疫情下不同通风方式数值模拟分析对比

林天磊，李国建，何宇航，周伦彪

(浙江理工大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310000)

0 引言

随着生活质量的提高，人们越来越关注空气质量。特别是在2020年新型冠状病毒的传播后，让人们意识到空气质量的重要性。除了室外防护，室内的空气污染也需要引起重视。据统计，人有70%～90%的时间是在室内度过的[1]。办公室作为人员工作和休息的场所，尤其应当注重室内的空气质量，由于办公室人员常保持坐姿，故在办公桌及人员位置附近的空气质量成为改善室内环境的关键点。

通风换气对营造室内环境有着重要作用[2]，不同的通风换气方式会形成不同的速度场、温度场和有害物浓度场[3]，室内空气质量与居住者的工作效率和健康密切相关[4]。一般通风分为置换通风方式、混合通风方式和层式通风方式。武志松等人通过对厨房热环境的CFD模拟研究发现适当增加排风扇可改善厨房的热环境[5]。崔齐杰等人对地铁气流组织进行模拟研究得出了最佳排烟口位置[6]。Liu等人研究了在不同边界条件下的室内空气质量，发现置换通风方式方案下的室内工作区空气质量较好、热舒适性较高通风效率也较高，且在供冷工况下室内空气温度及污染物浓度分层明显，置换效果优于供热工况[7-10]。Liu等人研究了置换通风下客机客舱内的气流分布，结果表明置换通风方式下客机客舱内空气温度垂直分层明显，风速较低，舱内污染物通过天花板的排气装置可有效清除[11]。Zhang等人以香港典型办公室为例，研究了层式通风的可行性，结果表明合理的送风速度和送风量、送风和排风位置可使系统保持较好的热舒适性以及较好的室内空气质量[12]。Lu等人采用CFD数值模拟方法研究了一个由两名患者和一名医护人员组成的双床病房在层式通风、混合通风、下行通风和置换通风条件下的污染物分布，结果表明在层式通风下咳嗽污染物被驯熟稀释，高浓度点大大减少[13]。Kong等人采用实验验证的CFD模型来优化办公室层式通风性能。分析了送风温度、送风速度、送风叶片角度和出风口位置对通风性能的单独影响和联合影响。研究结果表明，送风温度、送风速度、送风叶片角度和出风口位置对通风效果和气流组织性能指标有不同的影响。为了同时评价能效和热舒适性，首次提出经济舒适度比作为评价指标[14]。张磊等人运用Fluent软件模拟了室内采用顶送下回、异侧上送下回、同侧上送下回和下送顶回后的气流组织和甲醛浓度，结果发现顶送下回的室内空气质量最佳[15]。

综合现有研究可知，国内外学者对不同场景的不同通风方式进行了较多研究，提出了多种方案。但对后疫情时代不同通风方式下室内感染风险的研究较少。本文选取浙江某高校一典型办公室作为基础，利用Fluent软件对其室内气流组织进行数值模拟，对比分析三种不同的通风方式下室内的通风效果。主要分析三种通风方式下室内的温度场、速度场和污染物浓度场，CO2浓度常用来表征室内空气的新鲜程度和室内污染物浓度水平[16]，故本文选用CO2作为室内污染物浓度的指标，并根据污染物浓度场计算室内不同位置的感染概率。

1 几何模型及边界条件设置

1.1 几何模型

该模型取自浙江某高校办公室并对其进行一定程度的简化：长宽高分别为7.2 m×3.6 m×3.5 m，室内布置如图1所示。置换送风口和回风口尺寸为0.4 m×0.6 m，层式通风送风口和回风口尺寸为0.3 m×0.6 m，混合通风送风口和回风口尺寸为0.2 m×0.4 m，人员人数为10人，简化为0.3 m×0.15 m×1.2 m的长方体。在每个人体模型顶部各设置一个简化的尺寸为8.7 mm×8.7 mm风口来模拟人体CO2的呼出。

图1 办公室模型注:1～5-人；6-置换通风送风口；7-混合通风回风口；8-层式通风送风口；9-置换通风回风口;10-混合通风送风口、层式通风回风口；11-柜子；12-办公桌

1.2 物理模型

为了减少数值模拟的计算量和计算复杂程度，本文假设室外环境恒定，并且忽略周围环境对室内环境的干扰。使用RNGk-ε方程湍流模型，RNGk-ε模型常用来预测气流模式、气流温度、CO2浓度、空气龄、PMV和PPD,且如果设计合理，RNGk-ε能够提供良好的室内空气质量IAQ，并且RNGk-ε对于模拟通风空间内流场效果优于其他几种模型[17-18]。

