卧室甲醛浓度分布特征及控制措施研究

陈长冰，张 潮

(合肥学院，安徽 合肥 230601)

随着城市化的进程，以及装修行业的不断发展，各种家装材料被广泛使用。一些家装材料会不可避免地造成室内甲醛污染。室内甲醛污染具有来源广泛、持续时间长、对人体危害大等特点[1]。室内环境被甲醛污染已经成为社会关注的热点问题。影响室内甲醛浓度分布的因素有很多，如通风情况、温度、湿度、板材种类、板材装载度等[2]。通过化学方法对室内甲醛污染进行检测是非常复杂的，所以利用模拟软件对室内流体进行模拟计算分析正在被广泛使用，可利用计算机对室内甲醛浓度的分布情况进行仿真模拟，根据浓度分布和变化规律给出合理的控制措施。

1 CFD概述

CFD(Computational Fluid Dynamics)，即计算流体动力学。CFD软件是目前使用广泛的数值模拟软件，其基本特征是数值模拟和计算机实验，可以对流场进行分析、计算和预测。CFD软件是用来对流场进行分析、计算、预测的软件。CFD技术可以模拟各种复杂的环境，以节省大量的人力、物力和财力，模拟结果准确，且有指导意义。CFD技术现已广泛运用于航空航天、生物医学、电子技术、环境污染等各个领域[3]。Airpak是FLUENT中专门针对HAVC(Heating VentilationAirconditioningand Cooling空气调节系统)领域的软件，它可以对模拟对象的气体流动、污染、传热等物理现象进行准确的模拟[4]，准确的模拟结果有助于研究和分析室内空气质量问题。

2 物理模型的建立

研究对象为一间卧室，运用Airpak软件建立物理模型，卧室几何尺寸为4600mm×3500mm×2800mm，卧室中有衣柜、床头柜、床、书桌、地板等家具，卧室中使用板材均达到国家E1级标准(甲醛释放量小于0.12mg/m3)。卧室具体布局见图1，家具尺寸见表1。

图1 卧室物理模型图

表1 家具尺寸

2.1 边界条件

为确定室内的空气流动状态，假设本算例模拟计算时，所有的门窗都是处于开启状态，整个室内都处于自然通风状态。于是得出本算例的特征：扩散项等于零，定常流动，不含有组分运输的湍流流动。

为了准确模拟处于通风状态下卧室内部气体流动状态，本算例采用室内零方程模型，采用有限容积法，并且选用非均匀网格将整个区域划分成许多单元，将微分方程离散成为代数方程，将变量代入到单元体内计算，采用simple算法，离散格式为一阶迎风格式[5]。

2.2 网格划分

卧室整体为矩形，为了使整个网格划分均匀，能够精确地反映计算模型，先取：

X轴方向的最大尺寸为：Max X size=0.2

Y轴方向的最大尺寸为：Max Y size=0.15

Z轴方向的最大尺寸为：Max Z size=0.2

并且对通风口等局部有物体的部位进行局部加密，加密部分是原来网格的5倍。本次模拟结果划分为9807个网格和11521个节点。

Airpak经过计算，得出的计算网格如图2所示。

图2 沿X轴Y轴上的网格划分

2.3 求解参数确定

(1)在模拟计算过程中，因为风速较小，对空气的压缩效应可以忽略，按照不可压缩流体处理。

(2)整个计算过程中，假设地板、天花板、墙壁都处于绝热状态，风口风速是均匀的。

(3)甲醛污染物的扩散与众多因素有关，如温度、湿度、污染源位置、通风情况等，其中任何一个因素发生变化，都会对甲醛浓度分布造成影响，因此其流动属于非稳态过程[6]；而本研究针对的是非瞬态模拟，未考虑时间因素，是对板材内甲醛的自由扩散达到平衡状态的研究。

3 模拟结果分析

根据GB/T-18883-2002《室内空气质量标准》[7]和GB 50325-2010《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(2013版)[8]等相关标准规定，Ⅰ类民用建筑工程室内甲醛浓度≤0.08mg/m3，Ⅱ类民用建筑工程室内甲醛浓度≤0.1mg/m3。在此基础上对室内甲醛浓度进行分析研究。

