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        地板送風(fēng)方式下室內(nèi)甲醛的擴(kuò)散模擬研究

        2021-08-09 00:55:46徐茜榮張浩王倩玄克勇
        關(guān)鍵詞:房間內(nèi)甲醛房間

        徐茜榮,張浩,2,*,王倩,玄克勇

        (1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101;2.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 濟(jì)南 250101;3.保定市建筑設(shè)計(jì)院有限公司,河北 保定 071000;4.山東林李建筑設(shè)計(jì)有限公司,山東 濟(jì)南 250014)

        0 引言

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升,人們對(duì)居住環(huán)境也提出了更高的要求,高檔、舒適、安全的室內(nèi)裝修已經(jīng)成為當(dāng)代居民的共同追求,隨之而來(lái)的就是裝修所帶來(lái)的室內(nèi)污染問(wèn)題。已有資料顯示,甲醛是裝修過(guò)程中產(chǎn)生的主要污染物,如房間內(nèi)的木制家具、室內(nèi)裝飾和繪畫(huà)等中通常含有較高含量的甲醛[1-3]。因此降低室內(nèi)甲醛含量是為人們提供安全、衛(wèi)生、舒適的居住環(huán)境的重要舉措。學(xué)者們指出,通風(fēng)不僅可以調(diào)控室內(nèi)溫濕度,而且還可以有效地降低室內(nèi)污染物的濃度[4-5]。通風(fēng)的實(shí)質(zhì)就是交換室內(nèi)外的空氣,加強(qiáng)通風(fēng)能夠?qū)⒏嗟男迈r空氣供入室內(nèi),從而大大降低污染物的含量,改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)。目前較常采用的通風(fēng)方式有自然通風(fēng)、置換通風(fēng)、地板送風(fēng)[6]等,文章主要探究采用地板送風(fēng)來(lái)降低室內(nèi)污染物含量的方式。

        目前,許多學(xué)者在研究地板送風(fēng)方式下的室內(nèi)空氣品質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)通風(fēng)可以方便快速地提高室內(nèi)空氣的品質(zhì)。BAUMAN等[7]研究了在下送上回的地板送風(fēng)工況下的室內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況,發(fā)現(xiàn)在送風(fēng)口附近處的風(fēng)速大,有明顯的吹風(fēng)感,并且隨著送風(fēng)速度的減小,房間內(nèi)溫度會(huì)發(fā)生分層。ARENS等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在地板送風(fēng)模式下,送風(fēng)速度較高時(shí),其大小決定了室內(nèi)溫度的分層程度。SHOKROLLAHI等[9]通過(guò)優(yōu)化地板送風(fēng)系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)較之于傳統(tǒng)送風(fēng)方式,地板送風(fēng)可節(jié)能約13.2%,且由于存在垂直溫差和局部對(duì)流冷卻,地板送風(fēng)可以滿足局部熱舒適的要求。潘李丹[10]對(duì)比了不同通風(fēng)方式下室內(nèi)二氧化碳達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間,發(fā)現(xiàn)采用地板送風(fēng)時(shí),室內(nèi)的二氧化碳濃度場(chǎng)在較短的時(shí)間內(nèi)就能夠達(dá)到穩(wěn)定。王倩等[11]對(duì)比了夏季不同通風(fēng)方式下室內(nèi)甲醛的分布,得出當(dāng)采用地板送風(fēng)時(shí)室內(nèi)甲醛的含量更低。

        文章結(jié)合我國(guó)室內(nèi)環(huán)境污染的現(xiàn)狀,研究了夏季地板通風(fēng)方式下室內(nèi)甲醛的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程,利用有限元分析軟件ANSYS模擬室內(nèi)空氣的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及甲醛的濃度場(chǎng),并據(jù)此提出能夠提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的措施。

        1 地板送風(fēng)方式概述

        地板送風(fēng)就是指從地面往建筑物內(nèi)提供具有一定速度的空氣,在新鮮空氣向上流動(dòng)的過(guò)程中,會(huì)與污染氣體迅速地?fù)交煸谝黄?,因此該過(guò)程會(huì)不可避免的產(chǎn)生熱交換,由此達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。較之于置換送風(fēng),此種方式的風(fēng)速更大,因此能夠加強(qiáng)室內(nèi)空氣的混合程度。在制冷系統(tǒng)中采用地板送風(fēng)時(shí),應(yīng)將送風(fēng)溫度設(shè)定在17~18℃,并且送風(fēng)速度不應(yīng)超過(guò)2 m/s。這樣不僅可以降低工作區(qū)和人員活動(dòng)區(qū)的空氣溫度,還可以保證較高的空氣品質(zhì)[12-13]。

