影響其它設(shè)施的正常使用,通風(fēng)效果比較理想。

        國(guó)外有醫(yī)學(xué)專家甚至認(rèn)為,密閉的衛(wèi)生間是最容易讓人患癌癥的地方。衛(wèi)生間內(nèi)良好的通風(fēng)設(shè)計(jì),可以稀釋室內(nèi)的污濁空氣濃度,保持室內(nèi)空氣清新,也能避免其他房間得空氣受到影響。因此,了解并改善衛(wèi)生間的通風(fēng)狀況有著重要的意義。大量試驗(yàn)研究表明,公共建筑衛(wèi)生間通風(fēng)設(shè)計(jì),應(yīng)該根據(jù)使用頻率、溫度、排風(fēng)口布置及通風(fēng)控制策略等進(jìn)行考慮,才能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。最后得出公共建筑衛(wèi)生間機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意的幾個(gè)問(wèn)題:要選用低噪聲、耐腐蝕的排風(fēng)機(jī),進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)管材要求防銹耐腐;當(dāng)同一個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)有多個(gè)排氣扇時(shí),在排風(fēng)支管上設(shè)止回閥,或者選擇自帶止回功能的排風(fēng)扇以防止空氣回流;排風(fēng)總管人管井處設(shè)70°C 防火閥;北方地區(qū)或者濕度較大的衛(wèi)生間排風(fēng)管道要有一定坡度坡向排風(fēng)管井,并設(shè)計(jì)外保溫墻;盡量采用鐵皮風(fēng)道,禁止采用土建風(fēng)道。

        基于這些研究,我們逐漸把目光集中于學(xué)生宿舍樓。在我國(guó)大陸地區(qū), 幾乎所有的中學(xué)和大學(xué)里帶衛(wèi)生間的宿舍都是將衛(wèi)生間設(shè)計(jì)在朝窗戶側(cè)。學(xué)生宿舍作為學(xué)生較長(zhǎng)時(shí)間待的地方,其空氣狀況對(duì)學(xué)生的健康狀況起著非常重要的作用。目前有的學(xué)生宿舍和部分公寓樓衛(wèi)生間由于條件限制沒(méi)有安置在負(fù)壓側(cè),導(dǎo)致通風(fēng)不暢氣味串聯(lián)。衛(wèi)生間是室內(nèi)最易有衛(wèi)生狀況的地方,由于廁所、排水管道及地漏的某些狀況,導(dǎo)致氣味無(wú)法快速排出室內(nèi),散發(fā)出氨氣、硫化氫等對(duì)人體健康有害的氣體。眾所周知,氨氣為無(wú)色有刺激性惡臭的氣味,會(huì)對(duì)皮膚、呼吸道和眼睛造成傷害,硫化氫有劇毒,對(duì)學(xué)生的健康狀況有一定的影響。本文為解決宿舍樓內(nèi)衛(wèi)生間氣味串聯(lián)問(wèn)題,利用CAD 建模、Fluent 室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)模擬,對(duì)衛(wèi)生間的氣流進(jìn)行模擬,整合信息并對(duì)其優(yōu)化以達(dá)到解決衛(wèi)生間氣味串聯(lián)的目的。

        2 研究過(guò)程

        2.1 研究對(duì)象確定

        2.1.1 調(diào)查問(wèn)卷

        我們制作網(wǎng)上調(diào)查問(wèn)卷,共有410 人參與調(diào)查,只有12%的人認(rèn)為廁所基本沒(méi)有異味,且大多數(shù)人是在宿舍樓里聞到異味。衛(wèi)生間的狀況也是同學(xué)們切身經(jīng)歷過(guò)的,所以我們調(diào)查是具有真實(shí)性和實(shí)際參考價(jià)值的。

        2.1.2 實(shí)地考察

        我們實(shí)地測(cè)量了江蘇大學(xué)校內(nèi)具有代表性的樓棟內(nèi)衛(wèi)生間:A 區(qū)、B 區(qū)、三山樓,其中,A 區(qū)、B 區(qū)為宿舍樓,三山樓為教學(xué)樓。利用測(cè)距儀測(cè)量并形成了這三處的平面圖以及三維圖。

        A 區(qū)為老一區(qū),住宿環(huán)境較差,衛(wèi)生間為旱廁,沖水裝置為手動(dòng)式水箱中放水,水的沖擊力不強(qiáng),且水流經(jīng)過(guò)路徑約為5.4 米,造成一些排泄物不能及時(shí)沖刷干凈,在旱廁中滯留,產(chǎn)生氨氣等有害氣體。而且衛(wèi)生間無(wú)排風(fēng)裝置,僅有一扇窗戶,只能通過(guò)自然通風(fēng)來(lái)進(jìn)行散味。同時(shí),該衛(wèi)生間沒(méi)有安裝在負(fù)壓側(cè),一旦外界風(fēng)力處于低速時(shí)會(huì)造成氣味串聯(lián),整個(gè)樓道都充斥著有害氣體。