1.3 边界条件的设置(见表1～表3)

表1 置换通风边界条件

表2 混合通风边界条件

表3 层式通风边界条件

该办公室位于浙江杭州。根据《民用建筑热工设计规范》GB50176_2016[19]，杭州地区气候区属为3 A，属于夏热冬冷地区。夏季室外干球温度为35.7℃，办公室内设计温度取27℃。设置房间换气次数为6次/h，所以房间通风量为544.32 m3/h，根据房间通风量和送风口面积选择送风速度[10,20-21]。为了比较的结果有意义，三种通风方式的送风温度都设置为置换通风的最佳温度19℃[10]。

办公室内人员处于静坐姿态，结合到服装热阻的影响，成年人的一般散热量为108 W[22],本模型中人体被简化为长方体，其表面积约为1.125 m2，所以设置每人的热通量为96 W/m2。

人员顶部CO2出口尺寸为8.7 mm×8.7 mm，故设置其速度为0.055 m/s，相当于每人15 L/h的CO2释放量[12]。

1.4 模型网格划分

对模型进行网格划分，设置总体网格尺寸为100 mm，并对气流区域进行局部网格加密，加密部分网格尺寸设为10 mm，采用非结构化网格自动生成，得到总网格数为355 958，如图2所示。

图2 模型网格划分

设置总体网格尺寸分别为200 mm、150 mm、125 mm、75 mm和60 mm，选取出口速度作为监测点进行网格独立性验证，具体如表4、图3所示，当网格数为355 958时，速度的偏差值小于2%。考虑到计算成本及计算结果的正确性，故采用355 958的网格对后续案例进行模拟计算。

图3 Y=0.8 m处温度场分布

表4 网格独立性验证

图3 网格独立性验证

2 数值模拟结果及分析

2.1 温度场分析

从图4可以看出置换通风相较于其他两种通风方式有较为明显的温度场分层。置换通风从房间底部送风，温度较低，所以人员脚踝处温度最低，靠近人体热源时借助热羽流进而上升，形成分层现象。图中人脚踝处和头部空气垂直温差为1.9℃，小于ASHRAE[23]的标准要求：工作区的温度波动范围不能超过3℃，故不会对人员产生明显的脚冷头热的不舒适感。Z=1.2 m处平面的置换通风平均温度为21.69℃，较三种通风方式温度最高，但从图中可以看出高温区域集中在人员头部以上区域，而头部一下温度相对较低。层式通风则是直接将风送到人体工作区高度，这可以让人员工作区域直接获得新鲜的空气。Z=1.2 m处平面的平均温度为21.16℃，略低于置换通风同平面温度，但从图4可以看出温度较低区域在房间正中间，并不完全在人员活动区域。混合通风温度大概成左右分布，右侧温度略高，这导致两边的人员感受到的温度不一样，且左侧人员脚踝到头部没有明显的温差变化，而右侧人员则有1～2℃的温度变化。混合通风Z=1.2 m处平面的平均温度为21.36℃，较三种通风方式温度最低。

图4 Z=1.2 m处温度场分布

2.2 速度场分析

从图5和图7可以看出在Y=1 m平面处，置换通风新风从送风口吹向人员脚部，贴地前进，在到达人体附近时受人体散发热量影响形成热羽流而上升。该通风方式风速最大在送风口位置，风速最大为0.3 m/s，由于送风速度极小且送风紊流度低，在工作区大部分区域风速最大不超过0.25 m/s，不会对人员产生吹风感。Z=1.2 m平面处风速较为均匀，风速范围为0～0.13 m/s，人体吹风感为无感觉。图5～图7可以看出层式通风室内风速最大值在送风口处，为1 m/s，并且随着射流而逐渐减小，编号为3和4人员中间流速略高，为0.36 m/s左右，人体感觉为舒适。在Z=1.2 m平面处空气流速在整个平面中间处最大，为0.72 m/s。且在送风口两侧能看到明显涡流，使得空气汇聚在中间部位。图6、图7可以看出混合通风空气受贴附射流效应影响流速从送风口开始随着射流受空气阻力影响逐渐减小，流速较大都聚集在房间顶部和回风口贴墙位置，而在人员活动区域流速都很小。在Z=1.2 m的平面处，空气流速除了回风口贴墙部分其他整体较为平均，且流速也较低，都在0.5 m/s以下，人体感觉较为舒适。对比以上三种通风方式，发现三种在人员活动区域的空气流速都较小，人员吹风感都处于舒适范围内，但置换通风和层式通风方式在人员活动区域分布总存在一些差异，可能导致不同位置的人的吹风感不同，而混合通风在人员活动区域空气流速则相对较为平均。

