换气次数对板式家具甲醛散发影响的研究

梁春峰 LIANG Chunfeng

0 前言

随着人们对生活质量的不断追求，板式家具能迎合大众对个性化的需求，更有价格优势，而受到当代人的青睐。但板式家具产生的甲醛对人体伤害巨大，一直备受关注。由于某些住宅的户型或者建筑朝向问题，造成室内通风状况较差，且板式家具在有限面积内被密集放置[1]，使其甲醛散发产生叠加效应，从而造成散发出的甲醛堆积在室内无法有效散发到室外的空气中，导致室内甲醛浓度超标。对于如何改善日益恶劣的居室环境，提高生活质量是一个值得深入思考的问题。

Sekine等[2]提出甲醛形成二次污染，是由于受到外界环境等多方面的影响。张军[3]提出，室内甲醛的污染程度受到室内微小气候的影响。李志生[4]等实验表明，家具甲醛的散发和环境温度、湿度有直接的关系。王健[5]提出，通过有规律地反复升温和间歇通风，能大幅度降低常态下室内甲醛的浓度，能有效控制甲醛污染，但未定量得到通风量对甲醛散发的影响。

由于现阶段对板式家具甲醛散发中换气次数影响的研究较少，本文对比实验结果和模拟数据，验证模拟软件的可行性，利用模拟手段，分析不同室内换气次数对板式家具甲醛浓度分布规律，得出最小室内换气次数以符合污染物浓度标准要求，从而进一步指导前期建筑设计，为后期控制室内空气质量提供有力支撑。

1 板式家具甲醛散发特性实验

1.1 项目介绍

本文选用天津市某小区全阳户型为研究对象，进行为期40d的板式家具甲醛浓度测试。选用污染源较密集且使用频率较高的客厅作为测试的建筑模型。该客厅长7.7m，宽3.9m，高3.0m；门尺寸宽0.9m，高2.1m；客厅窗户总宽2.1m，高1.5m，窗台高0.7m，有两扇宽0.6m、高1.0m的可开启窗口。其内的板式家具有沙发一套，电视机柜一组，茶几一只，餐桌一个，座椅4把，鞋柜1个，地板为木地板。

1.2 测点布置原则

根据《室内空气质量标准 》（GB/T 1883—2014）采样点的数量和位置规定，应设4个测点，并在对角线上或梅花式均匀分布，并避开通风口，离墙壁距离大于0.5m，采样点高度原则上与人的呼吸带高度相一致，且参照人体工程学的人体参数站立、坐和卧高度为1.5m、1.0m 和0.5m。测试点布置如图1所示，将各点分别命 名 为A0.5、A1.0、A1.5，B0.5、B1.0、B1.5，C0.5、C1.0、C1.5、C1.5和D0.5、D1.0、D1.5、D1.5。

1.3 测试结果分析

图1 布点原则示意图

根据《民用建筑工程室内环境污染控制规范》（GB 50325—2010）标准的规定，“对于采用自然通风的住宅房间，应对外门窗关闭12h后进行测试”。采样期间，为防止影响测试结果，封闭和测试过程中不准使用任何电器。测试结果如图2～4所示。

据《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2014）中规定，甲醛标准浓度限值为0.08mg/m3，测试房间内甲醛浓度均超标，最低超标倍数为1.1倍，最高为4倍，甲醛污染严重。尤其测点C沙发区域，浓度高达0.326mg/m3，比其他区域高3倍左右。分析各测点数据，得到拟合公式为y=A0e-B0x呈指数衰减散发，其中常值A0和B0将随着环境的变化而不同，相关系数都能达到90%以上。

图2 0.5m处封闭状态下甲醛浓度分布曲线图

图3 1.0m处封闭状态下甲醛浓度分布曲线图

为了得出甲醛浓度分布规律，对数据进行计算分析，利用甲醛平均浓度来代替房间内整体甲醛浓度情况，绘制板式家具甲醛平均浓度曲线，其变化规律如图5所示。

该曲线总体变化趋势是先陡峭后平缓最后趋近于定值变化，近似于指数变化，得到拟合方程为y=0.45e-0.026x，相关系数为R2=0.98，符合上述y=A0e-B0x散发规律。甲醛散发过程大致分为初始快速散发、稳定散发、缓速散发3 个阶段。基本在前18d处于快速散发期，依靠板材表面气相主体的浓度差将家具板材表面的甲醛散发到外界；之后18～34d，表层甲醛基本释放，板材内部的干燥层甲醛分子，在内部和表层浓度差的推动下扩散速率逐渐增大，此时散发速率主要受到孔隙结构的影响。34d之后，由于板材内扩散阻力随扩散路径增加而不断增大，甲醛的散发速率逐渐降低，散发过程持续低速进行，直至稳定。因此，前34d的前两个阶段是采取有效去除措施的最佳时机，可以通过改变环境中气流组织情况，影响板式家具表面和空气层界面空气流通，形成材料内部动态的浓度梯度，加速板式家具内游离甲醛的散发，治理甲醛污染。

图4 1.5m处封闭状态下甲醛浓度分布曲线图

图5 封闭状态下甲醛平均浓度图

2 室内换气次数对甲醛散发规律模拟分析

PHOENICS软件中的FLAIR模块是针对暖通空调工程师专门开发的CFD计算模块，可以精确模拟流体的流动、传热、舒适度和污染等多种现象。所以，可选用PHOENICS软件，模拟换气次数对板式家具甲醛散发规律。

