释放源位置对邮轮舱室甲醛扩散规律的影响

陈森杨，徐 立，刘 越，夏梦寒，方 扬

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

居住舱室是游客在邮轮航行中休息和生活的重要场所，因此舱室的环境对游客的旅游体验有着重大影响。邮轮居住舱室配置了许多家具,其中不少家具的制造原材料为含有如甲醛等挥发性有机化合物的人造板，当室内甲醛达到一定浓度时，会引起中毒甚至致癌、致死，因此需要对邮轮舱室的污染物进行研究。

由于甲醛等污染物具有毒害作用，因此许多学者利用CFD软件来数值模拟污染物的扩散，对其扩散规律进行研究。国外学者Ioannis K.Panagopoulos[1]等人以公寓为对象，数值模拟了不同通风方案下挥发性有机化合物(VOCs)和甲醛污染物在空气中的分布。吴迪[2]基于CFD模拟技术，以住宅为对象,对其装饰材料散发的甲醛进行了模拟研究，从而为减轻甲醛对人体的危害提供了理论依据。杨小妮[3]等人模拟了释放源与通风速率对室内甲醛扩散的影响，表明通风速率对甲醛扩散的影响最大。周唯荟[4]对人造板的VOCs散发规律进行了研究，其模拟结果与实验较为接近。肖楚璠[5]等人模拟了会议室甲醛浓度的变化，结果表明通风可以有效地降低室内甲醛的浓度。

基于上述研究，本文采用Airpak软件数值模拟邮轮舱室在夏季同一空调通风系统下，舱室内家具作为甲醛释放源在不同摆放位置对其甲醛扩散的影响。以期能够通过家具释放源的合理摆放来改善室内甲醛的浓度，为室内优化设计及甲醛浓度控制提供理论依据。

1 模型建立及描述

本文根据搭建的实际舱室，经简化后利用Airpak建立的舱室三维模型的示意图如图1所示。舱室长7.55 m、宽2.95 m、净高2.15 m，舱室设置1个送风口，采用顶部送风方式；设置2个回风口，分别位于卫生间顶部(回风口1)和墙壁下方(回风口2)。卫生间门上距地板0.15 m高度处，设有一个0.2 m×0.2 m的回风格栅。原舱室有单人床、沙发、茶几、梳妆台、衣柜等众多家具，为了方便研究释放源的摆放位置对室内甲醛扩散位置的影响，选取舱室内的衣柜与梳妆台作为甲醛释放源。

图1 舱室三维模型示意图

对释放源家具进行再摆放，得到方案一～方案四平面图如图2所示。与方案一相比，各方案只改变家具释放源的位置，不改变家具的物理模型。各方案物理模型信息如表1所示。

图2 方案一～方案四平面图

表1 各方案物理模型信息

2 边界条件与计算

在Airpak中建立上述方案的物理模型。室内进行的是空气与甲醛耦合的复杂湍流运动，但考虑到送风速度不高，将空气与甲醛气体均视为不可压缩的牛顿流体。采用人造板制作的家具，其甲醛散发选择一阶衰减模型进行模拟，散发速率为5.6×10-7e-7.47×10-7tmg/(s·m2)[3]，其中，t为时间，s；e为自然常数。舱室内天花板、地板、左右墙壁均视为绝热状态，阳台窗户热流密度为270 W/m2，阳台墙壁设置为室外温度32 ℃，入户门所在墙壁设置为26 ℃，舱室内灯与电视总功率为218 W，舱室设计温度23 ℃。

设置边界条件，并经过粗、细网格划分，再以温度为参考经网格无关性验证后，最终选取4种方案的物理模型网格划分信息如表2所示。

表2 4种方案的物理模型网格划分信息

模拟过程中，甲醛浓度随时间变化而变化，因此本文研究甲醛的扩散过程为三维非稳态过程。选取二方程标准k-ε模型进行求解，求解精度均保持默认。模拟时间为24 h，其中前12 h房间为密闭状态，空调系统不送风；后12 h打开空调系统，经处理后的新鲜空气以1.6 m/s的速度、18 ℃的温度状态送入室内。

