岳高伟 董慧敏 李敏敏 陆梦华

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000)

室内有害气体的通风净化效应*

岳高伟 董慧敏 李敏敏 陆梦华

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000)

室内装修材料和家具释放的有害气体严重恶化了室内空气品质，其中甲醛对人体危害尤为突出，而室内通风是清除甲醛行之有效的办法。测试了室内甲醛释放源的释放强度规律，并建立了新装修室内甲醛通风净化的空气动力学模型，数值计算分析了通风情况下室内甲醛的浓度分布特征。结果表明：(1)室内地板和家具的甲醛释放强度均随测试时间呈指数减小；(2)同一通风风速下，装修后第30天时的甲醛浓度较大区域明显减少；(3)在室内人坐姿和站姿呼吸高度(约1.2、1.7m)处，无论风速大小，装修后通风一段时间后室内甲醛浓度均减小，且较低位置(1.2m)甲醛浓度减小更明显；(4)在同种气流组织形式下，较小和较大的通风风速对室内甲醛通风净化效果均不理想，对本研究模型而言，以通风风速2m/s左右时对室内甲醛净化效果较好。

甲醛浓度 通风风速 释放强度 净化效应

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对自己的居住条件要求也不断提高。然而，室内建筑装修材料及家具散发出大量的挥发性有机化合物严重恶化了室内空气品质，其中甲醛就是常见的一种挥发性有机化合物污染源，被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质，成为室内空气污染中关注的焦点之一[1_2]。由于甲醛释放是一个长期过程，其释放期一般为3～15年，因而室内空气净化显得尤为重要。目前，国内外对室内甲醛污染的空气净化技术主要有物理吸附技术[3_4]、空气负离子技术[5]、臭氧氧化法[6]、常温催化氧化法[7]、生物技术[8]。但是，这些技术和产品成本相对高，且很难大面积推广使用。因此，利用自然条件对室内空气进行净化是简单有效的方法，在室内放置吊兰、芦荟、仙人球、虎尾花、扶郎花等室内观赏叶植物对甲醛有较好的吸收效果[9_10]，但室内空间有限。甲醛的释放浓度随着湿度的增大而增大，随温度升高而增大，在室内采取烘烤的方法或在室内摆放一盆清水可使甲醛加快释放[11]，但效率较低。而室内通风是清除甲醛行之有效的办法，可选用空气换气装置或自然通风，有利于室内材料中甲醛的散发和排放。ZHANG等[12]研究发现，混合通风可以比置换通风更好地保持室内空气质量。

近年来，众多学者采用数值模拟手段对室内通风污染物浓度分布规律进行了研究。付小平等[13]利用数值模拟结果和实验数据证明，标准的k_ε模型和组分输运模型能较好地模拟室内上送下回的通风方式稀释室内污染物的过程。吴猛等[14]、肖楚璠[15]对住宅在自然通风时室内空气污染物排放过程进行了模拟，得到污染物浓度随时间变化的规律。张俊杰等[16]、刘娣等[17]、张牛牛等[18]利用计算流体力学(CFD)方法模拟了不同通风方式和不同送风速度下室内污染物的浓度分布，结果表明，适当的送风速度可有效降低室内污染物浓度。但是，以上研究主要是针对新装修空房间，对于放置家具后的室内甲醛浓度分布规律还有待深入研究。

本研究通过建立通风净化室内甲醛模型，数值模拟了不同通风风速下的室内甲醛浓度分布规律，进而对有效通风净化室内空气提供理论指导。

1 基本理论

1.1 湍流流动的Reynolds时均方程

室内通风过程空气流动为湍流流动，空气流动满足连续方程和动量方程的Reynolds时均方程，其张量形式即：

(1)

(2)

式中：ρ为空气密度，kg/m3；xi、xj分别为直角坐标系中点值；Ui、Uj分别为对应xi、xj的时均速度分量，m/s；t为时间，s；p为时均压力，Pa；υ为气流的运动黏性系数，m2/s；ui、uj分别为对应xi、xj的速度脉动分量，m/s。

1.2 湍流封闭模型

引入了Boussinesq假设，Reynolds应力可表示为：

(3)

式中：νt是湍流涡黏性系数，m2/s；k为紊流动能，J；δij为DELT函数，一般i=j时为δij=1，否则δij=0。

由非稳态的N_S方程可导出模化后的k方程与ε方程：

(4)

(5)

式中：ε紊流脉动动能的耗散率，%；Ck、Cε、Cε1、Cε2为实验常数，分别取值0.09、1.30、1.44、1.92。

式(1)至式(5)组成了标准k_ε模型的封闭控制方程组。

1.3 甲醛的释放与扩散方程

污染物(甲醛)从木质地板、家具等向室内空间扩散，甲醛进入空气中的扩散过程可表示为：

(6)