2.1 物理模型的建立

本文运用流体软件，模拟甲醛散发机理和特性的过程，基于以下假定的几种边界条件[6]：①板式家具材质均衡，向外界散发的甲醛浓度基本相同，不发生化学反应；②板式家具甲醛在向外界散发中为一维扩散传质，且传递动力为浓度差，遵循斐克第二定律；③忽略除了室内温度、湿度和通风换气率等引起甲醛分子的扩散动力；④甲醛在室内发生扩散传质过程中，对气流表面对流传质系数不发生作用；⑤板式家具内部的材质扩散系数不随浓度的变化而变化；⑥只有板式家具一种污染源，且与围护结构接触的一面没有质量传递；⑦板式家具表面与空气层交界面为对流传质，并且污染物传递过程始终处于平衡状态。

按照项目实际尺寸情况进行建模，将通向卧室和厨房处做模型简化处理，对其封堵，统计几何模型的参数如表1所示，建立的三维模型如图6、7所示。

2.2 软件可行性验证

设置模拟工况与实验工况条件完全相同，温度设置为25℃，相对湿度为44%，门窗设为缝隙渗透。由于在不同条件下房间内各区域变化规律相似，可将该房间内甲醛平均浓度值来代替房间各区域的变化规律，以便进行对比分析。将各时刻甲醛散发率的模拟值和检测值进行对比分析，其结果用曲线图8表示。

表1 模型参数表

图6 计算物理模型(俯视图)

图7 计算物理模型透视图

图8 甲醛散发率的实测值和模拟值对比分析曲线图

由图8可知，前8d各时刻实测值大于模拟值，而第8～18d模拟值和实测值相差不大，从第18d以后甲醛的实测值又重新大于模拟值。分析出现以上实测值大于模拟值情况的原因，一方面，可能实测时由于除了家具以外还有少量其他甲醛的散发源，使得实测值稍微偏大一些，还有可能因为房间内未放家具之前已经有少量的甲醛存在；另一方面，中间几天模拟值和实测值相差不大，可能是因为在实验过程中，由于人员进出而导致部分甲醛通过门窗挥发到室外，造成一定的误差。但是从整体上来看，各时刻误差都在8%以下，平均误差为2.64%，相关系数为0.96，吻合度比较好，也证实了PHOENICS软件模拟甲醛散发特性规律是可行的。

2.3 模拟结果分析

在温湿度不变的条件下，经过反复模拟计算，最终选取换气次数为0.5次/ h、1.0 次/h、1.5次/ h、2.0次/h、2.5次/ h五个工况进行分析板式家具甲醛散发规律。图9～13是甲醛在0.5m处数值模拟结果。

图9 0.5次/ h甲醛浓度分布图

图10 1.0次/ h甲醛浓度分布图

由分布图可以发现，改变换气次数对甲醛的浓度分布影响偏大，这是因为：改变换气次数影响的是家具材料外部甲醛浓度，并使其产生较大的浓度差；甲醛浓度随着换气次数的增大，总体呈逐渐减小的趋势，当换气次数为0.5 次/h时，甲醛浓度分布差异比较明显，然而当换气次数达到2.0次/h以上时，客厅内的甲醛浓度分界线不是很明显，已经基本趋于一致，无局部高浓度现象。

图11 1.5 次/h甲醛浓度分布图

图12 2.0 次/h甲醛浓度分布图

不同高度处采样点A、B、C、D甲醛浓度散发规律如图14～17所示，从整体情况来看，A、B、C、D各区域都是随着换气次数的增大，甲醛散发浓度减小程度呈现先大后小的趋势，并且在各区域随着高度的增加，甲醛浓度在不断减小。若分别从每张图变化来看，A区域和D区域换气次数在0.5～1.0 次/h之间，甲醛散发浓度减少速率最快，在1.0～2.5 次/h之间散发速度趋于平缓，而B区域和C区域换气次数在0.5～1.5 次/h之间速率较快，在1.5～2.5 次/h之间趋于平缓，原因可能在于A区域和D区域家具摆放较稀疏，而B区域和C区域家具聚集，换气次数对空间稀疏区域影响大于密集区域，空间大障碍物少越有利于流体流动，更能加快甲醛浓度减少的进程。当室内换气次数达到2.5 次/h时，室内甲醛污染物浓度刚好符合浓度要求。

图13 2.5 次/h甲醛浓度分布图

3 结语

通过上文分析可以得到以下主要结论：①在第34d之后处于近似缓速散发期，可在其之前采取改变室内换气次数来加速甲醛向外界的散发，改善室内空气品质。②换气次数对家具稀疏区的甲醛浓度减少效果好于密集区，家具密集、面积小使其散发的甲醛浓度产生叠加效应，堆积在室内而无法有效散发到室外，使甲醛浓度超标越严重，建议在满足基本需求时尽量减少家具的数量。③在设置范围内换气次数增大，室内甲醛浓度减小程度为先大后小，从0.5～1.5次/h变化过程中稀释效果好；而0.5次/h刚好是暖通空调设计新风量对应的换气次数，则可以说“通风即有益”；当室内换气次数达到2.5次/h时，室内甲醛浓度符合要求。所以，在建筑设计初期应进行充分考虑与计算，在设计前期对甲醛浓度做最大的控制。④室内定期通风是降低甲醛浓度最经济、简捷的手段，对于自然通风较差的户型可通过空调、电风扇等通风换气装置，促进室内空气与外界大气的良好交互，治理甲醛污染。

图14 A点甲醛浓度变化曲线图

图15 B点甲醛浓度变化曲线图

图16 C点甲醛浓度变化曲线图

图17 D点甲醛浓度变化曲线图