冬季东北地区室内甲醛扩散的数值模拟

王芳 王鹏浩 徐洪祥

摘 要：针对冬季东北地区房间通风性差及常规地板铺设方式带来的甲醛污染问题，使用C语言自定义编程，确定密闭条件下室内地板散发甲醛的数学模型，利用Fluent求解及分析此条件下室内甲醛浓度随时间的变化规律，探讨密闭条件下室内甲醛浓度随位置变化的扩散机理;研究自然通风时，室内挥发性气体的速度分布和甲醛的浓度分布。研究结果表明，采用自然通风方式可有效控制室内甲醛污染，对改善室内空气品质具有指导意义。

关键词：自然通风;甲醛;数值模拟;浓度场

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.006

中图分类号： TU834.1

文献标志码： A

文章编号： 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

隨着人们生活水平和审美的提高，越来越多的人们会在室内铺设各种各样的地板。地板具有节能、质轻美观和可调节温湿度等特点[1]。但铺设地板特别是价格便宜的中低档木板会降低室内空气质量，引起室内的空气污染。其中最具有代表性的空气污染成分就是甲醛。学者李艳丽指出甲醛浓度在每立方米空气中达到0.06～0.07mg/m3时，儿童就

会发生轻微气喘。当室内空气中甲醛含量为0.1mg/m3时，就有异味和不适感;达到0.5mg/m3时，可刺激眼睛，引起流泪;达到0.6mg/m3，可引起咽喉不适或疼痛。浓度更高时，可引起恶心呕吐，咳嗽胸闷，气喘甚至肺水肿;达到30mg/m3时，会立即致人死亡[2]。学者李庭进行了民用住宅空气污染扩散数值模拟的研究，其所研究的住宅全部铺设地板[3]。大多学者对地板散发甲醛的研究存在一个惯性即认为室内全部铺设地板[4-6]。目前家庭装修中，客厅、餐厅走动多，若用地板，耐磨性差易磨损，因此，客厅餐厅用地砖，卧室、书房用地板 [7]。前人已经在利用自然通风控制室内污染方面做了许多的研究[8-10]，本文所研究的内容区别以往研究的地方是甲醛的释放源为主卧和次卧的地板，房间其他地方不存在甲醛的释放。

本文研究对象为哈尔滨的某一住宅，其具有冬季东北地区房间的共性即密封性好，房间漏风很小，可以忽略不计[11-12]。赵毅仁和孙世钧学者提出了哈尔滨节能举措，例如推广节能窗等，这些举措都在一定程度上增加了房间的密封性[13]。由于房间具有良好的保温能力，本文忽略了室内外的热量传递。本文以甲醛作为代表性气体污染物，采用数值模拟的方法分析房间密闭条件下和自然通风条件下甲醛的扩散规律，总结室内污染物的控制方法，对冬季东北地区室内空气污染的控制具有指导意义[14-15]。

1 物理模型

模拟对象为哈尔滨某一住宅，住宅具体平面结果如图1所示。整个户型南北（北向为Y轴正方向）朝向，西部由南向北依次为主卧、卫生间和次卧，东部由南向北依次为客厅、餐厅和厨房。为了尽可能的物理模型贴合实际，提高数值模拟的准确性，主卧和次卧设置有双人床，客厅设置有茶几，餐厅设置有餐桌。房间的几何模型如图2所示。

2 数学模型

室内的空气视为不可压缩理想流体，利用理想气体状态方程求解室内空气密度，但室内空气的流动仍以不可压缩流体的方法求解[16]。室内空气的流动要受到质量守恒定律、动量守恒定律和质量扩散定律的制约[17-19]。

