不同通风方式下室内甲醛净化效果的数值模拟

李晓庆， 张怡鹏， 刘晓燕,2， 刘立君

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318； 2.黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室， 黑龙江 大庆 163318)

不同通风方式下室内甲醛净化效果的数值模拟

李晓庆1， 张怡鹏1， 刘晓燕1,2， 刘立君1

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318； 2.黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室， 黑龙江 大庆 163318)

为了获得合理的室内甲醛排除方法，利用Flent 14.5软件，模拟密闭、自然通风、机械通风三种工况下室内甲醛浓度场和速度场分布。结果表明，同一种工况下的速度场和浓度场均有较好的耦合性；自然通风和机械进风均会在窗的两侧靠墙角区域产生明显的涡流现象，而机械排风则没有明显涡流现象。使用机械通风时，在通风量有限的情况下，机械排风要优于机械进风；在通风量足够大时，二者均可，机械排风需着重注意污染源附近净化，机械进风需注意涡流区域净化。该研究为室内甲醛治理提供了有益的参考。

室内空气污染； 甲醛； 自然通风； 机械通风； 数值模拟

0 引 言

随着经济的高速发展，人们对于“住”的要求越来越来高，住宅精致装潢成为人们的基本需求之一。不同种类的装修材料在室内相对封闭的空间中释放各种对人体有害的污染物。在这些污染物中，甲醛危害是人们认知较早的，其治理手段也被广泛研究。通风作为一种消除甲醛的有效手段，也越来越受人关注。目前，研究通风的方法主要有实验方法和数值模拟方法。数值模拟过程中，影响室内甲醛分布的因素主要是空间的几何形状、送风口的位置、气流速度、温度、换气方法和次数,以及与外界(如室外)的热量和质量交换。

关于室内甲醛净化，学者们开展了大量研究工作。Bangalee等[1]通过横向改变窗户的位置，预测最佳通风性能和风攻角变化，确定最佳的流场风向，并利用数值模拟，找出最佳位置；张云风等[2]通过数值模拟，研究了不同进出口中心高度差对自然通风的影响；王亮等[3]针对左右推拉窗、外开平开窗、外开上悬窗、外开下悬窗及中悬窗五种开窗方式进行模拟分析，找出了最佳开窗方式；Allocca等[4]将风和浮力驱动流结合进行模拟，得出用CFD方法研究风和浮力驱动与用半解析法研究的误差在10%内；L.Susanti等[5-6]对多组单开口的热压自然通风建筑进行了实验，并通过六种不同的计算机软件对所做实验进行模拟验证；岳高伟等[7]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，通过数值计算分析了通风情况下室内甲醛的浓度分布特征；张俊杰等[8-10]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。

以上研究主要针对通风方式改良，侧重污染物排空模拟，然而利用污染物分布研究不同通风工况下的风环境，并通过风环境分析净化效率的报道鲜见。笔者借助Fluent 14.5软件，在空间几何形状及送风口位置不变的前提下，对不同工况下的卧室通风情况进行数值模拟，通过各种工况下的浓度场和风速场对比分析不同通风方式下甲醛的净化效果。

1 物理模型

文中模拟一个单独的卧室，其空间几何形状、尺寸、通风口位置及大小均固定，里面陈设有床、桌子、衣柜，分别有一扇窗和一扇门，桌子和衣柜为污染源。运用T-grid 四面体非结构化网格划分房间结构，进行网格无关性验证，选取最佳网格画法。模型具体尺寸如下：房间4 800 mm×3 100 mm×2 900 mm；办公桌1 400 mm×1 000 mm×750 mm；衣柜1 600 mm×400 mm×1 900 mm；床2 000 mm×1 500 mm×500 mm；门2 000 mm×900 mm。窗户位于南墙离地1 000 mm处，尺寸1 500 mm×700 mm。以房间地面为0基准面，物理模型如图1所示。

图1 房间物理模型

2 数学模型

2.1微分方程

在房间中空气是连续流动的，由欧拉守恒方程控制。对于室内的空气湍流，RANS方程能更接近湍流模型。采用RNG的k-ε涡黏性湍流模型，其控制方程可以写为统一的输运方程形式，即

(1)

div(Γφgradφ)——扩散项；

Γφ——广义扩散系数；

Sφ——源项。

令通用变量φ分别表示x、y、z向的u、v、w，湍动能Ek，湍流耗散率ε，温度T和浓度c，就可以得到x、y、z向动量方程、湍流能量方程、湍流能量耗散方程、能量方程和浓度方程。

