王芳 王鵬浩 徐洪祥

摘?要：針對冬季東北地區(qū)房間通風性差及常規(guī)地板鋪設方式帶來的甲醛污染問題，使用C語言自定義編程，確定密閉條件下室內地板散發(fā)甲醛的數學模型，利用Fluent求解及分析此條件下室內甲醛濃度隨時間的變化規(guī)律，探討密閉條件下室內甲醛濃度隨位置變化的擴散機理;研究自然通風時，室內揮發(fā)性氣體的速度分布和甲醛的濃度分布。研究結果表明，采用自然通風方式可有效控制室內甲醛污染，對改善室內空氣品質具有指導意義。

關鍵詞：自然通風;甲醛;數值模擬;濃度場

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.006

中圖分類號： TU834.1

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）06-0029-06

Abstract：In order to solve the problem of formaldehyde pollution in northeastern winter，which caused by the poor ventilation and the conventional floor laying method?the mathematical model of indoor formaldehyde distribution was established by C language programming under enclosed condition.?By using Fluent under this condition?the changing rule and diffusion mechanism of indoor formaldehyde concentration was determined by analyzing its changes over time and distribution respectively.?The velocity distribution of volatile gas and the concentration distribution of formaldehyde were also studied under the natural ventilation mode.?The results showed that the concentration of formaldehyde could be kept at relatively low levels under the natural ventilation mode?and it is instructive to improve the indoor air quality.

Keywords：natural draft;formaldehyde;numerical simulation;concentration field

0?引?言

隨著人們生活水平和審美的提高，越來越多的人們會在室內鋪設各種各樣的地板。地板具有節(jié)能、質輕美觀和可調節(jié)溫濕度等特點[1]。但鋪設地板特別是價格便宜的中低檔木板會降低室內空氣質量，引起室內的空氣污染。其中最具有代表性的空氣污染成分就是甲醛。學者李艷麗指出甲醛濃度在每立方米空氣中達到0.06～0.07mg/m3時，兒童就

會發(fā)生輕微氣喘。當室內空氣中甲醛含量為0.1mg/m3時，就有異味和不適感;達到0.5mg/m3時，可刺激眼睛，引起流淚;達到0.6mg/m3，可引起咽喉不適或疼痛。濃度更高時，可引起惡心嘔吐，咳嗽胸悶，氣喘甚至肺水腫;達到30mg/m3時，會立即致人死亡[2]。學者李庭進行了民用住宅空氣污染擴散數值模擬的研究，其所研究的住宅全部鋪設地板[3]。大多學者對地板散發(fā)甲醛的研究存在一個慣性即認為室內全部鋪設地板[4-6]。目前家庭裝修中，客廳、餐廳走動多，若用地板，耐磨性差易磨損，因此，客廳餐廳用地磚，臥室、書房用地板 [7]。前人已經在利用自然通風控制室內污染方面做了許多的研究[8-10]，本文所研究的內容區(qū)別以往研究的地方是甲醛的釋放源為主臥和次臥的地板，房間其他地方不存在甲醛的釋放。

本文研究對象為哈爾濱的某一住宅，其具有冬季東北地區(qū)房間的共性即密封性好，房間漏風很小，可以忽略不計[11-12]。趙毅仁和孫世鈞學者提出了哈爾濱節(jié)能舉措，例如推廣節(jié)能窗等，這些舉措都在一定程度上增加了房間的密封性[13]。由于房間具有良好的保溫能力，本文忽略了室內外的熱量傳遞。本文以甲醛作為代表性氣體污染物，采用數值模擬的方法分析房間密閉條件下和自然通風條件下甲醛的擴散規(guī)律，總結室內污染物的控制方法，對冬季東北地區(qū)室內空氣污染的控制具有指導意義[14-15]。

1?物理模型

模擬對象為哈爾濱某一住宅，住宅具體平面結果如圖1所示。整個戶型南北（北向為Y軸正方向）朝向，西部由南向北依次為主臥、衛(wèi)生間和次臥，東部由南向北依次為客廳、餐廳和廚房。為了盡可能的物理模型貼合實際，提高數值模擬的準確性，主臥和次臥設置有雙人床，客廳設置有茶幾，餐廳設置有餐桌。房間的幾何模型如圖2所示。

