蔡 偉，邵璟璟，溫小棟，伍 品

(1.建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；2.寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315211； 3.國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

1 概述

人們?cè)谑覂?nèi)環(huán)境的時(shí)間超過(guò)80%[1]，室內(nèi)空間狹小，成分復(fù)雜，且不易流動(dòng)，室內(nèi)污染危害嚴(yán)重[2]。隨著新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)和建材行業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是全裝修熱潮的興起，建材、家具、油漆、涂料等全生命周期內(nèi)釋放的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和半揮發(fā)性有機(jī)物(SVOCs)不容忽視。加之，從節(jié)能角度強(qiáng)調(diào)密閉性，導(dǎo)致進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)銳減。如何有效控制室內(nèi)VOC污染是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

本文從內(nèi)部散發(fā)理論模型和外部擴(kuò)散特性?xún)煞矫妫到y(tǒng)論述多孔建材VOC散發(fā)及控制研究進(jìn)展，指出需要解決的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而提出研究趨勢(shì)，為優(yōu)化室內(nèi)空氣環(huán)境、提高居民健康水平提供理論支撐。

2 室內(nèi)建材VOC散發(fā)模型的研究進(jìn)展

早期，描述建材VOC散發(fā)規(guī)律是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)而出，從經(jīng)典的一階衰減模型、雙一階衰減模型，發(fā)展到以表面匯模型為代表的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3]。這些模型形式簡(jiǎn)潔，應(yīng)用方便，但缺乏機(jī)理支撐，無(wú)法反映VOC散發(fā)物理機(jī)制。

進(jìn)而，關(guān)注視角轉(zhuǎn)向了物理概念更為清晰的傳質(zhì)模型，以及具有物理意義的模型參數(shù)處理方法上。早期的Little模型提出VOC散發(fā)為擴(kuò)散控制過(guò)程，忽略對(duì)流傳質(zhì)阻力，假設(shè)建材內(nèi)初始濃度(質(zhì)量濃度，下同)和室內(nèi)濃度均為單一數(shù)值，造成預(yù)測(cè)值在散發(fā)初期偏大而后期偏小[4]。針對(duì)Little模型問(wèn)題，Yang,Huang[5-6]等開(kāi)始考慮邊界對(duì)流傳質(zhì)阻力，Xu等[7]進(jìn)一步考慮了對(duì)流傳質(zhì)阻力和初始濃度的綜合影響，使得計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。上述模型多針對(duì)單層材料單面散發(fā)情況，Hu等[8]考慮到內(nèi)部濃度非均勻性，提出了多層材料雙面散發(fā)模型。此后，考慮材料化學(xué)反應(yīng)的多層材料散發(fā)模型[9]和空分?jǐn)?shù)擴(kuò)散模型[10]被分別提出。Li等[11]利用k-ω模型研究了表面輻射對(duì)室內(nèi)氣體污染物排放和擴(kuò)散的影響規(guī)律。在模型逐漸完善的同時(shí)，建材VOC遷移關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試手段也同步豐富。在流化床脫附、常溫萃取、濕杯法等經(jīng)典測(cè)試方法基礎(chǔ)上，先后探索出了多氣固比法、濃度軌跡法、多平衡態(tài)回歸法[12]，以及更快捷、更準(zhǔn)確的連續(xù)升溫-多氣固比法[13]和循環(huán)密閉/通風(fēng)散發(fā)法[14]。Liu等[15]利用多元回歸方法，開(kāi)發(fā)了一種估算小型環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)VOC排放數(shù)據(jù)模型參數(shù)的程序。這些傳質(zhì)模型出于便捷性，忽略了多孔建材吸/脫附特性，造成模型計(jì)算值與測(cè)試結(jié)果之間仍存有一定偏差。

近年來(lái)，隨著對(duì)多孔建材VOC散發(fā)機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入，研究熱點(diǎn)逐漸向基于吸/脫附的散發(fā)模型及濕建材上聚焦。Yang等較早考慮了空氣-建材界面的VOC吸附/解吸特性，為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)建材的擴(kuò)散系數(shù)和分配系數(shù)均保持不變。馬強(qiáng)等[16]建立了一種孔隙尺度下VOC釋放/吸收的格子-Boltzmann模型。此后，Zhou等[17]深入剖析了多孔建材VOC脫附的多尺度機(jī)制，給出了吸附勢(shì)能的計(jì)算式。Zhu等[18]提出了一種吸/脫附VOC的集成模型，并通過(guò)廣義積分變換得出半解析解。與此同時(shí)，測(cè)試對(duì)象也轉(zhuǎn)為復(fù)雜條件下的濕材料。Li[19]提出了不同階段控制建材VOC散發(fā)過(guò)程的具體方法。潘潔晨等[20]發(fā)現(xiàn)乳膠漆干燥過(guò)程中VOC揮發(fā)與殘留的動(dòng)態(tài)規(guī)律，硝基漆也呈現(xiàn)類(lèi)似規(guī)律，但不如乳膠漆明顯。譚瑤瑤[21]比較了溫度和壓力對(duì)建筑涂料甲醛散發(fā)的影響，測(cè)試發(fā)現(xiàn)初始可散發(fā)濃度隨溫度升高而增加，而隨壓力升高而減小。黃麗等[22]實(shí)測(cè)了溫度對(duì)木器漆甲醛與VOC散發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)高溫促進(jìn)散發(fā)強(qiáng)度，但衰減也更快。