采用有限体积法对方程进行离散。对压力的空间离散采用Body Force Weighted方式，动量、湍流、组分和能量方程采用一阶迎风差分格式，速度按照固体壁面无滑移边界条件处理。采用SIMPLE算法求解压力-速度耦合方程组。采用无反应的组分运输模型模拟甲醛传输过程。对于进口边界上的Ek和ε的值，采用经验公式计算，即

Ekin=c×0.5×v2，

(2)

(3)

(4)

式中：Ekin——入流湍动能，m2/s2；

εin——入流湍动能耗散率，m2/s3；

v——入流速度，m/s；

vt——湍流黏滞，N·s/m2；

l——湍流特征长度，通常取为风口高度，m；

Rein——入流湍流雷诺数；

ρ——入流空气密度，一般取1.2 kg/m3；

Cv——常数，取0.09；

c——所取的入流湍流动能为入流平均动能的百分数，%。

2.2定解条件

初始条件与边界条件如下：

(1)初始条件

t=0时，初始温度300 K，空气密度1.2 kg/m3。

ρ(x,y,z,0)=ρ0=0，

(5)

式中：t——时间；

ρ0——初始甲醛质量浓度，kg/m3。

(2)边界条件

设窗口进入空气的甲醛含量为零，进口边界条件采用速度入口，送风速度分别为0.25 m/s；进口处送风温度为300 K；细木工板中甲醛以0.33×10-9kg/s的强度释放[11]；出口条件简化为自由出口；在采用机械通风时，根据实际家用风扇有关参数，得出进风和排风的风速大小同为2.55 m/s；保证房间内质量和能量守恒。房间壁面不考虑甲醛与边界的相互影响，按绝热边界处理，并忽略壁面的辐射换热。

2.3混合物与源项

室内流体是空气和甲醛两种物质的混合物。假定空气为定常、不可压缩理想气体，混合物的密度采用不可压缩理想气体法则；黏性和热传导采用理想混合气体法则；热容采用组分加权法则。

文中模拟的是以甲醛为代表的室内挥发性有机物的浓度场，假设衣柜表面、办公桌表面为甲醛释放源，释放强度为0.33×10-9kg/s。

3 数值模拟结果与分析

3.1密闭工况下的甲醛质量浓度分布

在关闭所有门窗的情况下，分别取密闭1、2、8 h的图像进行分析，结果如图2所示。从图2中可以看出，室内甲醛累积后从开始释放到释放至40 min这段时间内，甲醛的质量浓度急剧变化，之后稳定至12 mg/m3，这与甲醛的释放机理相符[12]，同时也与舒爱霞所模拟研究的甲醛释放曲线趋势一致[13]。可靠性得到验证，其后由于空气在室内流动，各个高度面的质量浓度偶有微小升降，但可忽略不计。

密闭1 h和密闭2 h不同高度的甲醛质量浓度高低顺序相同，故选取密闭2 h进行分析。由图2a可见，高度为0.3 m的位置，甲醛质量浓度一直处于最高状态，而在高度2.0 m的位置，甲醛质量浓度处于最低状态。从趋势上来看，甲醛密度略大于空气，甲醛的扩散与密度差有关，但并不是简单的密度叠加。由此说明，甲醛扩散依附于空气，其在室内无风状态下的扩散遵循压力差原理；在温度不变的情况下其扩散动力来自于甲醛在室内的浓度梯度。

a 密闭1 h

b 密闭2 h

c 密闭8 h

Fig.2Formaldehydeconcentrationchangecurvesatdifferentheightswithindifferentclosedtime

由图2也可看出，室内甲醛的平均质量浓度并不是随着时间的递增而无限增加，而是达到一定的饱和浓度后，趋于定值，达到稳态。

由以上模拟结果可以推断，密闭8 h的最大平均质量浓度依然与密闭1、2 h相同。从模拟结果来看，完全密闭工况下甲醛质量浓度达到11.87 mg/m3。GB 50325—2001《民用建筑工程室内环境污染控制规范》[14]规定：Ⅰ类民用建筑工程甲醛的质量浓度限量≤0.08 mg/m3，Ⅱ类民用建筑工程甲醛的质量浓度限量≤0.12 mg/m3。可见,目标房间甲醛含量严重超标，需要进行空气净化。

