岳高偉 董慧敏 李敏敏 陸夢(mèng)華

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

室內(nèi)有害氣體的通風(fēng)凈化效應(yīng)*

岳高偉 董慧敏 李敏敏 陸夢(mèng)華

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

室內(nèi)裝修材料和家具釋放的有害氣體嚴(yán)重惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)，其中甲醛對(duì)人體危害尤為突出，而室內(nèi)通風(fēng)是清除甲醛行之有效的辦法。測(cè)試了室內(nèi)甲醛釋放源的釋放強(qiáng)度規(guī)律，并建立了新裝修室內(nèi)甲醛通風(fēng)凈化的空氣動(dòng)力學(xué)模型，數(shù)值計(jì)算分析了通風(fēng)情況下室內(nèi)甲醛的濃度分布特征。結(jié)果表明：(1)室內(nèi)地板和家具的甲醛釋放強(qiáng)度均隨測(cè)試時(shí)間呈指數(shù)減??；(2)同一通風(fēng)風(fēng)速下，裝修后第30天時(shí)的甲醛濃度較大區(qū)域明顯減少；(3)在室內(nèi)人坐姿和站姿呼吸高度(約1.2、1.7m)處，無(wú)論風(fēng)速大小，裝修后通風(fēng)一段時(shí)間后室內(nèi)甲醛濃度均減小，且較低位置(1.2m)甲醛濃度減小更明顯；(4)在同種氣流組織形式下，較小和較大的通風(fēng)風(fēng)速對(duì)室內(nèi)甲醛通風(fēng)凈化效果均不理想，對(duì)本研究模型而言，以通風(fēng)風(fēng)速2m/s左右時(shí)對(duì)室內(nèi)甲醛凈化效果較好。

甲醛濃度 通風(fēng)風(fēng)速 釋放強(qiáng)度 凈化效應(yīng)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)自己的居住條件要求也不斷提高。然而，室內(nèi)建筑裝修材料及家具散發(fā)出大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物嚴(yán)重惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)，其中甲醛就是常見(jiàn)的一種揮發(fā)性有機(jī)化合物污染源，被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)，成為室內(nèi)空氣污染中關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1_2]。由于甲醛釋放是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其釋放期一般為3～15年，因而室內(nèi)空氣凈化顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)室內(nèi)甲醛污染的空氣凈化技術(shù)主要有物理吸附技術(shù)[3_4]、空氣負(fù)離子技術(shù)[5]、臭氧氧化法[6]、常溫催化氧化法[7]、生物技術(shù)[8]。但是，這些技術(shù)和產(chǎn)品成本相對(duì)高，且很難大面積推廣使用。因此，利用自然條件對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化是簡(jiǎn)單有效的方法，在室內(nèi)放置吊蘭、蘆薈、仙人球、虎尾花、扶郎花等室內(nèi)觀賞葉植物對(duì)甲醛有較好的吸收效果[9_10]，但室內(nèi)空間有限。甲醛的釋放濃度隨著濕度的增大而增大，隨溫度升高而增大，在室內(nèi)采取烘烤的方法或在室內(nèi)擺放一盆清水可使甲醛加快釋放[11]，但效率較低。而室內(nèi)通風(fēng)是清除甲醛行之有效的辦法，可選用空氣換氣裝置或自然通風(fēng)，有利于室內(nèi)材料中甲醛的散發(fā)和排放。ZHANG等[12]研究發(fā)現(xiàn)，混合通風(fēng)可以比置換通風(fēng)更好地保持室內(nèi)空氣質(zhì)量。

近年來(lái)，眾多學(xué)者采用數(shù)值模擬手段對(duì)室內(nèi)通風(fēng)污染物濃度分布規(guī)律進(jìn)行了研究。付小平等[13]利用數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，標(biāo)準(zhǔn)的k_ε模型和組分輸運(yùn)模型能較好地模擬室內(nèi)上送下回的通風(fēng)方式稀釋室內(nèi)污染物的過(guò)程。吳猛等[14]、肖楚璠[15]對(duì)住宅在自然通風(fēng)時(shí)室內(nèi)空氣污染物排放過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到污染物濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律。張俊杰等[16]、劉娣等[17]、張牛牛等[18]利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法模擬了不同通風(fēng)方式和不同送風(fēng)速度下室內(nèi)污染物的濃度分布，結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)乃惋L(fēng)速度可有效降低室內(nèi)污染物濃度。但是，以上研究主要是針對(duì)新裝修空房間，對(duì)于放置家具后的室內(nèi)甲醛濃度分布規(guī)律還有待深入研究。

