疫情下不同通風方式數值模擬分析對比

林天磊，李國建，何宇航，周倫彪

(浙江理工大學 建筑工程學院,浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著生活質量的提高，人們越來越關注空氣質量。特別是在2020年新型冠狀病毒的傳播后，讓人們意識到空氣質量的重要性。除了室外防護，室內的空氣污染也需要引起重視。據統計，人有70%～90%的時間是在室內度過的[1]。辦公室作為人員工作和休息的場所，尤其應當注重室內的空氣質量，由于辦公室人員常保持坐姿，故在辦公桌及人員位置附近的空氣質量成為改善室內環境的關鍵點。

通風換氣對營造室內環境有著重要作用[2]，不同的通風換氣方式會形成不同的速度場、溫度場和有害物濃度場[3]，室內空氣質量與居住者的工作效率和健康密切相關[4]。一般通風分為置換通風方式、混合通風方式和層式通風方式。武志松等人通過對廚房熱環境的CFD模擬研究發現適當增加排風扇可改善廚房的熱環境[5]。崔齊杰等人對地鐵氣流組織進行模擬研究得出了最佳排煙口位置[6]。Liu等人研究了在不同邊界條件下的室內空氣質量，發現置換通風方式方案下的室內工作區空氣質量較好、熱舒適性較高通風效率也較高，且在供冷工況下室內空氣溫度及污染物濃度分層明顯，置換效果優于供熱工況[7-10]。Liu等人研究了置換通風下客機客艙內的氣流分布，結果表明置換通風方式下客機客艙內空氣溫度垂直分層明顯，風速較低，艙內污染物通過天花板的排氣裝置可有效清除[11]。Zhang等人以香港典型辦公室為例，研究了層式通風的可行性，結果表明合理的送風速度和送風量、送風和排風位置可使系統保持較好的熱舒適性以及較好的室內空氣質量[12]。Lu等人采用CFD數值模擬方法研究了一個由兩名患者和一名醫護人員組成的雙床病房在層式通風、混合通風、下行通風和置換通風條件下的污染物分布，結果表明在層式通風下咳嗽污染物被馴熟稀釋，高濃度點大大減少[13]。Kong等人采用實驗驗證的CFD模型來優化辦公室層式通風性能。分析了送風溫度、送風速度、送風葉片角度和出風口位置對通風性能的單獨影響和聯合影響。研究結果表明，送風溫度、送風速度、送風葉片角度和出風口位置對通風效果和氣流組織性能指標有不同的影響。為了同時評價能效和熱舒適性，首次提出經濟舒適度比作為評價指標[14]。張磊等人運用Fluent軟件模擬了室內采用頂送下回、異側上送下回、同側上送下回和下送頂回后的氣流組織和甲醛濃度，結果發現頂送下回的室內空氣質量最佳[15]。

綜合現有研究可知，國內外學者對不同場景的不同通風方式進行了較多研究，提出了多種方案。但對后疫情時代不同通風方式下室內感染風險的研究較少。本文選取浙江某高校一典型辦公室作為基礎，利用Fluent軟件對其室內氣流組織進行數值模擬，對比分析三種不同的通風方式下室內的通風效果。主要分析三種通風方式下室內的溫度場、速度場和污染物濃度場，CO2濃度常用來表征室內空氣的新鮮程度和室內污染物濃度水平[16]，故本文選用CO2作為室內污染物濃度的指標，并根據污染物濃度場計算室內不同位置的感染概率。

1 幾何模型及邊界條件設置

1.1 幾何模型

該模型取自浙江某高校辦公室并對其進行一定程度的簡化：長寬高分別為7.2 m×3.6 m×3.5 m，室內布置如圖1所示。置換送風口和回風口尺寸為0.4 m×0.6 m，層式通風送風口和回風口尺寸為0.3 m×0.6 m，混合通風送風口和回風口尺寸為0.2 m×0.4 m，人員人數為10人，簡化為0.3 m×0.15 m×1.2 m的長方體。在每個人體模型頂部各設置一個簡化的尺寸為8.7 mm×8.7 mm風口來模擬人體CO2的呼出。

圖1 辦公室模型注:1～5-人；6-置換通風送風口；7-混合通風回風口；8-層式通風送風口；9-置換通風回風口;10-混合通風送風口、層式通風回風口；11-柜子；12-辦公桌

1.2 物理模型

為了減少數值模擬的計算量和計算復雜程度，本文假設室外環境恒定，并且忽略周圍環境對室內環境的干擾。使用RNGk-ε方程湍流模型，RNGk-ε模型常用來預測氣流模式、氣流溫度、CO2濃度、空氣齡、PMV和PPD,且如果設計合理，RNGk-ε能夠提供良好的室內空氣質量IAQ，并且RNGk-ε對于模擬通風空間內流場效果優于其他幾種模型[17-18]。