        地板送風(fēng)方式便于室內(nèi)人員對(duì)建筑物內(nèi)的局部環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié),幫助其及時(shí)且高效地將室內(nèi)的污染物及余熱排出,提高室內(nèi)的空氣品質(zhì)。不僅如此,與其他的送風(fēng)方式相比,在對(duì)建筑物進(jìn)行重新裝修時(shí),采用地板送風(fēng)的方式可以節(jié)省大量資金。采用地板送風(fēng)時(shí),新鮮空氣會(huì)與送風(fēng)口周?chē)目諝鈸交?,使地板附近的空氣溫度上升,從而使垂直方向上的空氣溫度梯度降低[14]。較之于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng),地板送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度較高,更為節(jié)能,其能耗僅為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的34%[15]。在應(yīng)用地板送風(fēng)系統(tǒng)的房間中,室內(nèi)的空氣品質(zhì)和熱舒適性由送風(fēng)口直接決定,但目前關(guān)于如何改善地板送風(fēng)口性能方面的研究較少,因此地板送風(fēng)方式并未在我國(guó)得到大力推廣。

        2 地板送風(fēng)房間的數(shù)學(xué)及物理模型

        通過(guò)建立相關(guān)的控制方程,可以對(duì)室內(nèi)甲醛的分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬??刂品匠炭梢詼?zhǔn)確描述房間內(nèi)氣體的流動(dòng)規(guī)律,模擬中涉及到質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒方程。采用湍流模型模擬房間內(nèi)的氣流流動(dòng)。

        2.1 數(shù)學(xué)模型

        2.1.1 基本控制方程

        基本控制方程由式(1)表示為

        在質(zhì)量守恒方程中,φ為1、Γ為0、S為0;在動(dòng)量守恒方程中,φ為分速度ui、Γ為速度u、S為;在能量守恒方程中φ為溫度T、Γ為擴(kuò)散系數(shù)k/c、S為ST。

        所研究房間內(nèi)的流體是室內(nèi)空氣與甲醛的混合物,因此采用組分輸運(yùn)模型對(duì)室內(nèi)甲醛的分布情況進(jìn)行模擬。組分輸運(yùn)模型由式(2)表示為

        式中u x、u y、u z分別為x、y、z方向的速度,m/s;s(x,y,z)為任意一點(diǎn)的擴(kuò)散強(qiáng)度;C為甲醛的質(zhì)量濃度,mg/m3。

        2.1.2 湍流模型中的相關(guān)方程式(k-ε方程)

        湍動(dòng)能方程(即k方程),由式(3)表示為

        式中k為湍動(dòng)能;μt為渦粘性系數(shù);σk為k方程中的湍流普朗特?cái)?shù);x i、x j分別為i、j坐標(biāo)位置;G k為由層流速度梯度引起的湍流動(dòng)能,J;G b為由浮力引起的湍流動(dòng)能,J;ε為紊動(dòng)能耗散率;S k為k方程中的源項(xiàng)。

        湍流能量耗散率方程(即ε方程),由式(4)表示為

        式中C1ε、C2ε、C3ε為湍流模型系數(shù),由實(shí)驗(yàn)得到;Sε為ε方程中的源項(xiàng)。

        2.2 物理模型

        2.2.1 幾何模型建立

        選取某采用地板送風(fēng)的臥室作為研究對(duì)象,設(shè)定房間尺寸為3.3 m×4.8 m×2.6 m,對(duì)房間模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,如圖1所示。在此模型中,衣柜和地板為室內(nèi)散發(fā)甲醛的污染源。各部分的具體尺寸見(jiàn)表1。

        圖1 地板送風(fēng)房間的物理模型圖

        表1 房間模型具體設(shè)置表

        2.2.2 網(wǎng)格劃分

        結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的方法適用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)工整、簡(jiǎn)單的模型,并且可以很好地控制所生成網(wǎng)格的質(zhì)量,使計(jì)算更易于收斂,結(jié)果的準(zhǔn)確性也較高。因此,對(duì)所建立的物理模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的方法,如圖2所示。通過(guò)網(wǎng)格的獨(dú)立性驗(yàn)證,模型中的地板送風(fēng)的最少網(wǎng)格數(shù)是54 457,所劃分的網(wǎng)格的尺寸、質(zhì)量都滿足要求。