本研究通過(guò)建立通風(fēng)凈化室內(nèi)甲醛模型，數(shù)值模擬了不同通風(fēng)風(fēng)速下的室內(nèi)甲醛濃度分布規(guī)律，進(jìn)而對(duì)有效通風(fēng)凈化室內(nèi)空氣提供理論指導(dǎo)。

1 基本理論

1.1 湍流流動(dòng)的Reynolds時(shí)均方程

室內(nèi)通風(fēng)過(guò)程空氣流動(dòng)為湍流流動(dòng)，空氣流動(dòng)滿(mǎn)足連續(xù)方程和動(dòng)量方程的Reynolds時(shí)均方程，其張量形式即：

(1)

(2)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；xi、xj分別為直角坐標(biāo)系中點(diǎn)值；Ui、Uj分別為對(duì)應(yīng)xi、xj的時(shí)均速度分量，m/s；t為時(shí)間，s；p為時(shí)均壓力，Pa；υ為氣流的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s；ui、uj分別為對(duì)應(yīng)xi、xj的速度脈動(dòng)分量，m/s。

1.2 湍流封閉模型

引入了Boussinesq假設(shè)，Reynolds應(yīng)力可表示為：

(3)

式中：νt是湍流渦黏性系數(shù)，m2/s；k為紊流動(dòng)能，J；δij為DELT函數(shù)，一般i=j時(shí)為δij=1，否則δij=0。

由非穩(wěn)態(tài)的N_S方程可導(dǎo)出?；蟮膋方程與ε方程：

(4)

(5)

式中：ε紊流脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率，%；Ck、Cε、Cε1、Cε2為實(shí)驗(yàn)常數(shù)，分別取值0.09、1.30、1.44、1.92。

式(1)至式(5)組成了標(biāo)準(zhǔn)k_ε模型的封閉控制方程組。

1.3 甲醛的釋放與擴(kuò)散方程

污染物(甲醛)從木質(zhì)地板、家具等向室內(nèi)空間擴(kuò)散，甲醛進(jìn)入空氣中的擴(kuò)散過(guò)程可表示為：

(6)

式中：C為空氣中甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；μ為甲醛動(dòng)力黏度，Pa/s；σ為質(zhì)量變化率，mg/s；SC為源項(xiàng)，mg/(m3·s)。

2 甲醛釋放強(qiáng)度測(cè)試

將測(cè)試板材(尺寸：300 mm×200 mm×5 mm)放置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱(內(nèi)部尺寸：500 mm×500 mm×500 mm)內(nèi)，用甲醛測(cè)定儀(PPM_400ST)測(cè)試培養(yǎng)箱內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度，測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試板材甲醛質(zhì)量濃度釋放測(cè)試

假設(shè)第n次(時(shí)間tn)甲醛質(zhì)量濃度測(cè)試結(jié)果為cn、第n+1次(時(shí)間tn+1)甲醛質(zhì)量濃度測(cè)試結(jié)果為cn+1，則此段測(cè)試時(shí)間內(nèi)板材甲醛釋放強(qiáng)度(q，mg/(m2·h))可表示為：

(7)

式中：V為培養(yǎng)箱容積，m3；S為測(cè)試板材表面積，m2。

將表1中測(cè)試數(shù)據(jù)帶入式(7)，可得到不同時(shí)段甲醛釋放強(qiáng)度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 甲醛釋放強(qiáng)度Fig.1 Formaldehyde release strength

從圖1可以看出，無(wú)論是地板還是家具板材，甲醛釋放強(qiáng)度均隨測(cè)試時(shí)間呈指數(shù)減小，采用式(8)對(duì)甲醛釋放強(qiáng)度進(jìn)行擬合，擬合曲線(xiàn)如圖1所示，擬合參數(shù)見(jiàn)表2。

q=q0+ae_t’/t’0

(8)

式中：q0為甲醛釋放初始強(qiáng)度，mg/(m2·h)；a為擬合參數(shù)，mg/(m2·h)；t’為測(cè)試時(shí)間，h；t’0為測(cè)試初始時(shí)間，h。

