矢流通風衛(wèi)生間污染物氣體擴散數(shù)值模擬

林豹 彭小勇 陳麗園 吳政江

南華大學土木工程學院

隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)代公共建筑室內(nèi)環(huán)境正日益受到設計者和居住者的重視，但公共衛(wèi)生間內(nèi)空氣質量、衛(wèi)生環(huán)境卻是最差的部分之一，其主要污染物是水蒸氣及其他不良氣體[1]。如硫化氫、氨氣、甲硫醇、甲流二醇、乙胺、吲哚，而當下對人體影響最嚴重的污染物是氨氣和硫化氫。GB50325-2010 要求室內(nèi)氨氣質量濃度不得超過 0.2 mg/m3[2]，工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準 TJ36-79 要求生活區(qū)空氣中硫化氫的最高容許濃度為0.01 mg/m3[3]。2020 年，新冠肺炎來襲，此病毒可通過糞口傳播途徑的條件為患者糞便中存在具有傳染性的病毒，且病毒通過糞 -口或糞 -呼吸途徑進入并感染其他人體[4]。因此，公共衛(wèi)生間良好的通風，不僅有利于如廁時空氣品質的改善，而且還將避免諸如新冠此類病毒的交叉?zhèn)鞑ジ腥尽鴥?nèi)外許多學者對公共衛(wèi)生間的污染問題進行了大量的研究[5-7]，但是對于公共衛(wèi)生間的單向矢流形式的氣流組織的研究較少，鑒于衛(wèi)生間對于建筑室內(nèi)空氣質量，人體健康及新冠病毒等類似病毒交叉感染的控制的重要性，對公共衛(wèi)生間內(nèi)污染物氣體濃度分布的研究及其控制是非常重要。

1 衛(wèi)生間數(shù)值模擬的數(shù)學模型

數(shù)值模擬方法是利用計算流體力學原理，采用計算機技術進行模擬，本文利用FLUENT 軟件作為數(shù)值模擬的工具，模擬過程中污染物入口采用組分運輸傳輸模型，氣相湍流采用模型。考慮擴散過程中有浮力驅動的自然對流影響。運用有限容積和SIMPLEC 格式的壓力速度耦合格式對控制方程進行離散求解[8-10]。通過試算比較，以上模型選取可以比較精確的模擬出H2S 和NH3的濃度。

2 單元衛(wèi)生間CFD 模型的建立

根據(jù) 《城市公共廁所設計標準》[11]建立傳統(tǒng)衛(wèi)生間模型，衛(wèi)生間模型的長寬高為 1.5 m× 1.2 m× 2.5 m，對衛(wèi)生間內(nèi)部細微結構進行簡化處理，蹲便器為污染源釋放處，為了更加符合真實情況將其簡化為 0.35 m× 0.15 m 釋放口，門縫進風口為0.8 m× 0.05 m，頂部排風口為0.3 m× 0.3 m，衛(wèi)生間結構如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)生間數(shù)值模擬物理模型

3 邊界條件設置

衛(wèi)生間模型的邊界條件主要包括衛(wèi)生間蹲便器，排風口以及門縫。假設衛(wèi)生間內(nèi)無其他熱源，圍護結構絕熱。忽略塵埃粒子的質量對氣流的干擾，衛(wèi)生間內(nèi)的污染源的發(fā)塵速率恒定不變。衛(wèi)生間氣流為不可壓縮牛頓流體。氨氣和硫化氫的擴散適用于速度進口邊界條件，設置風速為 0.1 m/s[12]，氨氣濃度為 1× 10-6kg/m3,硫化氫濃度為5× 10-6kg/m3。門縫設為自由入口。排風口設為速度出口，速度設為0.7 m/s(根據(jù)換氣次數(shù)30 次/h 計算而來)。其他內(nèi)墻邊界條件定義為壁面。

在模擬過程中操作壓力采用標準大氣壓101.325 kPa，衛(wèi)生間內(nèi)環(huán)境溫度為298.15 K，污染物擴散面溫度為310.15 K。

4 衛(wèi)生間內(nèi)污染物濃度分布數(shù)值模擬結果分析與改進

4.1 空態(tài)下衛(wèi)生間數(shù)值模擬

4.1.1 傳統(tǒng)衛(wèi)生間模型內(nèi)氨氣和硫化氫數(shù)值模擬結果分析

從圖2 中可以看出當采用頂排風的方式對衛(wèi)生間進行通風時，由于排風裝置的影響，污染物氣體的密度和熱浮力對于其擴散影響微小，主要驅動力是機械排風，所以衛(wèi)生間內(nèi)氨氣和硫化氫的濃度分布趨勢類似。從圖中可以看出污染物擴散范圍比較大，基本上擴散到整個衛(wèi)生間，在蹲便器附近的污染物濃度較高。圖3顯示，在Z=1 m 平面，氨氣的平均質量分數(shù)為 5.75× 10-7，國家氨氣質量濃度標準限值為 0.2 mg/m3，對應的質量分數(shù)約為1.55× 10-7，說明當衛(wèi)生間采用頂排風的方式進行通風時，人的呼吸平面Z=1 m 處氨氣濃度嚴重超出了國家標準。此外整個衛(wèi)生間氨氣的平均質量分數(shù)為5.54× 10-7，也是嚴重超出了限定值，說明此通風方式下整個衛(wèi)生間污染物程度較高。