由于40 min时房间内甲醛的平均质量浓度趋于平稳，然而随着时间的推移，甲醛在室内是运动的，在平均质量浓度不变的前提下，局部质量浓度还会时刻变化。为了保证结果准确，以下研究均以实际密闭时间为起点，而非40 min密闭时间。

3.2自然通风工况下的甲醛质量浓度分布

自然通风工况下门窗皆为开启状态。将目标房间分别密闭1 h和2 h，然后开启门窗，通风10 min内甲醛的质量浓度和风速变化模拟结果分别如图3、4所示。

总体来看，开窗前4 min甲醛质量浓度急剧减少，而后趋于平稳。根据实际情况，人坐姿呼吸高度一般在1.2 m，站姿呼吸高度一般在1.7 m[7]，而且人居于室内时，体表大面积有衣物覆盖，加上空气中甲醛质量浓度还不足以对皮肤造成伤害，所以研究通过呼吸道进入体内的甲醛更能直观反映室内甲醛浓度对人的影响。由于2.0 m监测面接近站姿呼吸高度，且甲醛密度略大于空气密度，易沉降，故也选取监测。从图3中甲醛质量浓度变化可知，在通风的情况下，高度越高，甲醛质量浓度下降的越快，而这一点恰好与所测高度面距障碍物(床)的垂直距离成正比，距障碍物越远，通风净化效果越好。

纵向观察浓度分布云图(图3)，可以发现色块颜色(颜色越深，浓度越小)随着高度的变化而变化，高度越高，深色面积越大；横向观察浓度分布云图，同一高度面，污染源附近区域，甲醛质量浓度依然最高；高度为1.2、1.7、2.0 m监测面上，在靠近窗框位置左右两侧，均出现了程度不同的低浓度色块包裹高浓度色块的区域，即有甲醛滞留现象。

观察图4各风速矢量图发现，高度0.3 m处，空气流动方向较为紊乱，主要是由于障碍物太多和距窗口过远所导致；高度为1.2、1.7 m和2.0 m处的空气流动方向较为清晰，这是由于三个监测面同时处在窗口所在高度， 而且障碍物不在监测面上。不同高度的风速云图上均出现了很明显的不同程度涡流区域，其中，面向窗口右侧出现涡流区域是由于门设置在贴近左侧墙面而非墙的中心位置，导致气流受阻；左侧出现涡流区是由于贴近壁面出现壁面回流，涡流出现位置都靠近墙角。在监测面高度为1.2、1.7 和2.0 m处的风速矢量图中出现涡流区的位置恰好与浓度云图中深色块所包裹的浅色块位置相吻合，也解释了这种现象是由于气流死区即涡流区域的形成造成的。

a h=0.3 m

b h=1.2 m

c h=1.7 m

d h=2.0 m

Fig.3Concentrationofformaldehydeandwindspeednephogramatdifferentheightundernaturalventilation

图5为密闭后通风10 min的甲醛质量浓度变化。由图5可见，自然通风有效地降低了甲醛的质量浓度，从初始浓度11.87 mg/m3降低至3.82 mg/m3，但是依然没达到国家标准，所以需尝试采用机械通风进行净化。

a h=0.3 m

b h=1.2 m

c h=1.7 m

d h=2.0 m

Fig.4Concentrationofformaldehydeandwindspeednephogramatdifferentheightundernaturalventilation

3.3机械通风工况下的甲醛质量浓度分布

对机械通风工况下的甲醛质量浓度和风速进行模拟。由图1可知，甲醛质量浓度在密闭前1 h内急剧变化，到11.87 mg/m3后趋于稳定，不再增长，初始状态和自然通风工况的初始状态一致，故以下分析以密闭2 h，排风、机械通风10 min的工况为例进行研究，结果如图6所示。由图6可知，机械排风和机械进风两种通风方式，在同样的进风量和出风量的前提下，前60 s内，室内整体甲醛质量浓度急剧下降，之后平稳于2.62 mg/m3。排风和进风曲线基本重合，说明在相同风量的影响下，排风和进风的效果相同。

a 密闭1 h

b 密闭2 h

Fig.5Formaldehydeconcentrationcurvesclosedafternaturalventilationof10min

图6 密闭后机械通风10 min的甲醛质量浓度

Fig.6Formaldehydeconcentrationcurvesclosedaftermechanicalventilationof10min

以高度为1.2 m和1.7 m的两个监测面为例进行分析，结果如图7、8所示。由图7a、7c可见，从z轴逆向观察，色块颜色逐渐变淡，说明甲醛质量浓度逐渐升高，具有明显的分层现象；而从图8a、8c来看，在门和窗的通路上，即图中的下部，由于形成对流，气流速度最大，以此向上，风速逐渐减小。