        圖2 地板送風(fēng)房間物理模型的網(wǎng)格劃分圖

        2.2.3 物理模型的簡(jiǎn)化及相關(guān)假設(shè)

        在通過(guò)模擬來(lái)分析夏季地板送風(fēng)方式下房間的熱舒適性和室內(nèi)空氣品質(zhì)時(shí),為了使所建立的物理模型與研究的房間內(nèi)實(shí)際的氣體流動(dòng)狀態(tài)更加接近,需要對(duì)所建模型做如下簡(jiǎn)化:

        (1)對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和甲醛濃度場(chǎng)的分析,是在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后所進(jìn)行[16],因此在模擬中可以將房間內(nèi)的空氣的流動(dòng)看作是穩(wěn)態(tài)、具有高紊流雷諾數(shù)的流動(dòng)過(guò)程;

        (2)室內(nèi)空氣、污染氣體甲醛,都可以在模擬中假設(shè)為不可壓縮的常物性流體,因?yàn)樵谡麄€(gè)的流動(dòng)過(guò)程中會(huì)忽略室內(nèi)氣體的密度變化,即將其密度視為常數(shù);

        (3)忽略從門(mén)縫、窗及墻等位置滲入外部空氣的情況;

        (4)不考慮室內(nèi)其他熱源的影響(如室內(nèi)人員、燈具、家電的散熱),并將房間內(nèi)各壁面看作是壁溫恒定的穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程;

        (5)甲醛的擴(kuò)散過(guò)程為單一的物理過(guò)程,不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng);

        (6)不考慮室內(nèi)墻壁、綠色植物等對(duì)甲醛的吸附作用。

        2.2.4 邊界條件的設(shè)定

        在夏季工況下,模擬采用地板送風(fēng)的房間內(nèi)甲醛的擴(kuò)散狀況和室內(nèi)熱舒適性。

        (1)為了能夠給人員活動(dòng)區(qū)域提供較低的空氣溫度和較高的空氣品質(zhì),模擬中設(shè)定地板送風(fēng)的風(fēng)速為1.25 m/s;

        (2)出口處的邊界條件設(shè)定為自由出流;

        (3)室內(nèi)的衣柜和地板是甲醛的來(lái)源地,采用質(zhì)量入口(Mass Flow Inlet)邊界條件,設(shè)定室內(nèi)甲醛的釋放強(qiáng)度為7.2×10-12kg/s[17];

        (4)定義溫度邊界條件:窗戶、外墻、內(nèi)墻和地面的溫度分別為28、26、25、24℃。

        3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        為了更好地探究甲醛的分布情況,在房間內(nèi)分別選取高度z為0.9、1.2、2.0 m的截面作為典型截面,分別為靠近送風(fēng)口、人員坐姿呼吸區(qū)和靠近回風(fēng)口,并以整個(gè)房間作為研究對(duì)象,探究y方向的甲醛分布和z方向的速度分布。

        3.1 典型截面處速度分布

        典型截面處速度流線如圖3所示。房間內(nèi)部沿地板供應(yīng)的氣流形成了一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻难h(huán)流,而漩渦的產(chǎn)生是由于夾帶射流,房間內(nèi)部的流動(dòng)大于從房間中疏散的能力。因此,內(nèi)部流動(dòng)必須先“排隊(duì)”才能離開(kāi)房間[18]。地板送風(fēng)的氣流組織形式為下送上回,所以在下部送風(fēng)口區(qū)域處具有較高的風(fēng)速。隨著高度的上升,z方向的風(fēng)速逐漸降低。在人員活動(dòng)區(qū)域z為1.2 m處風(fēng)速較低,室內(nèi)人員的吹風(fēng)感較小,會(huì)大大提升處于該區(qū)域的人員舒適感。

        圖3 典型截面處的速度流線圖

        速度分布云圖如圖4所示,地板送風(fēng)方式只在靠近送風(fēng)口的位置處具有較大速度,這是由于此處具有較大的卷吸能力,能夠向上卷吸風(fēng)口附近的空氣,但同時(shí)衰減速度也較大。該位置處的送風(fēng)風(fēng)速可達(dá)約1 m/s,且在此方向上速度的分布較為穩(wěn)定。