3.1 自然通风情况下室内空气流动分布

在自然通风情况下，环境温度设置为20℃，风速设置为1.5m/s，室内空气流动状态如图3所示。

图3 沿Y轴方向上速度矢量图(Y=1.5m)

由图3可知，气流从门进入室内后，大部气流分沿着过道方向穿过房间后从窗户流出室外。此外还有少部分气流分散到与床和衣柜所在位置，并在床的上部位置形成了小型涡流区域。根据气流分布状况可以简单判断，在衣柜和床夹角部分，由于通风较差，且局部形成涡流，如果存在污染物，污染物难以被气流稀释或带出室外，故此区域很容易造成污染物的积累。

3.2 自然通风情况下室内空气龄动分布

空气龄是指从房间风口到达室内某一点所需要的时间，该点空气龄指的是该点所有微团空气龄均值。所以空气龄可以反映房间空气新鲜程度，也可以反映房间去除污染物的能力，空气龄越小的房间，排除污染物的能力就越强[9]。在环境温度为20℃，风速为1.5m/s时，该卧室空气龄如图4所示。

由图4可知，空气龄和室内气流组织形式密切相关。空气流速大的地方，空气龄普遍较小；空气流速小的地方，空气龄普遍较大。上图中过道至窗户部分由于气流组织较好，所以空气龄较小。而衣柜和床夹角处以及床上部由于气流组织差，且局部形成涡流气，所以空气龄较大，其中最大部分达到62s。可以根据空气龄图进行简单分析，过道部分污染物会很容易被稀释或排出室外，在床和衣柜的位置，污染物会很容易累积。

图4 卧室空气龄图(Y=1.5m)

3.3 自然通风情况下室内甲醛浓度分布

设置环境温度为20℃，风速为1.5m/s，对卧室甲醛浓度分布进行模拟计算，计算结果如图5所示。

由图5-1可知，在Y轴上，房间过道处由于气流状况较好，甲醛浓度未超标，且远低于0.08mg/m3的标准。在床上方以及床和衣柜夹角处，由于这些地方污染源较多，而且气流状况差，局部还有涡流的存在，故甲醛浓度均超标，最高浓度达到了0.2mg/m3，远超0.08mg/m3的标准值。从上图也可以看出甲醛总是从污染源处向浓度较低的出风口处发散。

由图5-2可知，在Z轴上，随着房间高度增加，甲醛浓度呈现降低趋势，原因是甲醛的密度要大于空气，所以甲醛更容易在较低的位置积累，房间较低位置若积累了很多甲醛，会对儿童造成更大的伤害。根据图3速度矢量图得出的结论，由于在床的上部形成局部涡流区域，所以该区域甲醛容易积累，浓度要高于其他区域。

图5-1 Y=1.5m处甲醛浓度分布图5-2 Z=1.5m处甲醛浓度分布

该卧室大部分区域甲醛浓度为0.125mg/m3，远超0.08mg/m3的标准值，在该卧室生活必然会对身体造成伤害，必须要采取控制措施。

4 增加机械通风控制室内甲醛浓度

增加机械通风控制室内污染物是一种常用而且十分有效的措施，风口的位置以及通风方式要经过计算结合卧室布局来合理确定。有效的机械通风能显著地排除室内污染物。对于室内通风，常用的方式有送风、排风和送风排风组合的方式，针对本卧室，在地板和墙壁上分别设置风口，风口尺寸为500mm×200mm，数量为4个，地板和墙壁上分别有2个。本卧室采用送风和排风组合的方式来改善气流组织，改善室内甲醛污染。增加通风口的整体布局如图6所示。