        B 區(qū)為新一區(qū)宿舍樓,衛(wèi)生間為帶有沖水裝置的蹲坑,不會(huì)造成排泄物堆積的狀況。雖然僅有一扇窗戶,但通風(fēng)狀況良好。

        三山樓是一棟教學(xué)樓,為了給學(xué)生提供便利,衛(wèi)生間設(shè)有兩排廁所,均為附有沖水裝置的蹲坑。雖然僅有一扇窗戶,但窗戶位于與河邊相隔的馬路對(duì)面,通風(fēng)狀況良好,氣體可以有效排放。經(jīng)過(guò)對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)A 區(qū)宿舍樓衛(wèi)生間通風(fēng)狀況是最差的,故選取A 區(qū)衛(wèi)生間為主要研究對(duì)象。

        2.2 研究原因及目的

        衛(wèi)生間是室內(nèi)必不可少的一種空間布局。通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷和親身經(jīng)歷,能得到結(jié)論:衛(wèi)生間的氣體的確對(duì)學(xué)上的生活產(chǎn)生了一定程度的影響。衛(wèi)生間的主要有害氣體是氨氣和硫化氫,低濃度的硫化氫對(duì)眼、呼吸系統(tǒng)及中樞神經(jīng)有影響,而吸入少量高濃度的硫化氫可于短時(shí)間內(nèi)致命。氨氣可能會(huì)使人呼吸不暢,不利于思考和記憶,對(duì)免疫力差的人更會(huì)產(chǎn)生巨大危害。為了學(xué)生的健康,以及為學(xué)生提供良好的住宿環(huán)境,我們對(duì)衛(wèi)生間的通風(fēng)排氣方式設(shè)置進(jìn)行研究。我們簡(jiǎn)單確定了衛(wèi)生間氣味指數(shù)的等級(jí),進(jìn)而更好地優(yōu)化管道及排風(fēng)裝置的設(shè)置。下表是我們查閱資料得知衛(wèi)生間氣味指數(shù)等級(jí)。(見表1)

        表1 衛(wèi)生間氣味指數(shù)等級(jí)

        根據(jù)前期問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果,參與調(diào)查的同學(xué)中52%的同學(xué)認(rèn)為衛(wèi)生間氣味指數(shù)等級(jí)達(dá)到三級(jí),因此我們將以設(shè)計(jì)衛(wèi)生間通風(fēng)方式和排氣扇設(shè)置為目標(biāo),解決由于衛(wèi)生間異味以及有害氣體無(wú)法排除而導(dǎo)致的對(duì)人體產(chǎn)生不利影響的問(wèn)題,重點(diǎn)研究衛(wèi)生間通風(fēng)口的設(shè)置、強(qiáng)制氣流流動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)以及相應(yīng)狀態(tài)下衛(wèi)生間內(nèi)空氣流動(dòng)的分析。

        2.3 常見的通風(fēng)方法分析

        自然通風(fēng)是利用自然風(fēng)壓、熱壓、空氣溫差、空氣密度差等依靠室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓以及室內(nèi)空氣溫度造成的熱壓對(duì)室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)的方式,即被動(dòng)通風(fēng)?,F(xiàn)在的住宅中有外窗的衛(wèi)生間大多數(shù)都是利用自然通風(fēng)來(lái)解決排除異味、引進(jìn)室外空氣等需求,是最節(jié)能環(huán)保的一種通風(fēng)方式。然而風(fēng)壓受到天氣、周圍環(huán)境、建筑物設(shè)計(jì)、室外風(fēng)向等因素的影響,風(fēng)壓與熱壓共同作用時(shí),其共同作用可能會(huì)相互抵消。因此,利用外窗來(lái)進(jìn)行衛(wèi)生間自然通風(fēng)的方式雖然簡(jiǎn)便,但不能隨時(shí)滿足衛(wèi)生間的需求。

        機(jī)械通風(fēng)主要是靠風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)的動(dòng)力,利用機(jī)械設(shè)備使室外空氣不斷地進(jìn)入室內(nèi),沿著預(yù)定路線流動(dòng),將室內(nèi)污染物濃度稀釋到一個(gè)低水平后排出。機(jī)械通風(fēng)的排氣扇可以設(shè)置在吊頂處,也可以設(shè)置在側(cè)墻處。機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)一般是由吊頂排氣扇、風(fēng)機(jī)、支管、主風(fēng)管、閥門等組成。這種系統(tǒng)效率高,能適應(yīng)復(fù)雜多變的建筑布局,不受室外氣候影響,但是一次性投資大。

        混合通風(fēng)是自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合。我們認(rèn)為這是最理想的通風(fēng)方式。在有外窗的衛(wèi)生間安裝簡(jiǎn)單的機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng),可以滿足不同天氣狀況下良好的通風(fēng)效果,經(jīng)濟(jì)有效。

