室内挥发性有机化合物综合散发量及其特征

王 军,张 旭

(同济大学暖通空调研究所,上海 200092)

1 前 言

自上世纪 70年代开始,建筑节能问题日益得到普遍关注,而降低新风负荷也就成为主要的节能措施之一[1]。然而,病态建筑综合症 (sick building syndrome,SBS)等问题的出现使人们认识到保证建筑新风量是构建健康建筑 (health building, HB)的必然选择[2～4]。因此,合理确定建筑新风量指标对协调建筑节能与室内舒适健康要求之间的关系具有重要的意义。

影响室内所需新风量大小的重要因素之一是室内污染物的综合散发量,即为了达到要求的污染物浓度控制水平通风所需要排除的室内污染物散发量。建材和饰材是室内重要的空气污染来源[5,6],而其所产生的室内挥发性有机化合物 (voitaile organic componds,VOCs)综合散发量不仅取决于材料的散发机制 (源特性,source behavior),而且还与室内表面的净吸收即吸收解吸综合作用 (汇效应,sink behavior)有关。尽管目前已有部分学者对材料自身在小室内的散发特性和吸收解吸过程进行了研究并提出相应的模型[7～15],并且国内部分学者也曾尝试对材料散发模型进行优化和改进[16,17],但对于在建筑污染源特性与汇效应耦合作用条件下,室内VOCs综合散发量的变化特征还有待进一步研究。本文以 VOCs为建筑污染物指标,通过分析建筑污染的源特性及室内表面的汇效应,构建室内VOCs综合散发量计算模型,并着重研究三类参数对室内 VOCs综合散发量的影响特征,从而为合理确定室内建筑新风量指标提供理论依据。

2 源特性与汇效应机制

2.1 建筑污染的源特性

建材饰材的VOCs散发机理包括 3个方面[7,8],即VOCs在材料内部的扩散,由浓度梯度和扩散系数控制,遵循 Fick第二定律;材料表面和浓度边界层界面之间的分子扩散;主流空气层中的对流扩散,如图1所示。

图1 建筑污染的源特性Fig.1 Source behavior of building pollution

为了给出建筑污染源散发特性的数学描述,需做出如下假设[7～13]：

(1)基于对建筑污染长期影响的考虑,本文以干材料为研究对象,即考虑低剂量、长时间、慢衰减散发,且以扩散为主导特性;

(2)材料内部VOCs扩散遵守 Fick定律;

(3)材料内部VOCs扩散系数和界面分离系数不随浓度变化而变化;

(4)忽略温度差、电场或磁场等导致的分子扩散;

(5)界面处的VOCs传递过程始终处于平衡状态;

(6)VOCs的散发过程为纯物理过程,不考虑化学反应;

(7)室内存在多种材料时,VOCs各组成成分之间不发生化学反应或影响;

(8)材料底层不发生质量传递,与空气接触一侧为对流扩散传质。

材料内部VOCs的一维传递过程为：

同时,根据 Henry定律可知在界面处材料表面VOCs浓度与浓度边界层 VOCs浓度在常温常压下存在以下平衡关系[8]：

建筑污染源VOCs散发问题的边界条件和初始条件为：

式中：Cm(t)为材料内部 VOCs浓度,μg/m3;x为沿传递方向的线性距离,m;t为传递时间,h;Dm为材料内部VOCs的扩散系数,m2/s;de为材料的厚度,m;Km为气固界面分离系数;Ca,interface(t)为界面处浓度边界层VOCs浓度,μg/m3;hm为对流传质系数,m/s;Ca,∞(t)为主流空气中VOCs浓度,μg/m3。

2.2 室内表面的汇效应

建筑室内薄材料表面对室内 VOCs存在汇效应,从而影响室内VOCs的传递和去除,并进一步改变室内VOCs浓度的分布与水平。室内薄材料表面对VOCs的汇效应包括VOCs在主流空气中的对流扩散传质、空气与材料分界面处的扩散传质以及材料中的内部扩散 3个方面[14],如图 2所示。

图2 室内表面的汇效应Fig.2 Sink behavior of indoor surface

为了建立室内表面汇效应的数学描述,需做出如下假设[14,15]：

(1)材料为均质材料;

(2)材料内部和空气中 VOCs扩散遵守 Fick定律;

(3)材料内部VOCs扩散系数和界面分离系数恒定;

(4)温度差、电场或磁场等对VOCs扩散的影响忽略。

首先,在主流空气层中由对流扩散作用引起的VOCs气相传质速率为：

其次,在空气与材料分界面处,瞬时相平衡条件成立,根据 Henry定律可得：

在汇效应过程中,当VOCs在空气与材料表面之间发生质量迁移以后,VOCs将在材料内部扩散,即：

室内表面汇效应问题的边界条件和初始条件为：

式中：hsinkm为对流传质系数,m/s;Csinkm(t)为材料中 VOCs浓度,μg/m3;Ksinkm为气固界面分离系数;Dsinkm为材料中 VOCs的扩散系数,m2/s;ds为材料的厚度,m;y为沿传递方向的线性距离,m。

