陳森楊，徐 立，劉 越，夏夢寒，方 揚

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

居住艙室是游客在郵輪航行中休息和生活的重要場所，因此艙室的環(huán)境對游客的旅游體驗有著重大影響。郵輪居住艙室配置了許多家具,其中不少家具的制造原材料為含有如甲醛等揮發(fā)性有機化合物的人造板，當室內(nèi)甲醛達到一定濃度時，會引起中毒甚至致癌、致死，因此需要對郵輪艙室的污染物進行研究。

由于甲醛等污染物具有毒害作用，因此許多學者利用CFD軟件來數(shù)值模擬污染物的擴散，對其擴散規(guī)律進行研究。國外學者Ioannis K.Panagopoulos[1]等人以公寓為對象，數(shù)值模擬了不同通風方案下?lián)]發(fā)性有機化合物(VOCs)和甲醛污染物在空氣中的分布。吳迪[2]基于CFD模擬技術(shù)，以住宅為對象,對其裝飾材料散發(fā)的甲醛進行了模擬研究，從而為減輕甲醛對人體的危害提供了理論依據(jù)。楊小妮[3]等人模擬了釋放源與通風速率對室內(nèi)甲醛擴散的影響，表明通風速率對甲醛擴散的影響最大。周唯薈[4]對人造板的VOCs散發(fā)規(guī)律進行了研究，其模擬結(jié)果與實驗較為接近。肖楚璠[5]等人模擬了會議室甲醛濃度的變化，結(jié)果表明通風可以有效地降低室內(nèi)甲醛的濃度。

基于上述研究，本文采用Airpak軟件數(shù)值模擬郵輪艙室在夏季同一空調(diào)通風系統(tǒng)下，艙室內(nèi)家具作為甲醛釋放源在不同擺放位置對其甲醛擴散的影響。以期能夠通過家具釋放源的合理擺放來改善室內(nèi)甲醛的濃度，為室內(nèi)優(yōu)化設(shè)計及甲醛濃度控制提供理論依據(jù)。

1 模型建立及描述

本文根據(jù)搭建的實際艙室，經(jīng)簡化后利用Airpak建立的艙室三維模型的示意圖如圖1所示。艙室長7.55 m、寬2.95 m、凈高2.15 m，艙室設(shè)置1個送風口，采用頂部送風方式；設(shè)置2個回風口，分別位于衛(wèi)生間頂部(回風口1)和墻壁下方(回風口2)。衛(wèi)生間門上距地板0.15 m高度處，設(shè)有一個0.2 m×0.2 m的回風格柵。原艙室有單人床、沙發(fā)、茶幾、梳妝臺、衣柜等眾多家具，為了方便研究釋放源的擺放位置對室內(nèi)甲醛擴散位置的影響，選取艙室內(nèi)的衣柜與梳妝臺作為甲醛釋放源。

圖1 艙室三維模型示意圖

對釋放源家具進行再擺放，得到方案一～方案四平面圖如圖2所示。與方案一相比，各方案只改變家具釋放源的位置，不改變家具的物理模型。各方案物理模型信息如表1所示。

圖2 方案一～方案四平面圖

表1 各方案物理模型信息

2 邊界條件與計算

在Airpak中建立上述方案的物理模型。室內(nèi)進行的是空氣與甲醛耦合的復雜湍流運動，但考慮到送風速度不高，將空氣與甲醛氣體均視為不可壓縮的牛頓流體。采用人造板制作的家具，其甲醛散發(fā)選擇一階衰減模型進行模擬，散發(fā)速率為5.6×10-7e-7.47×10-7tmg/(s·m2)[3]，其中，t為時間，s；e為自然常數(shù)。艙室內(nèi)天花板、地板、左右墻壁均視為絕熱狀態(tài)，陽臺窗戶熱流密度為270 W/m2，陽臺墻壁設(shè)置為室外溫度32 ℃，入戶門所在墻壁設(shè)置為26 ℃，艙室內(nèi)燈與電視總功率為218 W，艙室設(shè)計溫度23 ℃。

設(shè)置邊界條件，并經(jīng)過粗、細網(wǎng)格劃分，再以溫度為參考經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，最終選取4種方案的物理模型網(wǎng)格劃分信息如表2所示。

表2 4種方案的物理模型網(wǎng)格劃分信息

模擬過程中，甲醛濃度隨時間變化而變化，因此本文研究甲醛的擴散過程為三維非穩(wěn)態(tài)過程。選取二方程標準k-ε模型進行求解，求解精度均保持默認。模擬時間為24 h，其中前12 h房間為密閉狀態(tài)，空調(diào)系統(tǒng)不送風；后12 h打開空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)處理后的新鮮空氣以1.6 m/s的速度、18 ℃的溫度狀態(tài)送入室內(nèi)。