可以看出，上述模型多從宏觀角度分析室內(nèi)建材VOC擴(kuò)散過(guò)程，并把多孔建材內(nèi)孔隙形貌及尺寸視為規(guī)律性分布，造成預(yù)測(cè)存在一定誤差。實(shí)際上，由于多孔建材內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和分布的隨機(jī)性，用傳統(tǒng)宏觀模型較難揭示其內(nèi)部微觀傳輸特性。

3 室內(nèi)VOC擴(kuò)散過(guò)程的研究進(jìn)展

不同地區(qū)、不同類(lèi)型的建筑室內(nèi)存在著不同程度污染，向室內(nèi)合理的送入新風(fēng)是解決VOC超標(biāo)問(wèn)題的高效手段[23]。為了研究VOC擴(kuò)散的機(jī)制及路徑，既有研究從通風(fēng)模式、通風(fēng)參數(shù)、通風(fēng)效果等方面研究室內(nèi)污染物分布特性。

3.1 通風(fēng)方式的影響

自然通風(fēng)和混合通風(fēng)是最常見(jiàn)的通風(fēng)方式，最早關(guān)于室內(nèi)污染物擴(kuò)散的研究均圍繞其展開(kāi)。Wang等[24]、樊越勝等[25]分別研究了自然通風(fēng)下污染物室內(nèi)分布特征以及通過(guò)窗戶(hù)的擴(kuò)散規(guī)律，提出雙邊通風(fēng)更利于污染物排出。馮國(guó)會(huì)等[26]模擬發(fā)現(xiàn)通風(fēng)方式對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)甲醛擴(kuò)散極為關(guān)鍵，目標(biāo)建筑采用模擬混合通風(fēng)和自然通風(fēng)模式，室內(nèi)甲醛濃度比高達(dá)1∶2.07。與此類(lèi)似，姜遠(yuǎn)征等[27]對(duì)比了去除打印機(jī)產(chǎn)生污染物的效果，與自然通風(fēng)相比，混合通風(fēng)去除效果提高約63%。葉筱等[28]模擬了混合通風(fēng)下高大空間污染物濃度分布特征，發(fā)現(xiàn)CO2易聚集在空間中部。

與混合通風(fēng)相比，置換通風(fēng)的風(fēng)口擴(kuò)散性好，控制區(qū)空氣質(zhì)量更接近送風(fēng)，近年來(lái)關(guān)于該方式下污染物擴(kuò)散的研究逐漸增多。Tian等[29]發(fā)現(xiàn)面源位于四周墻壁時(shí)，置換通風(fēng)呼吸區(qū)污染物濃度要低于地層通風(fēng)方式。楊秀峰等[30]研究了置換通風(fēng)沖刷室內(nèi)污染物效果，發(fā)現(xiàn)房間高度僅影響上部熱空氣污染物濃度。周童等[31]實(shí)測(cè)了置換通風(fēng)對(duì)低人員密度室內(nèi)呼吸區(qū)臭氧和VOC分布的影響，發(fā)現(xiàn)VOC濃度對(duì)臭氧濃度有明顯跟隨性。

不同氣流組織中VOC的運(yùn)動(dòng)和分布也不相同，送/回口位置對(duì)污染物分布有直接影響。岳高偉等[32]模擬發(fā)現(xiàn)，與異側(cè)上送下回相比，同側(cè)上送下回排污效率更高，其氣流組織可更快速、更高效輸運(yùn)室內(nèi)甲醛至室外。宇軍等[33]研究了頂送下回、同側(cè)上送下回、異側(cè)上送下回布置對(duì)室內(nèi)污染物流場(chǎng)的影響，總結(jié)了不同工況下污染物擴(kuò)散特性。劉浩然[34]CFD模擬了5種通風(fēng)方式下室內(nèi)甲醛濃度分布特征，提出側(cè)送風(fēng)是該工況下將污染物排出室內(nèi)的最佳送風(fēng)方式。由此可知，污染物擴(kuò)散的風(fēng)向很大程度上取決于氣流行為以及送風(fēng)/排風(fēng)口位置引起的方向變化。