3 室内VOCs综合散发量计算模型

建筑污染源作用所产生污染物的量与室内表面汇效应所转移污染物的量均与室内空气暴露面积有关。为此,引入建筑污染源作用面积占室内空气暴露面积比例系数ψ1和汇效应发生面积占室内空气暴露面积比例系数ψ2,并且ψ1和ψ2须满足：

从而,室内VOCs综合散发量为：

或

式中：A为室内表面总面积,m2;qB为单位源材料面积所产生的室内 VOCs综合散发量,mg/ (m2.h)。

值得指出的是,随着建筑空间使用时间的增加,建筑污染源发生表面散发污染物的量将逐渐减小,而汇效应发生表面累积污染物的量将不断增加,经历足够长的时间以后,汇效应发生表面将转化为二次源,而源发生表面在传质推动势作用下将出现汇效应。因此可以认为,建筑污染源特性与室内表面汇效应耦合机制的存在具有长期性。

4 室内VOCs综合散发量变化特征

严格讲,在建筑污染的源特性和室内表面的汇效应综合作用下室内空气中VOCs浓度水平将经历初期的非稳定阶段、中期的近似稳定阶段(通常使用阶段,时间最长)和末期的非稳定阶段。由于室内建筑新风量指标的确定主要是针对建筑通常使用阶段,因此本文对室内VOCs综合散发量变化特征的分析将主要考虑近似稳定阶段。

另一方面,通过对建筑污染源特性和室内表面汇效应机制分析可以发现,材料内部VOCs扩散系数、气固界面分离系数、材料厚度是影响源特性和汇效应的主要参数。由于存在临界时间,材料中VOCs初始浓度的影响可以忽略。为此,将分别考虑建筑污染源作用材料和室内表面汇作用材料的 3类参数在近似稳定阶段的同一时刻对室内VOCs综合散发量的影响。

图3 建筑空间及其源汇分布Fig.3 Building space and its source sink distribution

4.1 材料内部扩散系数的影响

材料内部扩散系数是表征材料内部VOCs分子扩散能力的物性常数,与材料结构、类型、VOCs性质等有密切关系。当 Km=1000,de=0.012m, Dsinkm=1.0×10-12m2/s,Ksink=1000,ds=0.005m且源材料初始浓度为 5.28×107μg/m3,汇表面初始浓度为 0时,图 4(a)给出了近似稳定阶段 (t= 40h)这一时刻建筑污染源材料内部扩散系数在无汇效应和有汇效应条件下对室内VOCs综合散发量的影响关系。由 4(a)可以发现,当其他参数一定的情况下,建筑污染源材料内部扩散系数越大,室内VOCs综合散发量越高;同时,对于相同的源材料内部扩散系数,有汇效应的室内 VOCs综合散发量要比无汇效应的相应结果偏低,且源材料内部扩散系数越大,二者的差别越明显。

图4 材料内部扩散系数的影响Fig.4 Influence ofmaterial diffusion coefficient

出现以上现象的原因在于在一定的传质推动势下内部扩散系数提高会增加建筑污染源材料单面面积的散发强度;与此同时,汇表面的存在会吸收部分VOCs,而源的散发水平提高会增大室内汇作用的推动势,从而使汇效应的影响更加明显。

图4(b)给出了当 Dm=1.0×10-11m2/s,Km= 1000,de=0.012m,Ksink=1000,ds=0.005m且源材料初始浓度为 5.28×107μg/m3,汇表面初始浓度为0时在 t=40h这一时刻室内汇表面内部扩散系数对室内VOCs综合散发量的影响关系。由 4(b)可以看到,当其他参数一定的情况下,汇表面内部扩散系数越大,室内VOCs综合散发量越小。存在这一现象的原因在于在一定的室内汇作用推动势下,汇表面内部扩散系数越高,单位面积的汇效应就越显著。

值得指出的是,对比图 4(a)和 4(b)可以发现,虽然汇表面内部扩散系数与室内VOCs综合散发量之间存在以上影响关系,但与原材料内部扩散系数相比,汇表面内部扩散系数对室内 VOCs综合散发量的影响程度相对较小。