3 结果分析

3.1 密闭情况下，舱室内甲醛浓度变化规律

设各方案中心点为M，密闭情况下，各方案M处甲醛浓度随时间变化如图3所示。由图3可知，在密闭条件下，M(3.8，1.5，1.1)处甲醛浓度在0～6 h内，从0开始快速达到峰值，方案二的峰值浓度为0.476 3 mg/m3，比方案一低7.3%；6 h后浓度逐渐降低并趋于稳定。这是由于初始时室内甲醛浓度为零，随着时间的推移，梳妆台、衣柜作为释放源释放甲醛使其浓度升高，直至达到峰值；后期浓度降低是因为甲醛在室内进行扩散，扩散趋势比较稳定。从图3还可知，方案一与方案四的M处浓度较为接近且大于方案二与方案三，这是因为方案一与方案四释放源的位置距离监测点M比较近。因此散发甲醛的家具释放源在布置时，应尽量远离人员密集区域与经常活动的区域。

图3 密闭情况下，各方案M处甲醛浓度随时间变化

3.2 相同通风条件下，舱室内甲醛浓度变化规律

在同一空调系统与相同的送风条件下，获得房间中心点M处的甲醛浓度随时间变化的数据，相同通风情况下，各方案M处甲醛浓度分布如图4所示。

图4 相同通风情况下，各方案M处甲醛浓度分布

由图4可知，各方案在M处甲醛浓度分布的走向趋势一致。在13～18 h内，由于空调送风而浓度均大幅降低；在18 h后，室内甲醛浓度达到平衡、趋于稳定。结合图3、图4进行分析，得知有效的通风能使舱室内家具释放源释放的甲醛大幅降低，方案一中M在密闭条件下的甲醛峰值浓度为通风条件下甲醛稳定浓度的18.4倍。随着空调系统的开启，方案一甲醛浓度的下降速度大于其他3个方案，且在稳定时，方案一的最低浓度为0.026 8 mg/m3，而方案三的最低浓度为0.062 3 mg/m3，后者是前者的2.3倍。因此舱室环境和通风系统相同时，舱室内家具释放源的摆放位置不同，舱室内甲醛浓度分布不同，释放源离出风口近的摆放方案中舱室内甲醛浓度较低。

3.3 相同通风条件下，不同特征高度处甲醛浓度变化规律

人体平躺、坐立、站立时鼻孔嘴巴所对应的特征高度约为0.7 m、1.2 m、1.7 m[6]。由于甲醛对人体危害巨大，分析人体经常活动区域的特征高度位置的甲醛浓度有重要意义。通过模拟计算获得各高度截面处的甲醛平均浓度。相同通风情况下，4种方案在不同特征高度处的甲醛浓度分布见图5。

图5 相同通风情况下，4种方案在不同特征高度处甲醛浓度分布

从图5可知，在相同的通风情况下，各种方案在3个特征高度处的甲醛平均浓度在12～24 h内趋势与中心点M处相同，均在12～18 h内快速下降，后逐渐趋于稳定。方案一在通风1 h后，各特征高度处甲醛浓度均最低，趋于稳定时的甲醛浓度也最低。

因此，可知邮轮舱室内家具释放源的摆放位置对甲醛的分布有重要影响。方案一家具释放源离出风口较近，污染物在空调系统送风条件下随着气流较快离开室内，因此方案一舱室内甲醛浓度最低；方案四其次，而方案二与方案三距离出风口较远，甲醛随气流扩散至室外较慢，因此舱室内浓度高于方案一。

4 结束语

1)舱室在密闭条件下，家具释放源会释放甲醛，并在一定时间内达到峰值。有效的通风，可使房间的甲醛浓度稀释数倍，从而快速降低舱室内甲醛浓度。

2)舱室内家具释放源的摆放位置对舱室内甲醛浓度的分布有重要影响，舱室释放甲醛等污染物的家具尽量摆在便于通风且离出风口较近的位置，合理地摆放家具释放源的位置，也可大幅度降低室内甲醛浓度。