3 結(jié)果分析

3.1 密閉情況下，艙室內(nèi)甲醛濃度變化規(guī)律

設(shè)各方案中心點為M，密閉情況下，各方案M處甲醛濃度隨時間變化如圖3所示。由圖3可知，在密閉條件下，M(3.8，1.5，1.1)處甲醛濃度在0～6 h內(nèi)，從0開始快速達到峰值，方案二的峰值濃度為0.476 3 mg/m3，比方案一低7.3%；6 h后濃度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。這是由于初始時室內(nèi)甲醛濃度為零，隨著時間的推移，梳妝臺、衣柜作為釋放源釋放甲醛使其濃度升高，直至達到峰值；后期濃度降低是因為甲醛在室內(nèi)進行擴散，擴散趨勢比較穩(wěn)定。從圖3還可知，方案一與方案四的M處濃度較為接近且大于方案二與方案三，這是因為方案一與方案四釋放源的位置距離監(jiān)測點M比較近。因此散發(fā)甲醛的家具釋放源在布置時，應盡量遠離人員密集區(qū)域與經(jīng)常活動的區(qū)域。

圖3 密閉情況下，各方案M處甲醛濃度隨時間變化

3.2 相同通風條件下，艙室內(nèi)甲醛濃度變化規(guī)律

在同一空調(diào)系統(tǒng)與相同的送風條件下，獲得房間中心點M處的甲醛濃度隨時間變化的數(shù)據(jù)，相同通風情況下，各方案M處甲醛濃度分布如圖4所示。

圖4 相同通風情況下，各方案M處甲醛濃度分布

由圖4可知，各方案在M處甲醛濃度分布的走向趨勢一致。在13～18 h內(nèi)，由于空調(diào)送風而濃度均大幅降低；在18 h后，室內(nèi)甲醛濃度達到平衡、趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖3、圖4進行分析，得知有效的通風能使艙室內(nèi)家具釋放源釋放的甲醛大幅降低，方案一中M在密閉條件下的甲醛峰值濃度為通風條件下甲醛穩(wěn)定濃度的18.4倍。隨著空調(diào)系統(tǒng)的開啟，方案一甲醛濃度的下降速度大于其他3個方案，且在穩(wěn)定時，方案一的最低濃度為0.026 8 mg/m3，而方案三的最低濃度為0.062 3 mg/m3，后者是前者的2.3倍。因此艙室環(huán)境和通風系統(tǒng)相同時，艙室內(nèi)家具釋放源的擺放位置不同，艙室內(nèi)甲醛濃度分布不同，釋放源離出風口近的擺放方案中艙室內(nèi)甲醛濃度較低。

3.3 相同通風條件下，不同特征高度處甲醛濃度變化規(guī)律

人體平躺、坐立、站立時鼻孔嘴巴所對應的特征高度約為0.7 m、1.2 m、1.7 m[6]。由于甲醛對人體危害巨大，分析人體經(jīng)?；顒訁^(qū)域的特征高度位置的甲醛濃度有重要意義。通過模擬計算獲得各高度截面處的甲醛平均濃度。相同通風情況下，4種方案在不同特征高度處的甲醛濃度分布見圖5。

圖5 相同通風情況下，4種方案在不同特征高度處甲醛濃度分布

從圖5可知，在相同的通風情況下，各種方案在3個特征高度處的甲醛平均濃度在12～24 h內(nèi)趨勢與中心點M處相同，均在12～18 h內(nèi)快速下降，后逐漸趨于穩(wěn)定。方案一在通風1 h后，各特征高度處甲醛濃度均最低，趨于穩(wěn)定時的甲醛濃度也最低。

因此，可知郵輪艙室內(nèi)家具釋放源的擺放位置對甲醛的分布有重要影響。方案一家具釋放源離出風口較近，污染物在空調(diào)系統(tǒng)送風條件下隨著氣流較快離開室內(nèi)，因此方案一艙室內(nèi)甲醛濃度最低；方案四其次，而方案二與方案三距離出風口較遠，甲醛隨氣流擴散至室外較慢，因此艙室內(nèi)濃度高于方案一。

4 結(jié)束語

1)艙室在密閉條件下，家具釋放源會釋放甲醛，并在一定時間內(nèi)達到峰值。有效的通風，可使房間的甲醛濃度稀釋數(shù)倍，從而快速降低艙室內(nèi)甲醛濃度。

2)艙室內(nèi)家具釋放源的擺放位置對艙室內(nèi)甲醛濃度的分布有重要影響，艙室釋放甲醛等污染物的家具盡量擺在便于通風且離出風口較近的位置，合理地擺放家具釋放源的位置，也可大幅度降低室內(nèi)甲醛濃度。