4.2 气固界面分离系数的影响

气固界面分离系数将材料表面VOCs浓度与浓度边界层VOCs浓度联系起来,反映了界面处的质量平衡关系,其大小受蒸气压等多种因素的影响。当 Dm=1.0×10-11m2/s,de=0.012m,Dsinkm=1.0 ×10-12m2/s,Ksink=1000,ds=0.005m且源材料初始浓度为 5.28×107μg/m3,汇表面初始浓度为 0时,图 5(a)给出了在 t=40h这一时刻建筑污染源材料气固界面分离系数在无汇效应和有汇效应条件下对室内VOCs综合散发量的影响关系。从 5(a)中可以发现,污染源材料气固界面分离系数的增大会促使室内VOCs综合散发量的减小,但减小的程度却存在先缓后快的趋势,转折点出现在 Km= 1000的位置;此外,对于相同的源材料气固界面分离系数,有汇效应的室内VOCs综合散发量同样要比无汇效应的结果偏低。存在上述现象的原因在于,源材料气固界面分离系数的增大会降低界面处浓度边界层VOCs浓度,从而进一步使对流扩散传质通量减小,并最终使单位源材料表面积的 VOCs散发量减小。同时,汇表面吸收作用的存在会吸收部分VOCs,从而使室内VOCs综合散发量降低。

图5 气固界面分离系数的影响Fig.5 Influence of gas-solid interface partition coefficient

图5(b)给出了当 Dm=1.0×10-11m2/s,Km= 1000,de=0.012m,Dsinkm=1.0×10-12m2/s,ds= 0.005m且源材料初始浓度为 5.28×107μg/m3,汇表面初始浓度为 0时在 t=40h这一时刻室内汇表面气固界面分离系数对室内VOCs综合散发量的影响关系。由图 5(b)可以看到,当其他参数一定的情况下,汇表面气固界面分离系数提高会使室内VOCs综合散发量降低;且降低的程度先快后满,转折点出现在 Ksinkm=10000的位置。出现以上现象的原因在于,在主流空气层VOCs浓度一定的前提下,汇表面气固界面分离系数提高会增大汇表面 VOCs浓度,使吸收传质推动势增加,从而增大汇表面对VOCs的吸收量。

此外,还应当看到的是,对源材料而言,与材料内部扩散系数相比,气固界面分离系数变化对室内VOCs综合散发量的影响程度相对较小;而对汇表面而言,两类系数的影响程度较为接近。

4.3 材料厚度的影响

材料的厚度对源材料而言会影响其VOCs散发总量以及在散发过程中材料内部浓度梯度的变化,对汇表面而言会影响其VOCs吸收总量以及吸收过程中内部浓度梯度的变化。当 Dm=1.0×10-11m2/s, Km=1000,Dsinkm=1.0×10-12m2/s,Ksinkm=1000, ds=0.005m且源材料初始浓度为 5.28×107μg/m3,汇表面初始浓度为 0时,图 6(a)给出了在 t= 40h这一时刻建筑污染源材料厚度在无汇效应和有汇效应条件下对室内 VOCs综合散发量的影响关系。

图6 材料厚度的影响Fig.6 Influence ofmaterial thicknesses

从图 6(a)可以发现,源材料厚度越大,室内VOCs综合散发量越小;并且有汇效应的室内VOCs综合散发量要比无汇效应的结果偏低。其原因在于,在其他条件一定的情况下,源材料厚度的增加会使近似稳定阶段源材料内部VOCs浓度梯度更小,从而进一步使单位源材料表面积的VOCs散发强度减小。同时,由于存在汇效应会吸收部分VOCs,从而使室内VOCs综合散发量降低。

图6(b)给出了当 Dm=1.0×10-11m2/s,Km= 1000,de=0.012m,Dsinkm=1.0×10-12m2/s,Ksinkm= 1000,且源材料初始浓度为 5.28×107μg/m3,汇表面初始浓度为 0时在 t=40h这一时刻室内汇表面厚度对室内VOCs综合散发量的影响关系。从图 6 (b)可以看到,当其他参数一定的情况下,汇表面厚度的增加会使室内VOCs综合散发量减小。其原因在于汇表面厚度越大,其内部整体 VOCs浓度水平上升的越慢,即在近似稳定阶段所能形成的 VOCs浓度梯度越大,从而引起 VOCs吸收量的增加。需要指出的是,无论是源材料还是汇表面,与材料内部扩散系数相比,材料厚度变化对室内 VOCs综合散发量的影响程度均相对较小。

5 结 论

本文在对 3类参数对室内VOCs综合散发量影响特征分析的基础上,得到以下主要结论：

(1)基于对室内建筑污染源特性与汇效应机制分析,建立了室内VOCs综合散发量计算模型。

(2)源材料内部扩散系数的提高会促使室内VOCs综合散发量增大,而气固界面分离系数和材料厚度的增加则使室内VOCs综合散发量降低;且以源材料内部扩散系数的影响最为显著。

(3)汇表面内部扩散系数、气固界面分离系数和材料厚度的的增大均使室内VOCs综合散发量减小。

(4)在相同的环境参数条件下,存在汇效应的建筑空间的室内VOCs综合散发量均比无汇效应的相应结果偏低。

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