3.2 通風(fēng)參數(shù)的影響

室內(nèi)VOC散發(fā)是一個(gè)復(fù)雜多變的動(dòng)態(tài)過(guò)程，除了受建材種類(lèi)、通風(fēng)方式等因素影響外，還受送風(fēng)量(送風(fēng)速度)、送風(fēng)溫差及送風(fēng)角度等通風(fēng)參數(shù)直接干預(yù)。

向室內(nèi)送新風(fēng)是調(diào)節(jié)建筑熱環(huán)境和稀釋室內(nèi)污染物的重要手段，合理確定送風(fēng)量(送風(fēng)速度)對(duì)于降低室內(nèi)污染物濃度有重要意義。韓星星等[35]發(fā)現(xiàn)超過(guò)一定換氣次數(shù)后，增大新風(fēng)對(duì)室內(nèi)污染物的凈化效果反而不明顯。李耀東[36]得出了相同規(guī)律，不能一味增加送風(fēng)量，送風(fēng)速度要控制在一定范圍內(nèi)。這是因?yàn)槭覂?nèi)熱濕參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，建材釋放VOC的速率基本維持不變，當(dāng)VOC濃度降低到一定值后，若繼續(xù)增大送風(fēng)量，稀釋污染物濃度的速率會(huì)減緩。此外，確定送風(fēng)量時(shí)還應(yīng)考慮避免吹風(fēng)感等問(wèn)題。張?jiān)碌萚37]發(fā)現(xiàn)個(gè)性送風(fēng)可使睡眠區(qū)獲得較好空氣質(zhì)量，此時(shí)送風(fēng)量應(yīng)控制在1.5 m3/min附近。因此，為降低室內(nèi)污染物濃度，還應(yīng)同時(shí)考慮人體舒適感、溫度分布均勻系數(shù)等指標(biāo)，綜合確定降低VOC的合適送風(fēng)量(送風(fēng)速度)指標(biāo)。

送風(fēng)溫度與室內(nèi)VOC濃度水平緊密相關(guān)，室內(nèi)建材及家具會(huì)隨著室內(nèi)溫度升高而顯著增大VOC釋放量。Huangfu等[38]監(jiān)測(cè)了不同房間VOC濃度的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)VOC濃度與室內(nèi)溫度呈現(xiàn)正相關(guān)的規(guī)律不受季節(jié)影響，甲醛濃度隨溫度波動(dòng)范圍約為3.0 ppdb/℃～4.5 ppdb/℃。李耀東發(fā)現(xiàn)室內(nèi)高溫處甲醛濃度相對(duì)較高，提高送風(fēng)溫度使得熱浮升力增加，促進(jìn)污染物短期內(nèi)擴(kuò)散。李翩[39]得出了相同結(jié)論，發(fā)現(xiàn)提高送風(fēng)溫度，可以降低室內(nèi)污染水平，但伴隨的浮升力影響通風(fēng)效率。以此類(lèi)推，全空氣空調(diào)系統(tǒng)常采用的露點(diǎn)送風(fēng)模式雖可減少送風(fēng)量、節(jié)約能源，但可能存在影響排污效率的問(wèn)題。

不同送風(fēng)角度對(duì)應(yīng)不同氣流組織，送風(fēng)角度直接影響室內(nèi)VOC擴(kuò)散。為了獲得送風(fēng)角度對(duì)稀釋效果的影響規(guī)律，李翩比較了不同送風(fēng)角度下污染物濃度變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)送風(fēng)角度60°時(shí)辦公區(qū)平均污染物濃度最低。同樣的送風(fēng)形式，地鐵車(chē)廂選取垂直送風(fēng)比30°送風(fēng)更有利于稀釋乘客呼吸所產(chǎn)生的CO2及其可能攜帶的病毒[40]。方曉龍[41]模擬發(fā)現(xiàn)，隨著送風(fēng)角度的降低，體育館內(nèi)污染物的凈化效果越來(lái)越好，且只有垂直送風(fēng)能將VOC濃度降低到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)以下。秦慧等[42]分析了擋板高度對(duì)輸液室人員局部區(qū)域污染物擴(kuò)散的影響，提出擋板高度設(shè)置為1.2 m時(shí)，去除污染物效果最佳。

