公共卫生间通风气流组织及室内环境研究

摘要：采用Airpak软件对世博卫生间室内污染物浓度及热环境进行模拟。通过改变通风方式、换气次数、排风口高度等方式，对比了不同模拟工况下污染物浓度。模拟得出采用上送风下分散排风方式的效果最好，为改善厕所污染物浓度和热环境提供了方法和理论依据。
关键词：卫生间通风；厕所污染物；CFD；模拟
0前言
中国2010年上海世博会将是新世纪人类城市生活的伟大盛会，而公共厕所文明是当代城市文明的有机组成部分之一，它已成为国际化都市文明崭新的探索领域。世博园区中，良好的公共卫生间环境和空气品质对树立高品质世博会形象具有重要影响。因此，公共卫生间不仅需要配置通风系统，而且需要设计合理的气流组织来保证室内环境。现有公共卫生间机械通风除臭技术一般采用上送风上排风系统，气流组织不合理，卫生间污染不能得到有效控制。针对这个问题，本文提出上送风下排风的气流组织形式，并对其进行深入分析。随着计算流体力学（CFD）技术的发展，在方案设计阶段采用CFD技术模拟室内气流组织、热舒适性以及污染物扩散等已经得到广泛应用。本文利用Fluent公司推出的Airpak软件对世博园区公共卫生间的室内环境进行模拟。Airpak是面向暖通空调领域的软件，它可以准确模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题。通过模拟不同的通风方式、换气次数、排风口高度等参数，对比通风效果和污染物浓度，从而选择合理的工况指导实际工程。
1研究对象
本文以上海世博园区典型的卫生间设计方案为研究对象，根据设计图纸建立相关建筑模型，见图1。该卫生间尺寸为7.55m×4.17m×2.7m，面积约为28.4m2。其中主要包括六个小便器、五个卫生隔间和相关的送、排风口。小便器和大便器的主要污染物分别为氨气和硫化氢，本文主要利用这两种污染物的浓度以及平均空气龄等来评价室内空气品质。首先在不考虑温度的情况下，模拟出最佳的通风方式、换气次数及送、排风口高度，然后模拟夏季设计工况下的室内热环境。
2模型建立和初始条件确立
2.1物理模型
依据CAD设计图纸建立房间模型并确定送、排风口位置，在不影响计算的前提下，对小便器和大便器外形进行合理简化。把小便器和大便器污染物扩散简化为对应的小风口向室内送风。设定小便器对应风口尺寸为0.08m×0.08m，只扩散氨气，浓度为0.00005kg/m3，风速为0.1m/s；大便器对应风口尺寸为0.1m×0.1m，只扩散硫化氢，浓度为0.000002kg/m3，风速为0.07m/s。送风口模拟实际散流器按尺寸分为5块，中间一块垂直向下送风，周边四块向外45º送风。
2.2室内零方程模型
1998年，Chen等人提出一种新的零方程模型用以解决通风空调房间气流组织的数值计算问题，该模型与Prandtl-Kolmogorov的假设有很大相似[1]，并被Fluent公司使用在商用CFD软件Airpak中。赵彬等人在室内空调气流组织的数值计算中采用了该模型，通过研究和验证认为零方程模型在求解速度上有优势，并且能够保证一定的准确度[2、3]。本文采用Airpak中室内零方程模型求解。
3工况对比及结果分析
3.1不同通风方式的工况对比
通风方式分为三种工况：上送风下分散排风；上送风下集中排风；上送风上排风。三种通风方式均采用15次换气次数进行计算，风口位置及相关参数见表1和图2。
 
图1 Airpak中建立模型示意图
 
图2不同通风方式风口位置示意图
表1不同通风方式的风口参数
 
表2不同通风方式计算结果对比