圖2 X=0.6 m 平面氨氣和硫化氫濃度分布云圖

圖3 Z=1 m 平面氨氣和硫化氫濃度分布云圖

結合圖2、圖3 的濃度分布云圖分析結果，從衛(wèi)生間的氣流組織角度出發(fā)進一步分析頂排風方式的特點。從圖4 中可以看出，衛(wèi)生間中間產(chǎn)生了一個比較大的漩渦，幾乎整個切面都形成了一個漩渦，這樣就會使得衛(wèi)生間內(nèi)的污染物無法很有效的排出衛(wèi)生間外，使污染物一直殘留在衛(wèi)生間內(nèi)部。

圖4 X=0.6 m 平面氣流組織流線分布圖

4.1.2 衛(wèi)生間進、排風方式改進分析

要使衛(wèi)生間內(nèi)的污染物能夠有效的排出，一個良好的氣流組織形式是必要的條件。所以本文提出一種單向矢流衛(wèi)生間單元，使衛(wèi)生間內(nèi)的氣流組織形態(tài)為單向矢流。單向矢流潔凈室的送、回風形式為側上角送風，對側下角回風。為了滿足衛(wèi)生間負壓排風的要求，本文采用側上角為自由進風口，對側下角為負壓排風口。

哈爾濱工業(yè)大學魏學孟等在單向流潔凈室方面做了大量研究[13-14]，提出了矢流潔凈室的設計參數(shù)，潔凈室高長比為0.5～1 之間，扇形送風口面積為所在側墻的0.35 倍，回風口面積為送風口面積的 1/5～1/6 倍。根據(jù)以上資料，本文對衛(wèi)生間進、排風口的位置和形式進行改變。保持衛(wèi)生間長寬高不變、保留門縫、風速保持不變、新增進風口置于側上角、排風口置于對側下角（圖5）。進風口面積為 0.3 m× 1 m，排風口面積為0.15 m× 1 m。進風口采用百葉風口，百葉風口是空調領域應用最廣的一類送風口，通過調整葉片角度可產(chǎn)生不同的射流。其出流方式有多種形式，對于具有可調葉片的百葉風口，常見的出流方向為互相平行的 1 束直出流以及葉片對稱張開形成一定夾角的 3 束出流[15]。具體形式如圖6 所示。

圖5 衛(wèi)生間數(shù)值模擬物理模型

圖6 百葉風口模型

4.1.3 模擬結果分析

從圖7 中可以看出，除了蹲便器周圍的污染物濃度較高以外，衛(wèi)生間內(nèi)剩余90%的地方污染物氣體的濃度顯著改善。圖 8 顯示，Z=1 m 呼吸平面的污染物氣體濃度再一次驗證了此種通風方式的優(yōu)點，呼吸區(qū)平面的氨氣的質量分數(shù)降到10-14，基本上可以忽略不計。

圖7 X=0.6 m 平面氨氣濃度分布圖

圖8 Z=1 m 平面氨氣濃度分布圖

圖9 顯示，由于單向氣流的抑制作用，衛(wèi)生間內(nèi)的污染物氣體很難向上擴散，在蹲便器的上方污染物氣體的濃度很低。此種單向矢流氣流組織，污染物橫向和縱向擴散較小，污染物可以從回風口迅速排出，是一種比較理想的氣流流態(tài)。

圖9 X=0.6 m 平面氣流組織流線分布圖

4.2 非空態(tài)下衛(wèi)生間數(shù)值模擬

4.2.1 衛(wèi)生間物理模型

以上模擬都是衛(wèi)生間處于空態(tài)情況下進行的，但是人在如廁時，此種通風方式的有效性值得驗證。將人體模型簡化，在模擬中采取蹲姿。具體情況如圖 10所示。

圖10 衛(wèi)生間非空態(tài)數(shù)值模擬物理模型

為了得到更好的通風效果，本文分別選取了五種不同風速分別為 0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s、1.1 m/s、1.5 m/s 進行數(shù)值模擬。

4.2.2 數(shù)值模擬結果

從五種工況模擬情況（圖11）來看，風速為0.5 m/s和 0.7 m/s 時，在衛(wèi)生間有人的情況下，衛(wèi)生間內(nèi)部中間區(qū)域會出現(xiàn)明顯的漩渦，呼吸區(qū)污染物氣體的濃度比空態(tài)時要高很多。當?shù)人俅笥?.7 m/s 時，衛(wèi)生間內(nèi)部的氣流組織形式比較好，大致呈現(xiàn)斜推式單向矢流。綜上所述，考慮到能耗問題，當衛(wèi)生間有人使用時的最佳風速應為0.9 m/s。

圖11 X=0.6 m 不同風速時平面氣流組織流線分布圖

5 結論

1）當衛(wèi)生間采用機械排風時，由于排風裝置的影響，污染物氣體的密度和熱浮力對于其擴散影響微小，主要驅動力是機械排風，衛(wèi)生間內(nèi)密度小的氨氣和密度大的硫化氫的濃度分布趨勢類似。

2）相比傳統(tǒng)頂排式的衛(wèi)生間，側上角為自由進風口，對側下角為負壓排風口的通風方式能讓衛(wèi)生間內(nèi)的污染物氣體濃度大大降低，但是由于氣流組織形式?jīng)]呈現(xiàn)出單向矢流狀態(tài)，導致衛(wèi)生間內(nèi)某些區(qū)域污染物氣體濃度還是較高。

3）將進風口改變成0°、4 5°、1 5°三束流的百葉進風口，能使衛(wèi)生間內(nèi)的氣流組織形式形成單向矢流，同時衛(wèi)生間內(nèi)污染物氣體濃度顯著改善。呼吸區(qū)平面的污染物氣體的質量分數(shù)達到了10-14 級別，基本上可以忽略不計。

4）當衛(wèi)生間有人使用時，綜合各方面因素的最佳風速應為0.9 m/s。