3.3 通風(fēng)策略的影響

合理通風(fēng)與高效凈化協(xié)作配合，在保證稀釋室內(nèi)VOC的同時(shí)可大幅減少能耗。馬惠穎等[43]提出輕/中度污染天氣時(shí)可精細(xì)化調(diào)節(jié)外窗開(kāi)度，重度污染天氣時(shí)嚴(yán)格控制開(kāi)窗時(shí)間及開(kāi)度，加上足夠的室內(nèi)凈化能力，亦可保證室內(nèi)污染物低于控制指標(biāo)。隨后，周佳佳等[44]提出在自然通風(fēng)模式時(shí)，相同開(kāi)窗時(shí)間前提下，25%開(kāi)度可保證甲醛稀釋效果。同樣是自然通風(fēng)，陳思華等[45]發(fā)現(xiàn)空氣凈化器不能體現(xiàn)較好的凈化效果，僅能勉強(qiáng)保證二級(jí)空氣品質(zhì)。

可以看出，通風(fēng)稀釋室內(nèi)污染物的研究方法多采用模擬手段，通過(guò)合理的氣流組織、通風(fēng)參數(shù)和通風(fēng)策略，保障新風(fēng)直接送到人員停留區(qū)，發(fā)揮其最佳效用，而非依靠全室稀釋作用。從研究?jī)?nèi)容上看，研究送風(fēng)方式、送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度、送風(fēng)角度的報(bào)道較多，而關(guān)注地域濕度條件對(duì)室內(nèi)污染物散發(fā)的研究相對(duì)較少。

4 結(jié)論與展望

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)室內(nèi)建材VOC散發(fā)過(guò)程開(kāi)展了豐富的研究，提出的散發(fā)理論模型從經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)向了物理概念更為清晰、涉及因素更為全面的傳質(zhì)模型。與之對(duì)應(yīng)，室內(nèi)擴(kuò)散特性也從通風(fēng)模式、通風(fēng)參數(shù)、通風(fēng)效果等角度全方面展開(kāi)，取得了卓有成效的進(jìn)展。但是鑒于多孔建材VOC傳遞的影響因素較多，已有成果尚有一定的局限性，未來(lái)多孔建材VOC散發(fā)過(guò)程研究的熱點(diǎn)可能?chē)@以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

1)現(xiàn)有建材VOC散發(fā)模型多停滯在形狀規(guī)則的孔隙分布層面，考慮吸/脫附效應(yīng)的較少。實(shí)際上，建材內(nèi)縱橫交錯(cuò)的孔隙特征，造成污染物遷移的復(fù)雜性與多樣性。因此，亟需從微觀層面揭示材料內(nèi)、界面上和空氣側(cè)的擴(kuò)散、分配和對(duì)流傳質(zhì)機(jī)理，建立多孔建材VOC散發(fā)關(guān)鍵參數(shù)的多尺度理論預(yù)測(cè)體系，并充分考慮表面吸/脫附效應(yīng)，掌握復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)下建材VOC散發(fā)特性。

2)現(xiàn)有對(duì)建材VOC輸運(yùn)特性的研究對(duì)象多針對(duì)單一建材或單面散發(fā)問(wèn)題，關(guān)注多種建材同時(shí)散發(fā)或雙面散發(fā)的較少。實(shí)際上，室內(nèi)VOC散發(fā)與擴(kuò)散是由多個(gè)材料同時(shí)散發(fā)，即存在多污染源。同樣，未考慮多污染源共同作用對(duì)污染物濃度分布的疊加影響。因此，亟需分析多種建材耦合作用下污染物散發(fā)問(wèn)題，揭示多層建材、多種建材散發(fā)的影響機(jī)制，掌握多源疊加效應(yīng)下建材VOC散發(fā)機(jī)理與擴(kuò)散規(guī)律。

3)現(xiàn)有研究多割裂熱、濕和VOC傳遞均為物質(zhì)遷移和對(duì)流、擴(kuò)散屬性一致的本質(zhì)關(guān)系，很少考慮建材熱工參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。實(shí)際上，多孔建材熱濕傳遞和VOC散發(fā)是同時(shí)發(fā)生、相互影響、非常復(fù)雜的過(guò)程，尤其是對(duì)于濕熱地區(qū)而言，建筑長(zhǎng)期處于高溫多雨的濕熱和陰沉細(xì)雨的陰冷交替環(huán)境之中，VOC的吸/脫附行為與動(dòng)態(tài)環(huán)境條件和建材熱工性能密切相關(guān)。因此，亟需開(kāi)展動(dòng)態(tài)環(huán)境下建材VOC釋放/吸附的研究，建立建材VOC源特性的測(cè)、評(píng)、控方法。