式中：C为空气中甲醛质量分数，%；μ为甲醛动力黏度，Pa/s；σ为质量变化率，mg/s；SC为源项，mg/(m3·s)。

2 甲醛释放强度测试

将测试板材(尺寸：300 mm×200 mm×5 mm)放置于恒温恒湿培养箱(内部尺寸：500 mm×500 mm×500 mm)内，用甲醛测定仪(PPM_400ST)测试培养箱内甲醛质量浓度，测定结果如表1所示。

表1 测试板材甲醛质量浓度释放测试

假设第n次(时间tn)甲醛质量浓度测试结果为cn、第n+1次(时间tn+1)甲醛质量浓度测试结果为cn+1，则此段测试时间内板材甲醛释放强度(q，mg/(m2·h))可表示为：

(7)

式中：V为培养箱容积，m3；S为测试板材表面积，m2。

将表1中测试数据带入式(7)，可得到不同时段甲醛释放强度，结果如图1所示。

图1 甲醛释放强度Fig.1 Formaldehyde release strength

从图1可以看出，无论是地板还是家具板材，甲醛释放强度均随测试时间呈指数减小，采用式(8)对甲醛释放强度进行拟合，拟合曲线如图1所示，拟合参数见表2。

q=q0+ae_t’/t’0

(8)

式中：q0为甲醛释放初始强度，mg/(m2·h)；a为拟合参数，mg/(m2·h)；t’为测试时间，h；t’0为测试初始时间，h。

3 室内甲醛释放模型

选择单居室长宽高尺寸为6.0 m×4.0 m×3.0 m，左侧墙壁正中开宽高1.0 m×1.5 m的窗户，距离地面1.0 m高，右侧为2.0 m×1.5 m的门，挨着地，室内摆放立柜和沙发。以矩形室的中心点为原点，沿长度方向为x轴，宽度方向为y轴，竖直向上为z轴，建立几何模型(如图2所示)。边界条件：(1)木质地板为甲醛散发源，其边界条件设为质量进口，墙壁面无甲醛释放；(2)沙发和立柜的每个表面为散发源；(3)窗口为风速入口边界，门为风速出口边界。

图2 几何模型Fig.2 Geometrical model

4 数值模拟结果及分析

影响室内甲醛分布的因素有很多，包括通风口的形式、位置、规格、数量，风流的速度，温度，房间几何形状以及家具布置等。虽然，家具表面气体速度越大，甲醛等有害气体置换迅速，增大扩散通量，但对室内通风来说，释放面源处风速小，风流与释放气体置换能力弱，不同通风风速下释放面源扩散通量差别不大，因而本模型中不同通风风速下面源的释放强度考虑为一样。

由于甲醛浓度分布的三维场难以清晰定量显示，本研究截取y=0来显示房间内甲醛在立面的浓度分布，截取z=_0.3(距地面1.2 m高，恰好为人坐姿时的呼吸高度)、z=0.2(距地面1.7 m高，为人站立时的呼吸高度)来显示甲醛在两个水平面浓度分布情况(如图3所示)，以此反应甲醛对人体危害程度。

表2 甲醛释放强度拟合参数

图3 取值位置示意图Fig.3 Diagram of value position

分别采用不同通风风速(1、2、3 m/s)，在通风前室内封闭12 h，对装修后第1、30天(每天通风5 h)时的室内甲醛浓度分布特征进行数值模拟，并对比分析通风风速对室内甲醛浓度影响。为显示方便，本研究云图、等值线图中示数均为甲醛质量浓度，单位为mg/m3。

图4和图5为不同通风风速下室内y=0截面上甲醛质量浓度分布云图。从图4和图5对比可以看出，在同一通风风速下，与装修后第1天相比，装修后第30天时的甲醛浓度较大区域明显减少，其浓度较大区域仅分布在窗台下方靠近地板区域，这是因为窗台下方的空气流动较弱，进而对此处甲醛吹散能力较小。同时，与通风风速1 m/s时甲醛浓度分布相比，通风风速2、3 m/s时甲醛浓度较大区域减小；对比通风风速2、3 m/s时甲醛浓度分布，甲醛浓度较大区域却相当，即增大通风风速，其净化效应变化不明显。

图6至图9为z=_0.3、z=0.2截面甲醛质量浓度等值线图。分别对比图6和图7、图8和图9可以发现，在同一通风风速下，与装修后第1天相比，装修后第30天甲醛浓度显著减小，甲醛最大浓度降为初始室内甲醛最大浓度的1/2；在2 m/s的通风风速下，室内甲醛浓度较大区域分布明显比通风风速1、3 m/s时小。由此可知，通风风速较小(1 m/s)或较大(3 m/s)，对室内甲醛的净化效果较差。

