不同气流组织对空间内甲醛浓度影响的模拟研究进展

汪澳林，张 健

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730000)

1 前言

室内的空气品质和人体健康水平紧密相关[1]，人们在室内度过的时间远远超过在室外，室内主要包括人们生活的卧室、客厅、办公室、教室等空间，随着社会的发展，人们对室内空气品质做出了更近一步的要求。近年来，病态建筑综合症(SBS)、建筑相关疾病(BRI)[2～4]严重影响着人们的身体健康，其中主要有害物质是甲醛(CHOH)，室内甲醛主要来源是室内装修材料，具有累积性、长期性、有毒性等特点[5，6]，且经过治理达标的室内环境可能会有甲醛浓度反弹超标的问题。在对甲醛的相关测试中，甲醛的超标率甚至超过70%，且超标的程度很严重[7，8]。我国现行《室内空气质量标准》规定[9]：室内空气中最高允许甲醛浓度为0.1 mg/m3。甲醛对人体造成的具体影响如表1所示[10]。

表1 不同甲醛浓度对人体的影响

本文针对CFD模拟相较于其他方法，具有速度快、成本低、可模拟多种工况的优点，通过总结室内甲醛气流组织模拟问题，给出了湍流模型的选择、物理模型的假设、不同气流组织因素对室内甲醛浓度的影响，并提出了一些净化甲醛的方法和今后关于对室内甲醛数值模拟的研究方向。

2 模型的选择

对于室内室内气流组织对甲醛的影响CFD模拟，选择的模型多为k-湍流模型和组分输运(Species Transport)模型，湍流模型主要选择Standard k-模型，组分输运模型中Reaction选择Volumetric模型。然后定义甲醛的Material属性，混合材料中设置甲醛和空气的属性，甲醛的散发为质量出口(Mass flow inlet)，并定义质量出口的大小，其他出口边界条件根据实际情况做出选择。

2.1 基本控制方程

基本控制方程[11]由式(1)表示为：

(1)

质量守恒方程：φ=1，Γ=0、S=0；

能量守恒方程：φ为温度T、Γ为扩散系数k/c、S为ST。

2.2 组分输运模型

组分输运模型是对室内空气与甲醛的分布情况进行模拟，组分输运模型[12]由式(2)表示为：

(2)

式(2)中：ux、uy、uz分别是x、y、z方向的速度，m/s；s(x，y，z)是任意一点的扩散强度；C为甲醛的质量浓度，mg/m3。

3 模型假设

对于CFD而言，需要对所模拟的空间和气流组织做出假设，一般模拟室内甲醛在气流组织中的假设有：

(1)室内空气和甲醛的流动符合Boussinesq假设[13]，即稳态、不可压流体、具有高紊流雷诺数的流动过程。

(3)忽略从窗及门缝等位置渗入外部空气的情况，且甲醛的扩散过程为单一的物理过程，不会因为表面浓度系数改变而扩散。

(3)室内污染物只有甲醛单一物质且家具中甲醛均匀散发，甲醛初始浓度设定需要根据具体情况而定。

4 气流组织

室内的送风方式主要有异侧或同侧上送下回、异侧或同侧下送上回、地板送风，置换通风，侧送下回、侧送上回等(图1～5)；CFD数值模拟主要任务是通过对比不同送风方式所模拟出来的结果，分析室内气流组织对甲醛和人体舒适性的影响[14]。

图1 异侧上送下回

4.1 气流组织模拟

甲醛在室内的扩散遵循压力差原理和浓度梯度原理，因此室内进行有效的通风换气可以显著的降低室内甲醛的浓度水平[15]。Hao Hong通过测试分析了住宅装修1个月和10个月后甲醛浓度的情况，并利用模拟软件数值模拟了被装修房屋在封闭、自然通风和机械通风条件下甲醛的分布，模拟结果表明，在封闭条件下，住宅内的甲醛浓度最高；以原封闭条件下甲醛浓度为基准，当自然通风风速0.2 m/s时，客厅内的甲醛浓度降低至原封闭条件下的60%；自然通风风速为2 m/s时，甲醛浓度降低至原封闭条件下的20%，机械通风风速为2 m/s时，甲醛浓度降低至原封闭条件下的50%[16]。气流速度影响室内甲醛的含量，因此增加室内的通风量对降低室内甲醛浓度有着很重要的作用。

图2 单侧上送上回

图3 同侧上送下回

图4 同侧下送上回

图5 地板送风

对于房间内气流组织形式，Wu Jingtao[17]基于Airpak软件建立了医院病房的物理数学模型，得出房间内速度分布、空气龄分布、甲醛浓度分布及预测平均投票(PMV)、预测不满意百分比(PPD)分布，随后通过增加一倍的风量，模拟了室内污染物浓度分布的变化和空气龄的变化，通过对污染物浓度分布的模拟结果认为，当室内污染物浓度较高时，应适当增加送风流量，并合理布置送风口的位置，使室内的污染物尽快排出。最近徐子涵又采用Airpak软件模拟了侧送上回、侧送下回、上送下回3种气流组织形式方式，通过比较各送风方式下的室内甲醛浓度分布情况，得出侧送上回方式下甲醛的浓度分布最为理想，而上送下回和侧送下回方式则不利于室内甲醛的消散[18]；张牛牛[19]通过CFD软件模拟了上侧进下侧出、下侧进上出和置换通风方式在0.1 m/s、0.25 m/s、0.4 m/s三种通风速度下的室内气流组织，对比分析模拟结果的速度场、甲醛浓度场，认为速度场和甲醛浓度场有很好的耦合性，对于送风速度为0.4 m/s的下侧进上出气流组织形式最佳，能更好的排出甲醛。