2?數學模型

室內的空氣視為不可壓縮理想流體，利用理想氣體狀態(tài)方程求解室內空氣密度，但室內空氣的流動仍以不可壓縮流體的方法求解[16]。室內空氣的流動要受到質量守恒定律、動量守恒定律和質量擴散定律的制約[17-19]。

流態(tài)的判別：密閉條件時室內空氣的流態(tài)為層流。

通風條件時Re=4600，由于室內結構復雜，空氣流動過程中速度變化較大，所以室內空氣的流態(tài)為湍流。

3?基本假設和求解條件

3.1?基本假設

1）室內密閉，無室外空氣通過門縫或窗縫等滲入室內。

2）忽略室內內熱源（照明、烹飪、人的散熱等）和室外通過房間的圍護結構向室內的傳熱對室內甲醛擴散的影響。

3）忽略室內固體（墻壁、屋頂、家具等）壁面的吸附作用。

4）甲醛的擴散為純物理過程，沒有化學發(fā)應，污染物不產生消耗。

5）甲醛在氣固交界面上的對流擴散只沿地板的外法線方向，不沿其他方向擴散，為一維質擴散，遵循Fick定律。

6）甲醛與室內空氣彼此之間也沒有化學反應，互不影響。甲醛為強還原劑，在微量堿性時還原性更強。在空氣中能緩慢氧化成甲酸。

7）氣固交界面上甲醛的傳質是均勻的及臥室內地板散發(fā)甲醛的單位面積的質量流量相同。

3.2?求解條件

邊界條件：

1）通風條件時窗戶一設置為速度進口，速度的大小取冬季哈爾濱室外的平均風速V=2m/s。

2）通風條件時新風溫度取冬季哈爾濱室外的平均溫度T=253.15K。

3）通風條件時窗戶二和窗戶三為壓力出口，壓力等于室外大氣壓力P=101.325kg。

4）通風條件時室內地板供暖溫度為T=293.15K。

5）密閉條件時臥室一與臥室二地板甲醛的散發(fā)率R采用二階動態(tài)擴散模型[20]R=aeb+ced。

當t<5h時，甲醛釋放速率衰減的較快a=18660，b=-1.16t，c=0;

當5h≤t≤10h時，甲醛釋放速率衰減變慢，a=16950，b=-1.157t，c=102.6，d=-0.003552t;

當t>5h時，甲醛的釋放速率趨于穩(wěn)定，a=33.63，b=-0.007705t，c=68.48，d=-0.0009882t（單位μg/m2·h）。

本文利用c語言將甲醛的散發(fā)率變?yōu)樵错棓U散函數，作為邊界條件嵌入地板條件中。通風條件時臥室一和臥室二的地板以恒定速率釋放甲醛R=1.83×10-9μg/m2·h。

初始條件：

1）室內壓強為一個標準大氣壓。

2）室內甲醛濃度為零。

3）室內溫度T=293.15K。

4?密閉條件下甲醛濃度計算結果及分析

哈爾濱地區(qū)冬季室外嚴寒其冬季采暖室外計算溫度為-26℃。人們?yōu)榱吮Ｅ?，防止室外冷空氣通過窗縫或門縫等滲入室內，一般都會采取各種各樣的保溫措施，例如給門窗加裝和更換密封條、玻璃貼保溫膜和涂刷保溫涂料等使冬季東北地區(qū)住宅具有密封性好特點，在進行密閉條件下甲醛擴散的數值模擬時忽略窗戶的漏風。東北地區(qū)在冬季，室內外溫度差較大，但由于住宅墻壁和窗戶的導熱熱阻大，所以在短時間內忽略室外溫度變化和室內微弱的自然對流對室內溫度的影響即認為室內恒溫，室內外無熱量的傳遞，室內的傳質方式為質擴散。我國《民用建筑工程室內環(huán)境污染控制規(guī)范》中，對室內空氣采樣前要求的密閉時間是1h。本文研究室內密閉1h時，甲醛濃度在水平方向和高度方向上的分布，更好的掌握密閉條件下臥室地板釋放的甲醛在室內的三維擴散過程。監(jiān)控面分別為Z=10mm，X=4800mm。直線line-1的兩端點為（2000，4000，0）、（2000，4000，2700）（單位mm）處于臥室一中，直線line-2的兩端點為（4000，4000，0）、（4000，4000，2700）（單位為mm）處于客廳中。下圖中，顏色由藍至紅代表污染物濃度由低到高。