流态的判别：密闭条件时室内空气的流态为层流。

通风条件时Re=4600，由于室内结构复杂，空气流动过程中速度变化较大，所以室内空气的流态为湍流。

3 基本假设和求解条件

3.1 基本假设

1）室内密闭，无室外空气通过门缝或窗缝等渗入室内。

2）忽略室内内热源（照明、烹饪、人的散热等）和室外通过房间的围护结构向室内的传热对室内甲醛扩散的影响。

3）忽略室内固体（墙壁、屋顶、家具等）壁面的吸附作用。

4）甲醛的扩散为纯物理过程，没有化学发应，污染物不产生消耗。

5）甲醛在气固交界面上的对流扩散只沿地板的外法线方向，不沿其他方向扩散，为一维质扩散，遵循Fick定律。

6）甲醛与室内空气彼此之间也没有化学反应，互不影响。甲醛为强还原剂，在微量碱性时还原性更强。在空气中能缓慢氧化成甲酸。

7）气固交界面上甲醛的传质是均匀的及卧室内地板散发甲醛的单位面积的质量流量相同。

3.2 求解条件

边界条件：

1）通风条件时窗户一设置为速度进口，速度的大小取冬季哈尔滨室外的平均风速V=2m/s。

2）通风条件时新风温度取冬季哈尔滨室外的平均温度T=253.15K。

3）通风条件时窗户二和窗户三为压力出口，压力等于室外大气压力P=101.325kg。

4）通风条件时室内地板供暖温度为T=293.15K。

5）密闭条件时卧室一与卧室二地板甲醛的散发率R采用二阶动态扩散模型[20]R=aeb+ced。

当t<5h时，甲醛释放速率衰减的较快a=18660，b=-1.16t，c=0;

当5h≤t≤10h时，甲醛释放速率衰减变慢，a=16950，b=-1.157t，c=102.6，d=-0.003552t;

当t>5h时，甲醛的释放速率趋于稳定，a=33.63，b=-0.007705t，c=68.48，d=-0.0009882t（单位μg/m2·h）。

本文利用c语言将甲醛的散发率变为源项扩散函数，作为边界条件嵌入地板条件中。通风条件时卧室一和卧室二的地板以恒定速率释放甲醛R=1.83×10-9μg/m2·h。

初始条件：

1）室内压强为一个标准大气压。

2）室内甲醛浓度为零。

3）室内温度T=293.15K。

4 密闭条件下甲醛浓度计算结果及分析

哈尔滨地区冬季室外严寒其冬季采暖室外计算温度为-26℃。人们为了保暖，防止室外冷空气通过窗缝或门缝等渗入室内，一般都会采取各种各样的保温措施，例如给门窗加装和更换密封条、玻璃贴保温膜和涂刷保温涂料等使冬季东北地区住宅具有密封性好特点，在进行密闭条件下甲醛扩散的数值模拟时忽略窗户的漏风。东北地区在冬季，室内外温度差较大，但由于住宅墙壁和窗户的导热热阻大，所以在短时间内忽略室外温度变化和室内微弱的自然对流对室内温度的影响即认为室内恒温，室内外无热量的传递，室内的传质方式为质扩散。我国《民用建筑工程室内环境污染控制规范》中，对室内空气采樣前要求的密闭时间是1h。本文研究室内密闭1h时，甲醛浓度在水平方向和高度方向上的分布，更好的掌握密闭条件下卧室地板释放的甲醛在室内的三维扩散过程。监控面分别为Z=10mm，X=4800mm。直线line-1的两端点为（2000，4000，0）、（2000，4000，2700）（单位mm）处于卧室一中，直线line-2的两端点为（4000，4000，0）、（4000，4000，2700）（单位为mm）处于客厅中。下图中，颜色由蓝至红代表污染物浓度由低到高。

图3显示的是水平面Z=10mm，的甲醛浓度场，主要研究甲醛在房间水平方向上的扩散。如图3所示，当卧室一和卧室二的门打开时地板散发的甲醛会从卧室一和卧室二不断向其他房间扩散，随着距卧室一门与卧室二门的距离越远，甲醛的浓度越小，浓度梯度也越小。根据质扩散菲克定律，当房间密闭时，甲醛扩散的决定性因素为浓度梯度，主要方式为分子运动，当浓度梯度为零时，甲醛在房间的质量通量密度也为零。由于卧室一门和卧室二门对向，卧室一与卧室二的向外扩散的甲醛会在两门之间发生碰撞，在碰撞交界处甲醛的浓度梯度为零而在其他地方仍然存在较大的浓度梯度，进而改变了其扩散方向，最终导致卧室一地板散发的甲醛主要向客厅和餐厅扩散，卧室二地板散发的甲醛主要向卫生间、餐厅和厨房扩散。扩散现象是气体分子的内迁移现象。从微观上分析是大量气体分子做无规则热运动时，分子之间发生相互碰撞的结果。由于不同空间区域的分子密度分布不均匀，分子发生碰撞的情况也不同。这种碰撞迫使密度大的区域的分子向密度小的区域转移，最后达到均匀的密度分布 。甲醛扩散过程中会受到室内餐桌、茶几和墙壁等物体的阻挡，在餐桌、茶几和墙壁的周围甲醛的浓度相对较低，主要是因为甲醛分子在运动过程中会撞击墙壁和家具，家具和墙壁会给甲醛分子施加反作用力，其改变了甲醛分子的运动方向进而改变了甲醛的扩散方向最终导致在家具和墙壁周围的甲醛的浓度相对较低。

