宋樺

太原市軌道交通發(fā)展有限公司

空氣品質好壞直接關系到人們的身體健康。國內學者通過對室內速度場、溫度場、污染物濃度等方面數值模擬，分析不同通風方式對室內空氣品質的影響[1-2]。許多文章在建模時均使用理想的方形模型。而住宅中，風口一般設置在某個房間，需要研究整個戶型的空氣品質。設計的戶型多種多樣，后期裝修中，鑒于空調成本，選擇即方便又經濟的通風扇實現室內空氣置換顯得尤為重要。本文選擇戶型中通風結構較差的“刀型”戶型進行模擬，研究室內空氣品質。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文采用圖1 所示的戶型建立物理模型（圖2）。模型高度為2.8 m，為實際戶型三室兩廳兩衛(wèi)，面積約為106 m2。南向為帶有陽臺的主臥，次臥、客廳朝北。窗戶均簡化為高1.5 m、寬0.8 m，離樓板高度為1 m。X正向為北向，Y 負向為重力方向。

圖1 刀字型戶型示意圖

圖2 物理模型圖

1.2 數學模型

簡化計算模型，假定房間內氣流為不可壓縮流體，湍流流動采用k-ε 方程。

1.3 邊界條件參數設置

采用計算流體力學軟件AIRPAK 進行三維建模，并對邊界條件進行設置和模型劃分網格。因為在本次模擬中只關心室內空氣品質的變化規(guī)律，只研究氣流速度場的變化，在設置中不進行能量方程的計算[3]。

在廚房窗戶頂部設置一臺窗式通風扇，長0.4 m，寬0.3 m，頻率為50 Hz，在本次模擬中分別取風速為2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s，三種類型的通風扇風速進行研究。

房間內所有的窗戶邊界定義為自由出流，只將通風扇定義為入口邊界或者出口邊界進行研究[4]?？紤]到樓道內空氣質量較差，因此入戶門在本次模擬中均關閉，不考慮從入戶門處流入房間的空氣。忽略門窗縫隙中的滲透風量[5]。

2 模擬結果及分析

模擬結果對人生活平均高度1.5 m 處的風速進行比較分析，空氣品質采用室內空氣齡進行研究，此次模型網格劃分及網格質量如圖3 所示。從圖3 可以看到網格劃分質量較高，有利于模擬計算結果的收斂，增加模擬結果的準確性。

圖3 模型網格劃分及網格質量

2.1 抽出式排風

將通風扇設置為抽出式排風模式進行數值模擬，在Y=1.5 m 處，通風扇風速v=2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s時風速矢量圖如圖4～6 所示，空氣齡云圖具體如圖7～9 所示。

圖4 排風v=2.5 m/s 時風速矢量圖

圖5 排風v=3.5 m/s 時風速矢量圖

圖6 排風v=4.5 m/s 時風速矢量圖

圖7 排風v=2.5 m/s 時空氣齡云圖

圖8 排風v=3.5 m/s 時空氣齡云圖

圖9 排風v=4.5 m/s 時空氣齡云圖

在通風扇為抽出式排風工況下，從圖4～6 可以看出，室內各房間的空氣產生流動，因為隨著廚房處排風的進行，室內空氣壓力降低[6]，室外新鮮空氣通過各房間的窗戶流入室內，并通過房間內門窗的相對位置關系，進行了適當的空氣流動路徑組織，最后匯聚到廚房排出，實現房間內空氣交換[7]。但從風速大小上可以看出，隨著排風速度的增加，各房間內的風速大小變化并不明顯，這是因為排風速度較小，并且圖示為Y=1.5 m 處的風速，而排風口是在2.7 m 高的位置，排風速度的增加對Y=1.5 m 處的風速影響較小。從圖7～9 可以看出，隨著通風扇排風速度的增加，房間整體空氣齡在減少，即房間空氣品質在逐漸提高，但不同房間卻有著不同的情況，隨著排風速度的增加，客廳空氣齡減小的幅度最大，最為明顯，而主臥和書房內的空氣齡減少幅度最小。

2.2 壓入式送風

將通風扇設置為壓入式送風模式進行數值模擬，在Y=1.5 m 處，通風扇風速v=2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s時風速矢量圖如圖10～12 所示，空氣齡云圖如圖13～15 所示。