分别在z=_0.3(1.2 m高)和z=0.2(1.7 m高)截面，与墙体距离1.0 m处(沙发前坐姿和站姿呼吸高度)取值(见图3)，得到甲醛质量浓度曲线如图10至图13所示。从图10和图11可以看出，无论通风风速大小，通风后一段时间室内甲醛浓度均总体减小，但在不同高度处甲醛浓度减小程度不同，与较高位置(1.7 m)相比，较低位置(1.2 m)处的甲醛浓度减小更明显。

从图12和图13可以看出，整体趋势上，通风风速较小或较大时的甲醛浓度较2 m/s通风风速时大。由此可得，在同种气流组织形式下，采用过小的通风风速时，由于不能对甲醛形成足够强度的携带作用，致使甲醛向较高处扩散；采用较大的通风风速时，气流扰动增强，导致了甲醛气体向上涌动，致使较高平面上甲醛浓度增大，室内甲醛通风净化效果不理想。因此，根据模型中通风风速1、2、3 m/s时甲醛浓度分布计算分析结果可知，不宜采用过大或过小的通风风速来净化室内甲醛，建议通风风速在2 m/s左右为宜。

图4 y=0截面甲醛质量浓度分布(第1天)Fig.4 Formaldehyde concentration distribution of y=0 (the first day)

图5 y=0截面甲醛质量浓度分布(第30天)Fig.5 Formaldehyde concentration distribution of y=0 (the thirtieth day)

图6 z=_0.3截面甲醛质量浓度分布(第1天)Fig.6 Formaldehyde concentration distribution of z=_0.3 (the first day)

图7 z=_0.3截面甲醛质量浓度分布(第30天)Fig.7 Formaldehyde concentration distribution of z=_0.3 (the thirtieth day)

图9 z=0.2截面甲醛质量浓度分布(第30天)Fig.9 Formaldehyde concentration distribution of z=0.2 (the thirtieth day)

图10 通风风速对室内甲醛质量浓度影响(z=_0.3)Fig.10 Effect of indoor formaldehyde concentration with ventilation speed (z=_0.3)

图11 通风风速对室内甲醛质量浓度影响(z=0.2)Fig.11 Effect of indoor formaldehyde concentration with ventilation speed (z=0.2)

图12 不同通风风速净化效果(z=_0.3)Fig.12 Purification effect with different ventilation speed (z=_0.3)

图13 不同通风风速净化效果(z=0.2)Fig.13 Purification effect with different ventilation speed (z=0.2)

5 结 论

(1) 室内无论是地板还是家具板材，甲醛释放强度均随测试时间呈指数减小，其与测试时间的关系可表示为：q=q0+ae_t’/t’0。

(2) 相同通风风速下，与装修后第1天相比，装修后第30天时的甲醛浓度较大区域明显减少，其浓度较大区域仅分布在窗台下方靠近地板区域。

(3) 无论通风风速大小，通风后一段时间室内甲醛浓度均总体减小，但与较高位置(1.7 m)相比，较低位置(1.2 m)处的甲醛浓度减小更明显。

(4) 在同种气流组织形式下，较小或较大通风风速对室内甲醛的净化效果均不理想。对本研究模型来说，2 m/s左右通风风速对室内甲醛净化效果较好。

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Purificationeffectofindoorharmfulgaswithventilation

YUEGaowei，DONGHuimin，LIMinmin，LUMenghua.

(SchoolofCivilEngineering，HenanPolytechnicUniversity，JiaozuoHenan454000)

Indoor decoration materials and furniture release harmful gases which deteriorate the indoor air quality seriously. The harm of Formaldehyde on the human body is particularly prominent，and indoor ventilation is the most effective way to clear formaldehyde. As such，the strength release laws of indoor formaldehyde were tested for different emission sources，and air dynamics model of the formaldehyde ventilation purifying was established to numerically analyze the distribution characteristics of indoor formaldehyde under the condition of ventilation in newly installed indoor. The results showed that：(1) the formaldehyde release strength of indoor flooring and furniture decreased exponentially with time. (2) Under the same ventilation speed，the area，which the formaldehyde concentration was larger，decreased significantly on the thirtieth day after the decoration finishing. (3) When people siting and standing，their breathing height were about 1.2 m and 1.7 m，and at these heights the formaldehyde concentration decreased after a period of time of indoor ventilation with any wind speed，especially in lower area (1.2 m) the formaldehyde concentration change was more obvious. (4) In the same airflow form，the smaller or bigger ventilation speeds had not obviously effective on formaldehyde ventilation purifying. The wind speed at 2 m/s had a better effective on formaldehyde ventilation purifying as for the model in this paper.

formaldehyde concentration； ventilation speed； release strength； purifying effective

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.005

2015_10_10)

岳高伟，男，1977年生，博士，副教授，研究方向为室内污染与防治。

*中国博士后科学基金资助项目(No.2013M531673)；河南省科技攻关计划项目(No.142102310268)；河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放实验室开放基金资助项目(No.2013KF_01)。