a h=1.2 m，排风10 min

b h=1.2 m ，进风10 min

c h=1.7 m，排风10 min

d h=1.7 m，进风10 min

Fig.7Concentrationof10minaftermechanicalventilationclosedcontours

由图7b、7d可见，以窗口中心线为轴，色块在中心线两端呈对称分布；由图8b、8d可见，以窗的中心线为轴，越靠近中心线风速越大，风速大小在中心线两端呈对称分布。横向对比风速图(图7)和浓度云图(图8)可以发现，风速越大，甲醛质量浓度越小。

a h=1.2 m，排风10 min

b h=1.2 m，进风10 min

c h=1.7 m，排风10 min

d h=1.7 m，进风10 min

Fig.8Windspeedchartof10minaftermechanicalventilationclosedcontours

纵向比较自然通风(图3)和机械进风的风速云图、浓度分布云图可知，二者皆往室内进风时，自然通风以较小的速度(0.25 m/s)而机械进风以较大的速度(2.55 m/s);二者形成的浓度场和风速场形状相似，不同的是风速和浓度的大小。风速的大小可以直接影响室内甲醛的含量，但是对流场的形状影响较小。

将图7a与图7b，图7c与图7d进行对比，从h=1.2 m和h=1.7 m两个监测面进行分析，虽然整体甲醛质量浓度的变化是一致的，但是残留甲醛分布位置却又有很大不同。机械排风工况下，残留甲醛的分布呈分层现象，下部有一半的空间已经达到国家标准，另一半未达标的部分集中在污染源附近和未形成空气流通的空间；机械进风工况下，残留甲醛分布均匀，基本上房间大部分空间甲醛质量浓度在2.01 mg/m3，依然超标，而且未有集中分布。因此，相同通风量的机械通风方式的选择，更倾向于机械排风，因为残余甲醛分布集中，更易处理。当然，如果通风量足够大，则推荐机械进风，因为房间整体净化效果更均匀。

4 结 论

(1)密闭工况下甲醛的扩散依附于空气，不仅是简单密度差扩散，而且有分层现象，但不明显。当密闭40 min后，室内甲醛质量浓度饱和，即趋于稳定值，不再随时间推移而增长。

(2)在自然通风工况下，室内甲醛质量浓度急剧减小，当通风4 min后，甲醛质量浓度不再变化，但依然不符合国家标准。

(3)自然通风和机械进风都会在窗的两侧附近产生明显的涡流现象，而机械排风则没有明显涡流现象。

(4)使用机械排风时，在通风量有限的情况下，机械排风要优于机械进风，只需着重解决污染源附近的残留物；在通风量足够大时，二者均可，机械排风需着重注意污染源附近净化，机械进风需注意涡流区域净化。

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(编校荀海鑫)

Numericalsimulationofindoorformaldehydepurificationunderdifferentventilationmodes

LiXiaoqing1,ZhangYipeng1,LiuXiaoyan1，2,LiuLijun1

(1.School of Civil & Architecture Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention, Mitigation & Protection Engineering, Daqing 163318, China)

This paper is focused on the efforts to obtain reasonable indoor formaldehyde removal methods by simulating the concentration and velocity field distribution of indoor formaldehyde under three conditions of airtight, natural ventilation and mechanical ventilation using Flent 14.5 software. The result shows that there is a better coupling both in the velocity field and concentration field under the same working condition; natural ventilation or forced air intake produces an obvious vortex near the two sides of the window, but this is not the case with the forced exhaust; the use of mechanical ventilation gives forced ventilation an advantage over forced air supply, as in the case of limited ventilation; the sufficient ventilation volume ensures the adequate performance of both, with an emphasis on the purification near pollution sources in the case of the forced exhaust and more attentions on vortex in the case of the forced air intake. The study may provide a useful reference for indoor formaldehyde treatment.

indoor air pollution； formaldehyde; natural ventilation; mechanical ventilation; numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.017

TU834； X512

2095-7262(2017)06-0658-07

A

2017-06-06

黑龙江省自然科学基金重点项目(ZD2015011)

李晓庆(1982-)，女，黑龙江省大庆人，副教授，博士，研究方向：油气水多相流动理论及应用、工程传热分析与计算、建筑节能技术，E-mail:xf4zhong1990@163.com。