1.3 邊界條件的設置(見表1～表3)

表1 置換通風邊界條件

表2 混合通風邊界條件

表3 層式通風邊界條件

該辦公室位于浙江杭州。根據《民用建筑熱工設計規范》GB50176_2016[19]，杭州地區氣候區屬為3 A，屬于夏熱冬冷地區。夏季室外干球溫度為35.7℃，辦公室內設計溫度取27℃。設置房間換氣次數為6次/h，所以房間通風量為544.32 m3/h，根據房間通風量和送風口面積選擇送風速度[10,20-21]。為了比較的結果有意義，三種通風方式的送風溫度都設置為置換通風的最佳溫度19℃[10]。

辦公室內人員處于靜坐姿態，結合到服裝熱阻的影響，成年人的一般散熱量為108 W[22],本模型中人體被簡化為長方體，其表面積約為1.125 m2，所以設置每人的熱通量為96 W/m2。

人員頂部CO2出口尺寸為8.7 mm×8.7 mm，故設置其速度為0.055 m/s，相當于每人15 L/h的CO2釋放量[12]。

1.4 模型網格劃分

對模型進行網格劃分，設置總體網格尺寸為100 mm，并對氣流區域進行局部網格加密，加密部分網格尺寸設為10 mm，采用非結構化網格自動生成，得到總網格數為355 958，如圖2所示。

圖2 模型網格劃分

設置總體網格尺寸分別為200 mm、150 mm、125 mm、75 mm和60 mm，選取出口速度作為監測點進行網格獨立性驗證，具體如表4、圖3所示，當網格數為355 958時，速度的偏差值小于2%?？紤]到計算成本及計算結果的正確性，故采用355 958的網格對后續案例進行模擬計算。

圖3 Y=0.8 m處溫度場分布

表4 網格獨立性驗證

圖3 網格獨立性驗證

2 數值模擬結果及分析

2.1 溫度場分析

從圖4可以看出置換通風相較于其他兩種通風方式有較為明顯的溫度場分層。置換通風從房間底部送風，溫度較低，所以人員腳踝處溫度最低，靠近人體熱源時借助熱羽流進而上升，形成分層現象。圖中人腳踝處和頭部空氣垂直溫差為1.9℃，小于ASHRAE[23]的標準要求：工作區的溫度波動范圍不能超過3℃，故不會對人員產生明顯的腳冷頭熱的不舒適感。Z=1.2 m處平面的置換通風平均溫度為21.69℃，較三種通風方式溫度最高，但從圖中可以看出高溫區域集中在人員頭部以上區域，而頭部一下溫度相對較低。層式通風則是直接將風送到人體工作區高度，這可以讓人員工作區域直接獲得新鮮的空氣。Z=1.2 m處平面的平均溫度為21.16℃，略低于置換通風同平面溫度，但從圖4可以看出溫度較低區域在房間正中間，并不完全在人員活動區域?；旌贤L溫度大概成左右分布，右側溫度略高，這導致兩邊的人員感受到的溫度不一樣，且左側人員腳踝到頭部沒有明顯的溫差變化，而右側人員則有1～2℃的溫度變化?；旌贤LZ=1.2 m處平面的平均溫度為21.36℃，較三種通風方式溫度最低。

圖4 Z=1.2 m處溫度場分布

2.2 速度場分析

從圖5和圖7可以看出在Y=1 m平面處，置換通風新風從送風口吹向人員腳部，貼地前進，在到達人體附近時受人體散發熱量影響形成熱羽流而上升。該通風方式風速最大在送風口位置，風速最大為0.3 m/s，由于送風速度極小且送風紊流度低，在工作區大部分區域風速最大不超過0.25 m/s，不會對人員產生吹風感。Z=1.2 m平面處風速較為均勻，風速范圍為0～0.13 m/s，人體吹風感為無感覺。圖5～圖7可以看出層式通風室內風速最大值在送風口處，為1 m/s，并且隨著射流而逐漸減小，編號為3和4人員中間流速略高，為0.36 m/s左右，人體感覺為舒適。在Z=1.2 m平面處空氣流速在整個平面中間處最大，為0.72 m/s。且在送風口兩側能看到明顯渦流，使得空氣匯聚在中間部位。圖6、圖7可以看出混合通風空氣受貼附射流效應影響流速從送風口開始隨著射流受空氣阻力影響逐漸減小，流速較大都聚集在房間頂部和回風口貼墻位置，而在人員活動區域流速都很小。在Z=1.2 m的平面處，空氣流速除了回風口貼墻部分其他整體較為平均，且流速也較低，都在0.5 m/s以下，人體感覺較為舒適。對比以上三種通風方式，發現三種在人員活動區域的空氣流速都較小，人員吹風感都處于舒適范圍內，但置換通風和層式通風方式在人員活動區域分布總存在一些差異，可能導致不同位置的人的吹風感不同，而混合通風在人員活動區域空氣流速則相對較為平均。