3 室內(nèi)甲醛釋放模型

選擇單居室長(zhǎng)寬高尺寸為6.0 m×4.0 m×3.0 m，左側(cè)墻壁正中開(kāi)寬高1.0 m×1.5 m的窗戶(hù)，距離地面1.0 m高，右側(cè)為2.0 m×1.5 m的門(mén)，挨著地，室內(nèi)擺放立柜和沙發(fā)。以矩形室的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，沿長(zhǎng)度方向?yàn)閤軸，寬度方向?yàn)閥軸，豎直向上為z軸，建立幾何模型(如圖2所示)。邊界條件：(1)木質(zhì)地板為甲醛散發(fā)源，其邊界條件設(shè)為質(zhì)量進(jìn)口，墻壁面無(wú)甲醛釋放；(2)沙發(fā)和立柜的每個(gè)表面為散發(fā)源；(3)窗口為風(fēng)速入口邊界，門(mén)為風(fēng)速出口邊界。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometrical model

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

影響室內(nèi)甲醛分布的因素有很多，包括通風(fēng)口的形式、位置、規(guī)格、數(shù)量，風(fēng)流的速度，溫度，房間幾何形狀以及家具布置等。雖然，家具表面氣體速度越大，甲醛等有害氣體置換迅速，增大擴(kuò)散通量，但對(duì)室內(nèi)通風(fēng)來(lái)說(shuō)，釋放面源處風(fēng)速小，風(fēng)流與釋放氣體置換能力弱，不同通風(fēng)風(fēng)速下釋放面源擴(kuò)散通量差別不大，因而本模型中不同通風(fēng)風(fēng)速下面源的釋放強(qiáng)度考慮為一樣。

由于甲醛濃度分布的三維場(chǎng)難以清晰定量顯示，本研究截取y=0來(lái)顯示房間內(nèi)甲醛在立面的濃度分布，截取z=_0.3(距地面1.2 m高，恰好為人坐姿時(shí)的呼吸高度)、z=0.2(距地面1.7 m高，為人站立時(shí)的呼吸高度)來(lái)顯示甲醛在兩個(gè)水平面濃度分布情況(如圖3所示)，以此反應(yīng)甲醛對(duì)人體危害程度。

表2 甲醛釋放強(qiáng)度擬合參數(shù)

圖3 取值位置示意圖Fig.3 Diagram of value position

分別采用不同通風(fēng)風(fēng)速(1、2、3 m/s)，在通風(fēng)前室內(nèi)封閉12 h，對(duì)裝修后第1、30天(每天通風(fēng)5 h)時(shí)的室內(nèi)甲醛濃度分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)比分析通風(fēng)風(fēng)速對(duì)室內(nèi)甲醛濃度影響。為顯示方便，本研究云圖、等值線(xiàn)圖中示數(shù)均為甲醛質(zhì)量濃度，單位為mg/m3。

圖4和圖5為不同通風(fēng)風(fēng)速下室內(nèi)y=0截面上甲醛質(zhì)量濃度分布云圖。從圖4和圖5對(duì)比可以看出，在同一通風(fēng)風(fēng)速下，與裝修后第1天相比，裝修后第30天時(shí)的甲醛濃度較大區(qū)域明顯減少，其濃度較大區(qū)域僅分布在窗臺(tái)下方靠近地板區(qū)域，這是因?yàn)榇芭_(tái)下方的空氣流動(dòng)較弱，進(jìn)而對(duì)此處甲醛吹散能力較小。同時(shí)，與通風(fēng)風(fēng)速1 m/s時(shí)甲醛濃度分布相比，通風(fēng)風(fēng)速2、3 m/s時(shí)甲醛濃度較大區(qū)域減??；對(duì)比通風(fēng)風(fēng)速2、3 m/s時(shí)甲醛濃度分布，甲醛濃度較大區(qū)域卻相當(dāng)，即增大通風(fēng)風(fēng)速，其凈化效應(yīng)變化不明顯。

圖6至圖9為z=_0.3、z=0.2截面甲醛質(zhì)量濃度等值線(xiàn)圖。分別對(duì)比圖6和圖7、圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，在同一通風(fēng)風(fēng)速下，與裝修后第1天相比，裝修后第30天甲醛濃度顯著減小，甲醛最大濃度降為初始室內(nèi)甲醛最大濃度的1/2；在2 m/s的通風(fēng)風(fēng)速下，室內(nèi)甲醛濃度較大區(qū)域分布明顯比通風(fēng)風(fēng)速1、3 m/s時(shí)小。由此可知，通風(fēng)風(fēng)速較小(1 m/s)或較大(3 m/s)，對(duì)室內(nèi)甲醛的凈化效果較差。

