矢流通风卫生间污染物气体扩散数值模拟

林豹 彭小勇 陈丽园 吴政江

南华大学土木工程学院

随着人们生活水平的提高，现代公共建筑室内环境正日益受到设计者和居住者的重视，但公共卫生间内空气质量、卫生环境却是最差的部分之一，其主要污染物是水蒸气及其他不良气体[1]。如硫化氢、氨气、甲硫醇、甲流二醇、乙胺、吲哚，而当下对人体影响最严重的污染物是氨气和硫化氢。GB50325-2010 要求室内氨气质量浓度不得超过 0.2 mg/m3[2]，工业企业设计卫生标准 TJ36-79 要求生活区空气中硫化氢的最高容许浓度为0.01 mg/m3[3]。2020 年，新冠肺炎来袭，此病毒可通过粪口传播途径的条件为患者粪便中存在具有传染性的病毒，且病毒通过粪 -口或粪 -呼吸途径进入并感染其他人体[4]。因此，公共卫生间良好的通风，不仅有利于如厕时空气品质的改善，而且还将避免诸如新冠此类病毒的交叉传播感染。国内外许多学者对公共卫生间的污染问题进行了大量的研究[5-7]，但是对于公共卫生间的单向矢流形式的气流组织的研究较少，鉴于卫生间对于建筑室内空气质量，人体健康及新冠病毒等类似病毒交叉感染的控制的重要性，对公共卫生间内污染物气体浓度分布的研究及其控制是非常重要。

1 卫生间数值模拟的数学模型

数值模拟方法是利用计算流体力学原理，采用计算机技术进行模拟，本文利用FLUENT 软件作为数值模拟的工具，模拟过程中污染物入口采用组分运输传输模型，气相湍流采用模型。考虑扩散过程中有浮力驱动的自然对流影响。运用有限容积和SIMPLEC 格式的压力速度耦合格式对控制方程进行离散求解[8-10]。通过试算比较，以上模型选取可以比较精确的模拟出H2S 和NH3的浓度。

2 单元卫生间CFD 模型的建立

根据 《城市公共厕所设计标准》[11]建立传统卫生间模型，卫生间模型的长宽高为 1.5 m× 1.2 m× 2.5 m，对卫生间内部细微结构进行简化处理，蹲便器为污染源释放处，为了更加符合真实情况将其简化为 0.35 m× 0.15 m 释放口，门缝进风口为0.8 m× 0.05 m，顶部排风口为0.3 m× 0.3 m，卫生间结构如图1 所示。

图1 卫生间数值模拟物理模型

3 边界条件设置

卫生间模型的边界条件主要包括卫生间蹲便器，排风口以及门缝。假设卫生间内无其他热源，围护结构绝热。忽略尘埃粒子的质量对气流的干扰，卫生间内的污染源的发尘速率恒定不变。卫生间气流为不可压缩牛顿流体。氨气和硫化氢的扩散适用于速度进口边界条件，设置风速为 0.1 m/s[12]，氨气浓度为 1× 10-6kg/m3,硫化氢浓度为5× 10-6kg/m3。门缝设为自由入口。排风口设为速度出口，速度设为0.7 m/s(根据换气次数30 次/h 计算而来)。其他内墙边界条件定义为壁面。

在模拟过程中操作压力采用标准大气压101.325 kPa，卫生间内环境温度为298.15 K，污染物扩散面温度为310.15 K。

4 卫生间内污染物浓度分布数值模拟结果分析与改进

4.1 空态下卫生间数值模拟

4.1.1 传统卫生间模型内氨气和硫化氢数值模拟结果分析

从图2 中可以看出当采用顶排风的方式对卫生间进行通风时，由于排风装置的影响，污染物气体的密度和热浮力对于其扩散影响微小，主要驱动力是机械排风，所以卫生间内氨气和硫化氢的浓度分布趋势类似。从图中可以看出污染物扩散范围比较大，基本上扩散到整个卫生间，在蹲便器附近的污染物浓度较高。图3显示，在Z=1 m 平面，氨气的平均质量分数为 5.75× 10-7，国家氨气质量浓度标准限值为 0.2 mg/m3，对应的质量分数约为1.55× 10-7，说明当卫生间采用顶排风的方式进行通风时，人的呼吸平面Z=1 m 处氨气浓度严重超出了国家标准。此外整个卫生间氨气的平均质量分数为5.54× 10-7，也是严重超出了限定值，说明此通风方式下整个卫生间污染物程度较高。