图5 Y=1 m处速度场分布

图6 Y=1.75 m处速度场分布

图7 Z=1.2 m处速度场分布

表5 人体舒服度与室内风速的关系

2.3 CO2浓度场分析

从图8、图9可以看出置换通风室内CO2浓度分布自下而上成分层分布，在送风口层面CO2浓度达到0.096%左右，随着射流前进CO2浓度减小到0.069%左右，在回风口位置达到最高，为0.155%左右。除了离送风口最近的两组人员处CO2浓度偏高，达到0.1%以上，其他人员周围CO2浓度都在0.1%以下。在人员头顶处也就是Z=1.2 m处平面CO2平均浓度为0.094%，室内上方左右两侧CO2浓度分布不均匀，左侧略低。室内整体平均CO2浓度为0.098%，小于0.1%，符合《室内空气质量标注》GB/T18883-2002[24]要求：室内CO2浓度≤0.1%。层式通风室内整体平均CO2浓度为0.165%，高于标准的0.1%，且Z=1.2 m处平面CO2平均浓度为0.142%，也高于0.1%。图中可以看出除了回风口附近室内CO2略高，其他区域相差不大，人员活动区域和室内CO2浓度最高值都高于置换通风。混合通风室内整体CO2浓度高达0.605%，远高于标准的0.1%，属三种通风方式里最高的。Z=1.2 m平面处平均CO2浓度为0.598%，是三种通风方式里最高的，这是因为由于贴附射流效应，在送风口下端区域形成了速度较小的速度场，导致CO2的堆积。从室内空气质量角度来看，混合通风为三种通风方式里效果最差的。

图8 室内CO2浓度分布

图9 Z=1.2 m处CO2浓度

2.4 感染概率

Dai等人采用数值拟合方法并利用Wells-Riley模型根据新风量Q、感染人员数量I、人员呼吸频率P、感染剂量q和暴露时间t预测密闭空间内人群感染概率[25]，具体Wells-Riley模型如下

PI=1-exp(-Iqpt/Q)

(1)

但Wells-Riley模型默认空间内污染物浓度均匀分布，不能准确反应不同浓度污染物的存在对感染概率的影响。Mao Y等人针对此问题对Wells-Riley模型进行改进，提出了基于污染物浓度的Wells-Riley模型[26]。Stephens等人研究得出流感病毒的感染剂量q=100/h[27]。Alessia Di Gilio等人研究表明将CO2浓度作为研究呼吸道病毒传播特征的代表性组分是可靠的[28]，故用人员呼出的CO2浓度代表感染病原体计算易感人群在周围停留15 min后的感染概率。当通风稳定的空间内出现污染源且污染物能读均匀时，参考通风量Q对应标准室内污染物浓度C，空间内的通风量Q′对应相应的污染物浓度C′，公式如下

Q′=(C/C′)×Q

(2)

PI′=1-exp[(-Iqpt·C′)/(Q·C)]

(3)

根据上节模拟结果得到室内人员1～5前方10 cm处CO2浓度，代入公式(3)，得到三种通风方式下人员的感染概率如图10所示。

图10 三种通风方式下人员周围感染概率

三种通风方式中混合通风的感染概率最高，置换通风相对最低。层式通风和混合通风的不同位置人员感染概率差别不大，而置换通风不同位置的感染概率差别较大，离送风口越远感染概率相对较低，这一点和混合通风相反，层式通风人员感染概率呈中间向两侧递增，这是由于送风口射流直接到达中间人员部位，导致中间区域空气流动较大，从而降低感染概率。

3 结论

(1)三种通风方式中置换通风的室内温度垂直分层最明显，工作区垂直温差小于3℃，不会对人员造成明显的不舒适感，相对其他两种通风方式整体温度最高，但相对高温区集中在人员活动区上部，基本不会对人员造成影响。工作区处于低温区而非工作区处于较高温也是能源合理应用的一种方式。

(2)三种通风方式在人员活动区域的风速都小于0.3 m/s，都不会对人员产生不舒适的吹风感。但由于层式通风是直接将新风送到工作区，所以相对风速会略大于其他两种通风方式，且不同位置的风速略有差别。

(3)三种通风方式中只有置换通风方式的室内CO2浓度达到了《室内空气质量标注》GB/T18883-2002[20]要求，空气品质最好。三种通风方式下感染概率基本都低于60%,混合通风整体高于其他两种通风方式。置换通风感染概率整体最低，且呈现距送风口越远感染概率越低的情况。