圖5 Y=1 m處速度場分布

圖6 Y=1.75 m處速度場分布

圖7 Z=1.2 m處速度場分布

表5 人體舒服度與室內風速的關系

2.3 CO2濃度場分析

從圖8、圖9可以看出置換通風室內CO2濃度分布自下而上成分層分布，在送風口層面CO2濃度達到0.096%左右，隨著射流前進CO2濃度減小到0.069%左右，在回風口位置達到最高，為0.155%左右。除了離送風口最近的兩組人員處CO2濃度偏高，達到0.1%以上，其他人員周圍CO2濃度都在0.1%以下。在人員頭頂處也就是Z=1.2 m處平面CO2平均濃度為0.094%，室內上方左右兩側CO2濃度分布不均勻，左側略低。室內整體平均CO2濃度為0.098%，小于0.1%，符合《室內空氣質量標注》GB/T18883-2002[24]要求：室內CO2濃度≤0.1%。層式通風室內整體平均CO2濃度為0.165%，高于標準的0.1%，且Z=1.2 m處平面CO2平均濃度為0.142%，也高于0.1%。圖中可以看出除了回風口附近室內CO2略高，其他區域相差不大，人員活動區域和室內CO2濃度最高值都高于置換通風?；旌贤L室內整體CO2濃度高達0.605%，遠高于標準的0.1%，屬三種通風方式里最高的。Z=1.2 m平面處平均CO2濃度為0.598%，是三種通風方式里最高的，這是因為由于貼附射流效應，在送風口下端區域形成了速度較小的速度場，導致CO2的堆積。從室內空氣質量角度來看，混合通風為三種通風方式里效果最差的。

圖8 室內CO2濃度分布

圖9 Z=1.2 m處CO2濃度

2.4 感染概率

Dai等人采用數值擬合方法并利用Wells-Riley模型根據新風量Q、感染人員數量I、人員呼吸頻率P、感染劑量q和暴露時間t預測密閉空間內人群感染概率[25]，具體Wells-Riley模型如下

PI=1-exp(-Iqpt/Q)

(1)

但Wells-Riley模型默認空間內污染物濃度均勻分布，不能準確反應不同濃度污染物的存在對感染概率的影響。Mao Y等人針對此問題對Wells-Riley模型進行改進，提出了基于污染物濃度的Wells-Riley模型[26]。Stephens等人研究得出流感病毒的感染劑量q=100/h[27]。Alessia Di Gilio等人研究表明將CO2濃度作為研究呼吸道病毒傳播特征的代表性組分是可靠的[28]，故用人員呼出的CO2濃度代表感染病原體計算易感人群在周圍停留15 min后的感染概率。當通風穩定的空間內出現污染源且污染物能讀均勻時，參考通風量Q對應標準室內污染物濃度C，空間內的通風量Q′對應相應的污染物濃度C′，公式如下

Q′=(C/C′)×Q

(2)

PI′=1-exp[(-Iqpt·C′)/(Q·C)]

(3)

根據上節模擬結果得到室內人員1～5前方10 cm處CO2濃度，代入公式(3)，得到三種通風方式下人員的感染概率如圖10所示。

圖10 三種通風方式下人員周圍感染概率

三種通風方式中混合通風的感染概率最高，置換通風相對最低。層式通風和混合通風的不同位置人員感染概率差別不大，而置換通風不同位置的感染概率差別較大，離送風口越遠感染概率相對較低，這一點和混合通風相反，層式通風人員感染概率呈中間向兩側遞增，這是由于送風口射流直接到達中間人員部位，導致中間區域空氣流動較大，從而降低感染概率。

3 結論

(1)三種通風方式中置換通風的室內溫度垂直分層最明顯，工作區垂直溫差小于3℃，不會對人員造成明顯的不舒適感，相對其他兩種通風方式整體溫度最高，但相對高溫區集中在人員活動區上部，基本不會對人員造成影響。工作區處于低溫區而非工作區處于較高溫也是能源合理應用的一種方式。

(2)三種通風方式在人員活動區域的風速都小于0.3 m/s，都不會對人員產生不舒適的吹風感。但由于層式通風是直接將新風送到工作區，所以相對風速會略大于其他兩種通風方式，且不同位置的風速略有差別。

(3)三種通風方式中只有置換通風方式的室內CO2濃度達到了《室內空氣質量標注》GB/T18883-2002[20]要求，空氣品質最好。三種通風方式下感染概率基本都低于60%,混合通風整體高于其他兩種通風方式。置換通風感染概率整體最低，且呈現距送風口越遠感染概率越低的情況。