圖3顯示的是水平面Z=10mm，的甲醛濃度場，主要研究甲醛在房間水平方向上的擴散。如圖3所示，當臥室一和臥室二的門打開時地板散發(fā)的甲醛會從臥室一和臥室二不斷向其他房間擴散，隨著距臥室一門與臥室二門的距離越遠，甲醛的濃度越小，濃度梯度也越小。根據質擴散菲克定律，當房間密閉時，甲醛擴散的決定性因素為濃度梯度，主要方式為分子運動，當濃度梯度為零時，甲醛在房間的質量通量密度也為零。由于臥室一門和臥室二門對向，臥室一與臥室二的向外擴散的甲醛會在兩門之間發(fā)生碰撞，在碰撞交界處甲醛的濃度梯度為零而在其他地方仍然存在較大的濃度梯度，進而改變了其擴散方向，最終導致臥室一地板散發(fā)的甲醛主要向客廳和餐廳擴散，臥室二地板散發(fā)的甲醛主要向衛(wèi)生間、餐廳和廚房擴散。擴散現象是氣體分子的內遷移現象。從微觀上分析是大量氣體分子做無規(guī)則熱運動時，分子之間發(fā)生相互碰撞的結果。由于不同空間區(qū)域的分子密度分布不均勻，分子發(fā)生碰撞的情況也不同。這種碰撞迫使密度大的區(qū)域的分子向密度小的區(qū)域轉移，最后達到均勻的密度分布 。甲醛擴散過程中會受到室內餐桌、茶幾和墻壁等物體的阻擋，在餐桌、茶幾和墻壁的周圍甲醛的濃度相對較低，主要是因為甲醛分子在運動過程中會撞擊墻壁和家具，家具和墻壁會給甲醛分子施加反作用力，其改變了甲醛分子的運動方向進而改變了甲醛的擴散方向最終導致在家具和墻壁周圍的甲醛的濃度相對較低。

圖4顯示的是截面x=4800mm的甲醛濃度場，主要研究甲醛在房間高度方向上的擴散，由于擴散時間較短，房間上部大部分甲醛濃度為零。對比圖3和圖4明顯看出水平方向上甲醛的濃度梯度大于高度方向上的甲醛濃度梯度，導致甲醛在室內水平方向上的擴散速率大于在高度方向上的擴散速率，造成這種現象的原因為甲醛在高度方向的擴散受到了重力的抑制。如圖4所示甲醛從地板逐漸向上擴散，出現了明顯的分層現象，甲醛的濃度隨著高度的增加，在同一水平面上趨于一致。圖5很好的驗證了這一現象，大約在0～150mm的范圍內兩曲線的間隔逐漸縮小，當大于150mm時兩直線基本重合。主要原因為甲醛在高度方向的擴散速率較慢，隨著高度的增加房間甲醛的濃度衰減的較快，加之甲醛在房間的各個高度都存在擴散速率相對較快的水平方向上的擴散，所以在房間內隨著高度的增加水平面的甲醛濃度差別逐漸減小。

5?通風條件下甲醛濃度計算結果及分析

東北地區(qū)冬季室內外溫差較大，進行自然通風時通風方式的選擇要考慮人的熱舒適性。由于主臥和次臥裝修所用的地板為甲醛的釋放源，東北冬季的主導風向為由南向北，選用窗戶一為房間的進風口，窗戶二和窗戶三為房間的出風口，當房間進行自然通風時，既可以降低房間內甲醛的濃度又兼顧了人的熱舒適性。監(jiān)控對象為Z=1350mm。