分別在z=_0.3(1.2 m高)和z=0.2(1.7 m高)截面，與墻體距離1.0 m處(沙發(fā)前坐姿和站姿呼吸高度)取值(見(jiàn)圖3)，得到甲醛質(zhì)量濃度曲線(xiàn)如圖10至圖13所示。從圖10和圖11可以看出，無(wú)論通風(fēng)風(fēng)速大小，通風(fēng)后一段時(shí)間室內(nèi)甲醛濃度均總體減小，但在不同高度處甲醛濃度減小程度不同，與較高位置(1.7 m)相比，較低位置(1.2 m)處的甲醛濃度減小更明顯。

從圖12和圖13可以看出，整體趨勢(shì)上，通風(fēng)風(fēng)速較小或較大時(shí)的甲醛濃度較2 m/s通風(fēng)風(fēng)速時(shí)大。由此可得，在同種氣流組織形式下，采用過(guò)小的通風(fēng)風(fēng)速時(shí)，由于不能對(duì)甲醛形成足夠強(qiáng)度的攜帶作用，致使甲醛向較高處擴(kuò)散；采用較大的通風(fēng)風(fēng)速時(shí)，氣流擾動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致了甲醛氣體向上涌動(dòng)，致使較高平面上甲醛濃度增大，室內(nèi)甲醛通風(fēng)凈化效果不理想。因此，根據(jù)模型中通風(fēng)風(fēng)速1、2、3 m/s時(shí)甲醛濃度分布計(jì)算分析結(jié)果可知，不宜采用過(guò)大或過(guò)小的通風(fēng)風(fēng)速來(lái)凈化室內(nèi)甲醛，建議通風(fēng)風(fēng)速在2 m/s左右為宜。

圖4 y=0截面甲醛質(zhì)量濃度分布(第1天)Fig.4 Formaldehyde concentration distribution of y=0 (the first day)

圖5 y=0截面甲醛質(zhì)量濃度分布(第30天)Fig.5 Formaldehyde concentration distribution of y=0 (the thirtieth day)

圖6 z=_0.3截面甲醛質(zhì)量濃度分布(第1天)Fig.6 Formaldehyde concentration distribution of z=_0.3 (the first day)

圖7 z=_0.3截面甲醛質(zhì)量濃度分布(第30天)Fig.7 Formaldehyde concentration distribution of z=_0.3 (the thirtieth day)

圖9 z=0.2截面甲醛質(zhì)量濃度分布(第30天)Fig.9 Formaldehyde concentration distribution of z=0.2 (the thirtieth day)

圖10 通風(fēng)風(fēng)速對(duì)室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度影響(z=_0.3)Fig.10 Effect of indoor formaldehyde concentration with ventilation speed (z=_0.3)

圖11 通風(fēng)風(fēng)速對(duì)室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度影響(z=0.2)Fig.11 Effect of indoor formaldehyde concentration with ventilation speed (z=0.2)

圖12 不同通風(fēng)風(fēng)速凈化效果(z=_0.3)Fig.12 Purification effect with different ventilation speed (z=_0.3)

圖13 不同通風(fēng)風(fēng)速凈化效果(z=0.2)Fig.13 Purification effect with different ventilation speed (z=0.2)

5 結(jié) 論

(1) 室內(nèi)無(wú)論是地板還是家具板材，甲醛釋放強(qiáng)度均隨測(cè)試時(shí)間呈指數(shù)減小，其與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系可表示為：q=q0+ae_t’/t’0。

(2) 相同通風(fēng)風(fēng)速下，與裝修后第1天相比，裝修后第30天時(shí)的甲醛濃度較大區(qū)域明顯減少，其濃度較大區(qū)域僅分布在窗臺(tái)下方靠近地板區(qū)域。

(3) 無(wú)論通風(fēng)風(fēng)速大小，通風(fēng)后一段時(shí)間室內(nèi)甲醛濃度均總體減小，但與較高位置(1.7 m)相比，較低位置(1.2 m)處的甲醛濃度減小更明顯。

(4) 在同種氣流組織形式下，較小或較大通風(fēng)風(fēng)速對(duì)室內(nèi)甲醛的凈化效果均不理想。對(duì)本研究模型來(lái)說(shuō)，2 m/s左右通風(fēng)風(fēng)速對(duì)室內(nèi)甲醛凈化效果較好。

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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)

岳高偉，男，1977年生，博士，副教授，研究方向?yàn)槭覂?nèi)污染與防治。

*中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2013M531673)；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(No.142102310268)；河南省高等學(xué)校深部礦井建設(shè)重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(No.2013KF_01)。