图2 X=0.6 m 平面氨气和硫化氢浓度分布云图

图3 Z=1 m 平面氨气和硫化氢浓度分布云图

结合图2、图3 的浓度分布云图分析结果，从卫生间的气流组织角度出发进一步分析顶排风方式的特点。从图4 中可以看出，卫生间中间产生了一个比较大的漩涡，几乎整个切面都形成了一个漩涡，这样就会使得卫生间内的污染物无法很有效的排出卫生间外，使污染物一直残留在卫生间内部。

图4 X=0.6 m 平面气流组织流线分布图

4.1.2 卫生间进、排风方式改进分析

要使卫生间内的污染物能够有效的排出，一个良好的气流组织形式是必要的条件。所以本文提出一种单向矢流卫生间单元，使卫生间内的气流组织形态为单向矢流。单向矢流洁净室的送、回风形式为侧上角送风，对侧下角回风。为了满足卫生间负压排风的要求，本文采用侧上角为自由进风口，对侧下角为负压排风口。

哈尔滨工业大学魏学孟等在单向流洁净室方面做了大量研究[13-14]，提出了矢流洁净室的设计参数，洁净室高长比为0.5～1 之间，扇形送风口面积为所在侧墙的0.35 倍，回风口面积为送风口面积的 1/5～1/6 倍。根据以上资料，本文对卫生间进、排风口的位置和形式进行改变。保持卫生间长宽高不变、保留门缝、风速保持不变、新增进风口置于侧上角、排风口置于对侧下角（图5）。进风口面积为 0.3 m× 1 m，排风口面积为0.15 m× 1 m。进风口采用百叶风口，百叶风口是空调领域应用最广的一类送风口，通过调整叶片角度可产生不同的射流。其出流方式有多种形式，对于具有可调叶片的百叶风口，常见的出流方向为互相平行的 1 束直出流以及叶片对称张开形成一定夹角的 3 束出流[15]。具体形式如图6 所示。

图5 卫生间数值模拟物理模型

图6 百叶风口模型

4.1.3 模拟结果分析

从图7 中可以看出，除了蹲便器周围的污染物浓度较高以外，卫生间内剩余90%的地方污染物气体的浓度显著改善。图 8 显示，Z=1 m 呼吸平面的污染物气体浓度再一次验证了此种通风方式的优点，呼吸区平面的氨气的质量分数降到10-14，基本上可以忽略不计。

图7 X=0.6 m 平面氨气浓度分布图

图8 Z=1 m 平面氨气浓度分布图

图9 显示，由于单向气流的抑制作用，卫生间内的污染物气体很难向上扩散，在蹲便器的上方污染物气体的浓度很低。此种单向矢流气流组织，污染物横向和纵向扩散较小，污染物可以从回风口迅速排出，是一种比较理想的气流流态。

图9 X=0.6 m 平面气流组织流线分布图

4.2 非空态下卫生间数值模拟

4.2.1 卫生间物理模型

以上模拟都是卫生间处于空态情况下进行的，但是人在如厕时，此种通风方式的有效性值得验证。将人体模型简化，在模拟中采取蹲姿。具体情况如图 10所示。

图10 卫生间非空态数值模拟物理模型

为了得到更好的通风效果，本文分别选取了五种不同风速分别为 0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s、1.1 m/s、1.5 m/s 进行数值模拟。

4.2.2 数值模拟结果

从五种工况模拟情况（图11）来看，风速为0.5 m/s和 0.7 m/s 时，在卫生间有人的情况下，卫生间内部中间区域会出现明显的漩涡，呼吸区污染物气体的浓度比空态时要高很多。当等速大于0.7 m/s 时，卫生间内部的气流组织形式比较好，大致呈现斜推式单向矢流。综上所述，考虑到能耗问题，当卫生间有人使用时的最佳风速应为0.9 m/s。

图11 X=0.6 m 不同风速时平面气流组织流线分布图

5 结论

1）当卫生间采用机械排风时，由于排风装置的影响，污染物气体的密度和热浮力对于其扩散影响微小，主要驱动力是机械排风，卫生间内密度小的氨气和密度大的硫化氢的浓度分布趋势类似。

2）相比传统顶排式的卫生间，侧上角为自由进风口，对侧下角为负压排风口的通风方式能让卫生间内的污染物气体浓度大大降低，但是由于气流组织形式没呈现出单向矢流状态，导致卫生间内某些区域污染物气体浓度还是较高。

3）将进风口改变成0°、4 5°、1 5°三束流的百叶进风口，能使卫生间内的气流组织形式形成单向矢流，同时卫生间内污染物气体浓度显著改善。呼吸区平面的污染物气体的质量分数达到了10-14 级别，基本上可以忽略不计。

4）当卫生间有人使用时，综合各方面因素的最佳风速应为0.9 m/s。