图4显示的是截面x=4800mm的甲醛浓度场，主要研究甲醛在房间高度方向上的扩散，由于扩散时间较短，房间上部大部分甲醛浓度为零。对比图3和图4明显看出水平方向上甲醛的浓度梯度大于高度方向上的甲醛浓度梯度，导致甲醛在室内水平方向上的扩散速率大于在高度方向上的扩散速率，造成这种现象的原因为甲醛在高度方向的扩散受到了重力的抑制。如图4所示甲醛从地板逐渐向上扩散，出现了明显的分层现象，甲醛的浓度随着高度的增加，在同一水平面上趋于一致。图5很好的验证了这一现象，大约在0～150mm的范围内两曲线的间隔逐渐缩小，当大于150mm时两直线基本重合。主要原因为甲醛在高度方向的扩散速率较慢，随着高度的增加房间甲醛的浓度衰减的较快，加之甲醛在房间的各个高度都存在扩散速率相对较快的水平方向上的扩散，所以在房间内随着高度的增加水平面的甲醛浓度差别逐渐减小。

5 通风条件下甲醛浓度计算结果及分析

东北地区冬季室内外温差较大，进行自然通风时通风方式的选择要考虑人的热舒适性。由于主卧和次卧装修所用的地板为甲醛的释放源，东北冬季的主导风向为由南向北，选用窗户一为房间的进风口，窗户二和窗户三为房间的出风口，当房间进行自然通风时，既可以降低房间内甲醛的浓度又兼顾了人的热舒适性。监控对象为Z=1350mm。

为了研究通风条件下甲醛浓度场，首先研究室内气体的速度分布。如图6和图7所示室外空气通过窗户一进入主卧后，射流断面的速度场从射流中心开始逐渐向边界衰减，并沿射程不断变化，流量沿程增加，射流直径加大，但在各断面上的总动量保持不变。可以将射流分为轴心速度不变的起始段和轴心速度变小的主体段。其形成原因是由于射流边界与周围介质间的紊流动量交换，周围空气不断卷入，射流不断扩大，形成了非等温受限射流。对比图6，图8和图9可以看出温度场，浓度场与速度场存在相似性，只是射流边界比速度分布的边界有所扩大，其主要原因就是射流与周围空气的掺混的结果。由于低压和墙壁约束的共同作用，主卧内在射流的东西两侧形成了漩涡，由于射流的出口及主卧室门在卧室的东侧所以射流的左侧的漩涡远远大于右侧的漩涡。室外新鲜空气进入主卧后会携带卧室一内的含甲醛气体通过主卧的门进入室内其他房间，由于卫生间的压强较小，室内主流会向卫生间分流，分流在惯性的作用下贴附卫生间的墙壁流动导致混合空气在卫生间内形成涡流。室内主流由于主卧门的作用导致过流断面变小，流速增大，卷吸作用增强。室内主流在刚出主卧门的时候会卷吸客厅和餐厅的部分空气，随后室内主流流速减小并被房间的墙壁一份为二，一部分流向次卧另一部分部分流向厨房。流向厨房的分流，当到达厨房时流速减小，在低压强的作用下会向餐厅分流，再加上墙壁的约束，使餐厅与客厅的交接处形成了整个房间内最大的漩涡，客厅其他部分的混合气体的流动主要是在此漩涡的带动作用下形成。次卧的分流主要是沿着房间的分隔壁流向窗户二，次卧的其他位置在低压和墙壁约束的作用会生成漩涡。厨房的主流主要是沿着东墙流向窗户三，厨房的其他位置在低压和墙壁约束的作用下也会生成漩涡。

如图9所示各房间内甲醛浓度差异较大。虽然客厅和卫生间的气体流速较小，但客厅和卫生间的甲醛浓度相对于主卧和次卧分布均匀，不存在浓度过高的死角。其主要为室内质量的传递方式从质扩散变为了质量传递速率更快的对流扩散，主卧和次卧地板生成的甲醛主要是跟随室内主流流动，所以主卧和次卧向其他房间传递转移的甲醛量较小，主卧和次卧内局部存在漩涡，其气体的较难得到更新加之处于甲醛的污染源内进而导致了卧室一和卧室二存在污染物浓度过高的死角。卧室二的漩涡占据了卧室二的较大的一部分的空间，自然通风结束后，随着甲醛的扩散方式有对流传质变为质扩散，卧室二的甲醛平均浓度将会达到最高，所以刚入住房间时，尽量住在卧室一而不是卧室二，可以采用其他方式辅助降低卧室二的甲醛浓度如摆放绿色植物等。