        圖4 z方向不同高度速度場(chǎng)分布云圖

        3.2 典型截面處溫度分布

        房間豎直平面上的溫度分布如圖5所示,房間內(nèi)存在明顯的溫度分層現(xiàn)象。在送風(fēng)口的位置,冷空氣會(huì)與室內(nèi)的熱空氣摻混,送風(fēng)氣流所流經(jīng)區(qū)域內(nèi)的溫度明顯低于氣流不容易到達(dá)的其他區(qū)域的溫度,在遠(yuǎn)離送風(fēng)口處,具有較高的溫度。隨著高度的增加,溫度梯度逐漸減小,這是由于室內(nèi)熱源人、電腦等主要集中在工作區(qū),而上方的熱源一般只有照明燈。除送風(fēng)口處溫度較低之外,室內(nèi)其他地方的溫度分布較為均勻,該地板送風(fēng)房間內(nèi)的溫度維持在296 K(23℃),能夠滿足室內(nèi)人員對(duì)溫度的要求。

        圖5 典型截面處溫度分布圖

        3.3 典型截面處甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況

        不同截面在地板送風(fēng)方式下甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布如圖6所示??梢杂^察到送風(fēng)口處的甲醛含量最低,這是因?yàn)樗惋L(fēng)口處的氣流組織較好且在此位置沒(méi)有漩渦產(chǎn)生。但在靠近回風(fēng)口處,由于氣流組織較差,此處甲醛含量較高。室內(nèi)甲醛的分布情況受到室內(nèi)流場(chǎng)的影響,在室內(nèi)存在障礙物(如床、桌子)的地方,氣流會(huì)先在水平方向流動(dòng),在繞過(guò)室內(nèi)障礙物后才會(huì)形成向上流動(dòng)的氣流,這種氣流會(huì)造成室內(nèi)下方空氣的交叉污染,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)在此處形成渦流[19],所以這些位置處的甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高。

        圖6 典型截面處甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

        由此可見(jiàn),在布置地板送風(fēng)口時(shí)應(yīng)盡量與室內(nèi)所存在的障礙物保持距離,并且應(yīng)盡量使風(fēng)口靠近外墻,以達(dá)到抵消在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)處所產(chǎn)生的最大負(fù)荷的目的;還應(yīng)合理布置房間內(nèi)的家具,減少死角的存在,可以很好地排出污染物。

        3.4 室內(nèi)寬度方向甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況

        y方向5個(gè)截面(分別為0.8、1.2、1.8、2.4、2.9 m)的甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖7所示,左側(cè)由于靠近室內(nèi)污染源衣柜,所以此處的甲醛含量最高。從左至右,與污染源的距離逐漸增大,與室內(nèi)送風(fēng)口之間的距離先增大后減小,因而中間處室內(nèi)甲醛的含量最低。對(duì)比圖6和7可以看出,y方向上甲醛的擴(kuò)散速率大于z方向,這是由于污染物甲醛在高度方向上受到了重力的影響[20]。所以在z方向上,隨著高度的增加甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分層會(huì)愈加明顯。

        圖7 y方向甲醛分布圖

        通過(guò)向室內(nèi)引入新風(fēng)來(lái)降低污染物的含量是目前較常采用的凈化建筑物內(nèi)空氣的方法。但在引入新風(fēng)的過(guò)程中,需要高度注意新風(fēng)的質(zhì)與量。應(yīng)該先過(guò)濾新風(fēng),再將其送入室內(nèi)。除此之外,將新風(fēng)直接送入室內(nèi)的方式也受到了人們的推崇。因?yàn)檫@些做法都會(huì)從根本上減少污染新風(fēng)的途徑;還應(yīng)該合理地布置室內(nèi)的送、回風(fēng)口,以減少室內(nèi)的送風(fēng)死角、提高室內(nèi)換氣效果。

        4 結(jié)論

        利用ANSYS軟件模擬了地板送風(fēng)方式下房間中甲醛的擴(kuò)散情況,得到主要結(jié)論如下:

        (1)室內(nèi)甲醛濃度場(chǎng)與室內(nèi)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)有關(guān),而且速度場(chǎng)對(duì)甲醛濃度場(chǎng)的影響更大;在房間高度方向上甲醛的擴(kuò)散速率較低,分層現(xiàn)象顯著;在衣柜、床等氣流組織差的地方室內(nèi)甲醛含量較高,在空氣流速較大、較均勻的地區(qū)甲醛含量較低。

        (2)室內(nèi)空氣由送風(fēng)口向回風(fēng)口處流動(dòng),在人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速適宜,吹風(fēng)感較小。

        (3)地板送風(fēng)方式下室內(nèi)存在較明顯的溫度分層現(xiàn)象,在整個(gè)房間內(nèi)會(huì)形成不同的局部氣候環(huán)境,但總體的室內(nèi)溫度能夠滿足人員舒適感的要求。

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