        考慮到A 區(qū)衛(wèi)生間的實(shí)際情況,我們知道,每個(gè)衛(wèi)生間都設(shè)置有外窗,是直接與外界環(huán)境相接觸的。但顯然,光有外窗是很難將異味排出,主要是因?yàn)楹芏嘈l(wèi)生間由于條件限制,沒(méi)有安置在負(fù)壓側(cè),導(dǎo)致通風(fēng)不暢氣味串聯(lián),而混合氣體通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)作用產(chǎn)生對(duì)人體有害的氨氣、硫化氫等有害氣體,對(duì)人體產(chǎn)生危害。故我們確定最終的通風(fēng)方式為混合通風(fēng)。在原有自然通風(fēng)的基礎(chǔ)上設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。

        2.4 風(fēng)場(chǎng)模擬以及排風(fēng)設(shè)置

        為了確定排氣扇的安裝位置,我們利用fluent 軟件進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)分析,主要分析無(wú)排氣扇以及將排氣扇安裝在不同位置情況下空氣氣流流速以及其對(duì)空氣污染物排出的影響。我們將排氣扇設(shè)置在窗對(duì)面、與門同側(cè)以及門對(duì)面,計(jì)算模型參數(shù)為:窗內(nèi)外壓差1.5Pa,環(huán)境壓力101325Pa,隔間高度1.6m,窗臺(tái)高度1m,排氣扇流量9.5m3/min,排氣扇高度2.5m 且與兩墻之間距離相等,空氣由窗戶進(jìn)入,在壓差作用下從門及排氣扇流出。

        2.4.1 無(wú)排氣扇

        在無(wú)排氣扇的情況下,在窗戶對(duì)面上方空間存在一個(gè)低速區(qū)??臻g大部分區(qū)域幾乎沒(méi)有壓力梯度,氣體流通性極差,導(dǎo)致氣味聚集不易消耗掉。另外,氣流從門排出去也會(huì)導(dǎo)致氣味串聯(lián)。因此有必要安裝排氣扇,既有利于空氣流通,又有助于將氣味收集排出不亂竄。(見圖1、2)

        圖1 無(wú)排氣扇計(jì)算模型

        圖2

        2.4.2 排氣扇在窗對(duì)面

        在窗戶對(duì)面安裝一個(gè)排氣扇后,衛(wèi)生間上方的低速區(qū)范圍明顯變小,氣流有序地從門以排氣扇排出,隔間處氣流的流通效果有所改善但流速較低。(見圖3)

        圖3

        2.4.3 排氣扇在門側(cè)

        把排氣扇安裝在門一側(cè)的墻上,可以發(fā)現(xiàn)衛(wèi)生間內(nèi)靠近門一側(cè)的一半空間氣流流速較大,隔間一側(cè)氣流流速較低。(見圖4)。

        圖4

        2.4.4 排氣扇在門對(duì)面

        整體上沒(méi)有流速較低的區(qū)域,整個(gè)空間內(nèi)的氣流都流動(dòng)起來(lái),特別是隔間附近的氣流,即氣味集中產(chǎn)生的區(qū)域,氣流可以及時(shí)有效地從排風(fēng)扇排。(見圖5)

        圖5

        綜上分析可以得出,我們對(duì)比了原始狀況與安裝排風(fēng)扇后的情況。在安裝排氣扇后衛(wèi)生間內(nèi)的氣流流通性明顯改善,低速區(qū)明顯變小,抑制了氣味的聚集,有利于污染物的排出。在對(duì)比將排氣扇安裝在不同位置的三種方案時(shí),分析得出:將排風(fēng)扇安裝在隔間一側(cè)對(duì)于衛(wèi)生間空氣流通以及氣味的收集效果最好。

        3 總結(jié)與建議

        A 區(qū)宿舍衛(wèi)生間應(yīng)該在隔間一側(cè)安裝排氣扇,管道直接通到室外,不需要太復(fù)雜,從而達(dá)到減輕衛(wèi)生間異味的目標(biāo)。對(duì)于大多數(shù)衛(wèi)生間來(lái)說(shuō),為了解決通風(fēng)問(wèn)題,盡量將衛(wèi)生間安裝在負(fù)壓側(cè),防止氣味串聯(lián),同時(shí)將排氣扇安裝在門對(duì)面可以促進(jìn)衛(wèi)生間整體空間空氣的流動(dòng),使氣流有效地從排風(fēng)扇排出。當(dāng)然,排氣管道沿最短路徑進(jìn)行安裝,節(jié)省空間和人力物力,良好的宿舍環(huán)境是學(xué)生學(xué)習(xí)和生活的保證,衛(wèi)生間環(huán)境的改善會(huì)給學(xué)生的宿舍生活更好的體驗(yàn)。

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