在通風扇為壓入式送風工況時，從圖10～12 可以看出，房間氣流組織流動方向與抽出式排風工況相反，房間依舊進行了空氣置換[8]。而隨著送風速度的增加，各房間內風速變化在Y=1.5 m 處的位置依舊不明顯，與抽出式排風工況相比較，生活區(qū)所在的高度Y=1.5 m 處的風速受通風扇進風（排風）速度的變化影響較小，可見在住宅中設置窗式通風扇并不影響人們日常對生活區(qū)風速的舒適性要求。從圖13～15 可以看出，在此工況下，廚房和客廳的空氣齡最小，并且隨著風速的增加，空氣齡逐漸降低。主臥，次臥和書房的空氣齡較大，空氣品質較差。

圖10 送風v=2.5 m/s 時風速矢量圖

圖11 送風v=3.5 m/s 時風速矢量圖

圖12 送風v=4.5 m/s 時風速矢量圖

圖13 送風v=2.5 m/s 時空氣齡云圖

圖14 送風v=3.5 m/s 時空氣齡云圖

圖15 送風v=4.5 m/s 時空氣齡云圖

2.3 模擬結果對比

對數值模擬計算結果進行整理，分別選取主臥及客廳的空氣齡模擬結果，對其在房間整個高度上的變化規(guī)律進行研究。結果選取通風扇風速為3.5 m/s 時，抽出式排風和壓入式送風工況下，主臥及客廳的空氣齡隨高度的變化情況，如圖16 所示。

圖16 空氣齡隨房間高度變化規(guī)律

從圖16 可以看出，主臥區(qū)域的空氣齡遠遠大于客廳區(qū)域的空氣齡，原因是在圖1 上可見，主臥距離通風扇較遠，進風（或排風）對于主臥產生的影響較小，因此主臥區(qū)的空氣置換程度較小，空氣齡較大，品質較差。而客廳距離通風扇較近，進排風對其影響程度大，空氣齡較小，品質較優(yōu)；對于主臥，不同的換氣形式對其空氣品質影響較大，壓入式送風形式形成的空氣品質明顯差于抽出式排風形式，分析原因可知，壓入式送風的原理是要為房間送入新風，造成房間內壓力增加，形成正壓，從而氣流通過窗戶流向室外。抽出式排風的原理是抽出房間內的氣體，造成房間內壓力減小，形成負壓，從而氣流通過窗戶由室外流向室內[9]。結合圖8 與圖14 可知，在壓入式送風工況下，由于廚房空間有限，大部分的新鮮空氣停留于廚房內，造成廚房內的空氣品質極好，但通過房門流入主臥的空氣較少，從而對主臥房間的增壓效果不明顯，造成主臥房間空氣置換頻率降低[10]。而對于抽出式排風工況，廚房易形成負壓[11]，廚房的負壓使得主臥陽臺窗戶處空氣置換頻率增加，從而降低主臥的空氣齡，提高了空氣品質。

取主臥及客廳Y=1.5 m 處的中心點處的空氣齡在不同換氣形式工況下隨送排風風速逐漸增大時的變化規(guī)律，如圖17、圖18 所示。

圖17 主臥空氣齡變化規(guī)律

圖18 客廳空氣齡變化規(guī)律

從圖17、18 可以看出，不同通風扇風速下，抽出式排風形式下室內空氣齡均低于壓入式送風形式，約為31.15%，即抽出式排風形式更有利于提高刀型住宅的空氣品質。隨著通風扇風速每增加1 m/s，各房間的空氣齡平均變化率如圖19 所示。

由圖19 分析可知，壓入式送風形式對房間空氣齡的影響較大，空氣品質波動較大。抽出式排風形式對房間空氣齡影響較為穩(wěn)定，空氣品質波動較小。并且從圖中可以看出，抽出式排風形式對離排風口較遠的主臥影響程度高于客廳，相反，壓入式送風形式對離送風口較近的客廳影響程度較大，可見通風扇抽出式排風形式對離風口較遠的區(qū)域影響較大，而壓入式送風形式對離風口較近的區(qū)域影響較大。

圖19 空氣齡平均變化率對比

3 結論

根據以上分析，可得出如下結論：

1）由于空調成本的較高，在居住的房子內安裝窗式通風扇可以實現房間內空氣與室外空氣交換，提高室內空氣品質。

2）對于刀字戶型住宅，在不影響房間裝修美觀的情況下，將窗式通風扇安裝于隱蔽的廚房上部，模擬結果表明，抽出式排風形式比壓入式送風形式更加有利于室內空氣品質的提高，且空氣齡比壓入式送風減少31.15%。

3）通過對比不同區(qū)域空氣齡的變化率變化規(guī)律可知，通風扇換氣形式中壓入式送風對近距離區(qū)域的空間品質影響較大，而抽出式排風對遠距離區(qū)域影響較大。