PMV指标代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，因此可用PMV指标预测热环境下人体的热反应。由于人与人之间生理的差别，故用预期不满意百分率（PPD）指标来表示对热环境的不满意百分数。通过表1与图8可以看出，进行自然通风时客厅的热舒适性较好，甲醛浓度远小于国家标准值，所以窗户一进风，窗户二与窗户三出风，阳台关闭的通风方式比较合理。

6 结 论

1）在重力的作用下，甲醛在房间水平方向上的扩散速率大于房间高度上的扩散速率，进而导致了在高度方向上，甲醛浓度分层明显并且随着高度的增加房间在水平面上甲醛的浓度差别逐渐变小。

2）卧室一和卧室二存在甲醛浓度过高的死角，特别是卧室二，涡旋占据了房间较大一部分区域，自然通风除甲醛的效果不好，采用其他方法除甲醛如在室内摆放绿色植物、活性炭等。

3）当采取窗户一进风，窗户二和窗户三排风的自然通风方式时可以较为有效降低室内各个房间的甲醛浓度，并且客厅的热舒适相对较好但主卧与次卧存在甲醛浓度较高的死角，仍然需要采用其他方式去除甲醛。

参 考 文 献：

[1] 靳俊杰，唐中华，高理福，等.热舒适性情况下的低温地板辐射供暖节能研究[J].四川建筑科学研究，2013，39（4）： 370-377.

[2] 李艳丽，尹诗，黄宝妍.室内甲醛污染来源及其对人体危害[J].佛山科学技术学院学报，2003，21（1）： 49-52.

[3] 李庭.民用单元住宅空气污染扩散数值模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015：20-54.

[4] 骆伟，刘荣华，邱汗峰.自然通风作用下室内甲醛浓度分布数值模拟分析[J].制冷与空调，2013，27（5）：504-508.

[5] 张牛牛，薛敏.室内污染物排放的数值模拟分析[J].江苏工业学院学报，2009，21（2）：27-30.

[6] 马飞，罗海亮，谢慧，等.建筑室内污染物扩散模拟与控制[J].北京科技大学学报，2007，29（2）：16-18.

[7] 彭冲.实木拼接地板制造工艺及性能研究[D].广州：华南农业大学，2016：1-20.

[8] 曹国庆，张益昭. 通风与空气过滤对控制室内生物污染的影响研究[J]. 土木建筑与环境工程，2009，31（1）：130-135.

[9] 谢伟樊，越胜，黄亦平，等.自然通风室内外PM10、PM2.5、PM1.0污染特征[J].洁净与空调技术，2015，（3）：58-61.

[10]肖楚璠.自然通风条件下室内甲醛扩散模拟研究[J].洁净与空调技术.2013（1）：15-18.

[11]张姝，张希浩.严寒地区既有居住建筑节能改造策略研究[J].应用科技，2017，44（4）：82-86.190-191.

[12]陆书斋，吕平.哈尔滨市住宅建筑外墙保温技术的研究[J].山西建筑，2015，41（35）：190-191.

[13]赵毅仁，孙世钧.哈尔滨建筑节能的探讨[J].黑龙江科技信息，2003（11）：198.

[14]MOHAMED M F，KING S，BEHNIA Metal. The Effects of  Balconies on the Natural Ventilation Performance of Cross-ventilated High-rise Buildings[J]. journal of green  building，2014，9（2）：145-160.

[15]王韧刚，吴志湘，岳斌佑. 利用CFD技术预测工业厂房通风降温效果的必要性及注意事项[J]. 潔净与空调技术，2013，（4）：22-24.

[16]郭雅迪，张人伟，刘曰帅，等. 基于FLUENT模拟的选煤厂煤仓瓦斯超限治理研究[J]. 安全与环境工程，2014，（3）：148-153.

[17]龚波.教学楼风环境和自然通风教室数值模拟研究[D].成都：西南交通大学，2005：47-49.

[18]王乐.办公建筑自然通风研究的CFD分区分析方法探索[D].天津：天津大学，2005：8-16.

[19]陶文铨.数值传热学[M]. 西安：西安交通出版社，2001，16-17.

[20]严彦，王光学，杨旭. 木质人造板材甲醛释放规律的研究[J].环境科学学报，2003，23（1）：134-137.

（编辑：王 萍）