疫情下不同通风方式数值模拟分析对比_林天磊.pdf

第 40 卷，总第 236 期2022 年 11 月，第 6 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.40，Sum.No.236Nov 2022，No.6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)摘要:针对当前部分办公室无法满足人体舒适性要求及室内人员分布密集，其感染风险未知等问题，本文采用计算流体力学(CFD)模拟了混合通风、置换通风和层式通风条件下浙江某高校办公室内的气流组织，并使用改进的 Wells iley 模型将CO2作为污染物浓度变量预测了三种通风方式下空间中污染物浓度的致病性感染概率，为疫情防控下室内通风方式的选择提供一定的参考。模拟结果表明:置换通风条件下室内温度场分层明显;三种通风条件下都不会对人员产生不舒适的吹风感;三种通风方式只有置换通风条件下室内CO2浓度含量达到 1 000 PPM 以下，感染概率低于其他两种，明显置换通风方式优于其他两种通风方式。关键词:CFD;置换通风;混合通风;层式通风;感染概率预测中图分类号:TK011文献标识码:A文章编号:1002 6339(2022)06 0541 07Numerical Simulation Analysis and Comparison of DifferentVentilation Modes under COVID 19LIN Tian lei，LI Guo jian，HE Yu hang，ZHOU Lun biao(School of Civil Engineering，Zhejiang Sci tech University，Hangzhou 310000 China)Abstract:To address the current problems that some offices cannot meet the requirements of human ther-mal comfort and the unknown risk of infection due to the dense distribution of indoor personnel，In thispaper，we used computational fluid dynamics(CFD)to simulate the airflow organization in the office of auniversity in Zhejiang under the conditions of mixed ventilation，displacement ventilation and laminarventilation，and used the improved well This paper predicts the probability of pathogenic infection by u-sing a modified Wells iley model with CO2as the pollutant concentration variable in the space underthe three ventilation methods，and provides some reference for the selection of indoor ventilation methodsunder epidemic prevention and control The simulation results showed that:the indoor temperature fieldstratification was obvious under the replacement ventilation condition;all three ventilation conditions didnot produce uncomfortable blowing sensation to the personnel;only under the replacement ventilationcondition，the probability of infection was lower than the other two when the indoor concentration of pollu-tants reached below 1 000，and the replacement ventilation was obviously better than the other two venti-lation methodsKey words:CFD;displacement ventilation;mixing ventilation;stratum ventilation;prediction of infec-tion probability收稿日期2022 07 10修订稿日期2022 07 22作者简介:林天磊(1997 )，男，硕士研究生，主要从事室内环境控制策略研究。1450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 NG k 方程湍流模型，NGk 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，NG k 能够提供良好的室内空气质量 IAQ，并且 NGk 对于模拟通风空间内流场效果优于其他几种模型17 18。2451 3边界条件的设置(见表 1 表 3)该办公室位于浙江杭州。根据民用建筑热工设计规范 GB50176_201619，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 1910。表 1置换通风边界条件边界类型速度/m s1温度/CO2浓度/%送风口Velocity inlet0319004回风口Pressure outlet004表 2混合通风边界条件边界类型速度/m s1温度/CO2浓度/%送风口Velocity inlet219004回风口Pressure outlet004表 3层式通风边界条件边界类型速度/m s1温度/CO2浓度/%送风口Velocity inlet119004回风口Pressure outlet004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 W22，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。表 4网格独立性验证总体网格尺寸/mm网格数Vout/m s120064 0700 656 8150132 7300 662 1125209 6470 672 8100355 9580 707 075708 3930 718 8601 203 6870722 6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ASHAE23 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。345图 3Y=0 8 m 处温度场分布图 4Z=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。表 5人体舒服度与室内风速的关系室内风速/m s10 025025 0505 101 0 以上人体感觉无感觉舒适有意识感觉明显吹风感2 3CO2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 200224 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。445图 5Y=1 m 处速度场分布图 6Y=1 75 m 处速度场分布图 7Z=1 2 m 处速度场分布图 8室内CO2浓度分布图 9Z=1 2 m 处CO2浓度5452 4感染概率Dai 等人采用数值拟合方法并利用 Wells i-ley 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 iley 模型如下PI=1 exp(Iqpt/Q)(1)但 Wells iley 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 iley 模型进行改进，提出了基于污染物浓度的Wells iley 模型26。Stephens 等人研究得出流感病毒的感染剂量 q=100/h27。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(IqptC)/(QC)(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 200220 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。参考文献 1李晓萍，王雯翡，康宁，等 开敞办公空间气溶胶传播的数值研究 J 建筑科学，2022(2):209 216 2安晶晶，燕达，周欣，等 机械通风与自然通风对办公建筑室内环境营造差异性的模拟分析J 建筑科学，2015，31(10):124 133 3Fong M L，Lin Z，Fong K F，et al Life Cycle Assess-ment for Three Ventilation MethodsJ Building and Environ-ment，2017(116):73 88 4 Wyon D P The Effects of Indoor Air Quality on Per-formance and Productivity J Indoor air，2004(14):92 101 5武志松，姜益强，郑文科，等 过渡季住宅厨房热环境 CFD 模拟研究 J 节能技术，2020(6):495 501，515 6崔奇杰，郑文科，何峰，等 新型排烟模式下地铁气流组织模拟研究 J 节能技术，2020，38(2):109 112 7Liu S，Koupriyanov M，Paskaruk D，et al Investigationof Airborne Particle Exposure in an Office with Mixing and Dis-placement VentilationJ Sustainable Cities and Society，2022(79):103718 8 赵福云，程盼，张东东 置换通风及混合通风下室内空气环境多指标数值评价 J 武汉大学学报:工学版，2018，51(9):823 830 9 Khan M A H，Bennia A，Lateb M，et al Numerical In-vestigation of Thermal Comfort Using the Mixing and Displace-ment Ventilation Systems within a Fitting oom J InternationalJournal of Heat and Mass 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