為了研究通風條件下甲醛濃度場，首先研究室內氣體的速度分布。如圖6和圖7所示室外空氣通過窗戶一進入主臥后，射流斷面的速度場從射流中心開始逐漸向邊界衰減，并沿射程不斷變化，流量沿程增加，射流直徑加大，但在各斷面上的總動量保持不變?？梢詫⑸淞鞣譃檩S心速度不變的起始段和軸心速度變小的主體段。其形成原因是由于射流邊界與周圍介質間的紊流動量交換，周圍空氣不斷卷入，射流不斷擴大，形成了非等溫受限射流。對比圖6，圖8和圖9可以看出溫度場，濃度場與速度場存在相似性，只是射流邊界比速度分布的邊界有所擴大，其主要原因就是射流與周圍空氣的摻混的結果。由于低壓和墻壁約束的共同作用，主臥內在射流的東西兩側形成了漩渦，由于射流的出口及主臥室門在臥室的東側所以射流的左側的漩渦遠遠大于右側的漩渦。室外新鮮空氣進入主臥后會攜帶臥室一內的含甲醛氣體通過主臥的門進入室內其他房間，由于衛(wèi)生間的壓強較小，室內主流會向衛(wèi)生間分流，分流在慣性的作用下貼附衛(wèi)生間的墻壁流動導致混合空氣在衛(wèi)生間內形成渦流。室內主流由于主臥門的作用導致過流斷面變小，流速增大，卷吸作用增強。室內主流在剛出主臥門的時候會卷吸客廳和餐廳的部分空氣，隨后室內主流流速減小并被房間的墻壁一份為二，一部分流向次臥另一部分部分流向廚房。流向廚房的分流，當到達廚房時流速減小，在低壓強的作用下會向餐廳分流，再加上墻壁的約束，使餐廳與客廳的交接處形成了整個房間內最大的漩渦，客廳其他部分的混合氣體的流動主要是在此漩渦的帶動作用下形成。次臥的分流主要是沿著房間的分隔壁流向窗戶二，次臥的其他位置在低壓和墻壁約束的作用會生成漩渦。廚房的主流主要是沿著東墻流向窗戶三，廚房的其他位置在低壓和墻壁約束的作用下也會生成漩渦。

如圖9所示各房間內甲醛濃度差異較大。雖然客廳和衛(wèi)生間的氣體流速較小，但客廳和衛(wèi)生間的甲醛濃度相對于主臥和次臥分布均勻，不存在濃度過高的死角。其主要為室內質量的傳遞方式從質擴散變?yōu)榱速|量傳遞速率更快的對流擴散，主臥和次臥地板生成的甲醛主要是跟隨室內主流流動，所以主臥和次臥向其他房間傳遞轉移的甲醛量較小，主臥和次臥內局部存在漩渦，其氣體的較難得到更新加之處于甲醛的污染源內進而導致了臥室一和臥室二存在污染物濃度過高的死角。臥室二的漩渦占據了臥室二的較大的一部分的空間，自然通風結束后，隨著甲醛的擴散方式有對流傳質變?yōu)橘|擴散，臥室二的甲醛平均濃度將會達到最高，所以剛入住房間時，盡量住在臥室一而不是臥室二，可以采用其他方式輔助降低臥室二的甲醛濃度如擺放綠色植物等。

PMV指標代表了對同一環(huán)境絕大多數人的冷熱感覺，因此可用PMV指標預測熱環(huán)境下人體的熱反應。由于人與人之間生理的差別，故用預期不滿意百分率（PPD）指標來表示對熱環(huán)境的不滿意百分數。通過表1與圖8可以看出，進行自然通風時客廳的熱舒適性較好，甲醛濃度遠小于國家標準值，所以窗戶一進風，窗戶二與窗戶三出風，陽臺關閉的通風方式比較合理。

6?結?論

1）在重力的作用下，甲醛在房間水平方向上的擴散速率大于房間高度上的擴散速率，進而導致了在高度方向上，甲醛濃度分層明顯并且隨著高度的增加房間在水平面上甲醛的濃度差別逐漸變小。

2）臥室一和臥室二存在甲醛濃度過高的死角，特別是臥室二，渦旋占據了房間較大一部分區(qū)域，自然通風除甲醛的效果不好，采用其他方法除甲醛如在室內擺放綠色植物、活性炭等。

3）當采取窗戶一進風，窗戶二和窗戶三排風的自然通風方式時可以較為有效降低室內各個房間的甲醛濃度，并且客廳的熱舒適相對較好但主臥與次臥存在甲醛濃度較高的死角，仍然需要采用其他方式去除甲醛。

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（編輯：王?萍）