图6 风口布局图

环境温度设置为20℃，风口风速均设置为1.5m/s，较大的风速会带来噪音问题，同时会对室内的舒适性造成影响，所以风速设置要合理。具体浓度分布如图7所示。

由图7-1、7-2对比可知，增加机械通风后，两种通风方式下卧室中甲醛浓均降低。采用上送风下排风方式下，卧室中大部分区域甲醛浓度为0.02mg/m3，

图7-1 上送风下排风在Y=1.5m，Z=1.5m处甲醛浓度分布

图7-2 下送风上排风在Y=1.5m，Z=1.5m处甲醛浓度分布

而采用下送风上排风方式下，卧室中大部分区域甲醛浓度为0.035mg/m3。两种通风方式均能使卧室中甲醛浓度均低于0.08mg/m3的标准值。对比两种不同的通风模式，上送风下排风对于去除卧室污染物的效果更显著；而下送风上回风方式常用于被动房的通风系统中，它的优势在于会进行热量的交换，从而能保留室内热效率或冷效率，从而使整个建筑物更加舒适节能。

但是增加机械通风方式也有其局限性，对于正在装修的房屋，可以根据整体布局设置合理的送风口和排风口位置。但是对于已经装修完成的房间，一般很难增加送风口和排风口，增加风口会对现有的装修造成破坏，而且装修完成后增加风口，整体费用会较高。所以对于已经装修完成的房间，只能寻找其他降低甲醛浓度的控制措施。

5 增加净化器控制甲醛浓度

通过增加净化器来控制室内空气污染是一种常用的方法。净化器应安置在污染物浓度较高或者通风不良的区域，同时也要考虑对称美观，与室内装修布局相协调。根据图5计算出的甲醛浓度分布，得到甲醛浓度较大区域在衣柜和床头位置。现分别在床头柜两侧放置两个甲醛净化器，净化器的吸收速度远小于模拟风速，其对流场的影响可忽略不计。保持其他工况不变。计算结果如图8所示。

图8 增加净化器后Y=1.5m，Z=1.5m卧室甲醛浓度分布图

由图8可知，增加净化器后，在衣柜和床头位置的大部分区域甲醛浓度由之前的0.125mg/m3下降到约0.08mg/m3，刚刚达到规定的标准值。但还存在甲醛浓度超标的区域。

净化器只能缓解局部区域甲醛浓度超标的问题，如果卧室中大部分区域甲醛均超标，通过增加净化器就无法解决甲醛污染问题。卧室中甲醛浓度主要受气流组织影响，净化器只能起到辅助的作用。净化器在长时间使用后必然存在运行效率降低和更换等问题。

6 改变家具布局控制室内甲醛污染

之前的模拟中，已经对卧室的速度矢量和空气龄分别进行了模拟。结论是在气流组织不良或空气龄较高的区域，污染物容易累积。所以可以考虑将该区域的污染源(家具)放置到气流组织良好，空气龄较低的位置，充分利用自然通风直接带走甲醛污染。家具布局改变如图9所示。

图9 改变家具位置布局图

由图9可知，主要对衣柜的位置进行改变，让它尽可能靠近卧室的主要通风风路。这样改变消除了整个卧室中气流组织最不良区域的甲醛污染源。改变家具布局之前必须要考虑可行性，不可能将所有家具位置都进行改变，而且位置改变之后不能对日常生活造成不便，也不能影响整体美观性和协调性。改变家具布局后房间甲醛浓度变化如图10所示。

由图10可知，改变家具布局后，甲醛浓度超标的区域也发生了变化，卧室内大部分区域甲醛浓度由之前的0.125mg/m3下降到约0.07mg/m3，从浓度分布云图可以看出，卧室中部分区域浓度仍然大于0.08mg/m3的标准。虽然整体上没有达到规范要求的标准，但是通过改变家具布局能对卧室甲醛超标污染的情况进行有效的改善。

图10 改变家具布局后Y=1.5m，Z=1.5m处甲醛浓度分布

7 结论

利用Airpak软件对室内甲醛浓度进行数值模拟，结果显示，在气流组织不良，且空气龄较大的区域污染物容易积累。如果自然通风不能解决室内甲醛污染问题，可以通过增加机械通风的方式，改善室内气流组织，而且上送风下排风的方式更容易去除室内的甲醛污染。另外，还可以通过增加净化器或改变房间整体布局来改善室内甲醛污染。上述方法在一定程度上都能有效控制室内甲醛污染，从而保证室内人员的身心健康。