不同气流组织形式对排出室内甲醛的效果不同，选用适宜的气流组织形式对室内甲醛的净化和排出至关重要。

甲醛的浓度分布还有一部分受室内家具摆放位置的影响，对于地板送风方式和置换通风的CFD模拟，通过对比分析室内的温度场、速度场以及甲醛的浓度场。得出地板送风较传统的空调系统更为节能，且地板送风较其他通风方对甲醛排放效果更好，但是在地板送风中，房间内存在明显的温度分层现象，但是地板送风对设计和施工要求高，对层高也有一定的要求，价格也比较高，因此地板送风方式并未在我国得到大力推广。对置换通风房间内的甲醛扩散模拟及分析得出，甲醛浓度出现分层现象，且随着位置越高，甲醛浓度越高，在家具和房间角落由于有阻力产生的涡旋导致局部气流组织发生改变，致使甲醛无法排出，在其附近及回风口位置甲醛含量也较高[20,21]。置换通风相较于地板送风排出甲醛效果更好，能稀释室内甲醛浓度的目的，在实际工程应用中，通过合理布置家具的位置，使通风与室内空间布局相结合也能在一定程度上使室内保持一个健康舒适的环境。

具体选用什么气流组织形式应该根据具体情况而定，以能够产生均匀、对人体无不舒适感的气流组织形式最佳。张磊[22]通过比较办公间下送顶回、顶送下回、同侧上送下回、异侧上送下回4种典型气流组织的模拟结果，得出在相同的室内条件下，顶送下回时办公间内的空气质量最佳。同侧送回风能有效减小室内甲醛的浓度，在选择通风参数上，应根据甲醛的散发强度，选择合适的送风速度、入口风速、进回风口高度及进回风口相对位置[23,24]，以达到室内空气品质的要求。

送风量的大小对甲醛浓度和室内空气龄有很大的影响，对人体舒适度和室内污染物浓度分布有着极其重要的作用。在解剖实验室中[27]，甲醛用于防腐剂，导致室内甲醛污染严重，利用组分输运模型模拟解剖实验室模型下的孔板送风、门窗进风侧下排风、侧上送侧下排风三类通风形式的气流组织和甲醛浓度场，通过对比分析可以得出送风方式对室内甲醛浓度场影响很大。在交通工具方面，N.E.A.Shafie团队利用计算流体力学软件建立了客车车厢的简化三维模型，考虑了置换通风和地板送风两种通风系统，通过模拟的结果表明，与置换通风系统相比，地板下配风系统能更有效地降低客舱内气体和颗粒物的浓度[25]。曾雯以甲醛为污染物研究对象，运用流体数值计算软件FLUENT 分析甲醛在车内的分布特点。通过改变送回风方式、送风速度、送风角度，对车内速度和甲醛的分布情况进行了数值模拟计算送风方式为前送风和中送风，回风方式为前回风，送风速度设置为3 m/s，送风角度为45°，然后以上述的气流组织方式为基础，对甲醛污染源位置在车内不同位置对车内人员呼吸区域甲醛浓度的影响发现[26]，因此一方面，甲醛污染源的位置对车内人员呼吸区域甲醛浓度有很大的影响，需要控制通风位置，使污染源散发的甲醛更快排出；另一方面，需要控制送回风形式和各项送风参数以保证能够有效的排出室内污染物的目的。

室内甲醛的污染浓度受多种因素的影响，其中气流组织对甲醛浓度的影响更为重要，在选用合理的气流组织条件下，辅助一定的净化设备，对营造一个健康舒适的室内环境尤为重要。

4.2 控制室内空气中甲醛污染的措施

(1)装修材料要选用环保型材料，从源头上降低甲醛的散发量；在选购家具时，应选择刺激性气味较小的产品，即甲醛含量低的产品。

(2)通过合理的气流组织排出室内家具所散发的甲醛，不仅能节约能耗，还能加快排出甲醛的效率，使室内的空气品质满足标准条件。

(3)使用空气净化器消除室内的甲醛，空气净化器的种类很多，可以对比不同净化器的优缺点，选择合适的净化器；对于低浓度的甲醛，可以种植对甲醛有较好的吸收效果的观赏类植物来吸收净化。

5 结论与展望

(1)由于模拟的不确定性，且只考虑单一因素对气流组织模拟结果的影响，在今后CFD模拟研究中，需要用实验进行辅助验证模拟的准确性和添加多因素影响分析，也适用于模拟其他污染物的分布情况。

(2)由甲醛的散发模型可得，室内温度越高，材料中甲醛的散发速度越快，在实际的气流组织条件下，送风还需要考虑通风效率与热舒适效果，选用合适的送风温度，对于降低能耗、增强人体的热舒适有着重大的意义。

(3)室内家具布置一定程度上影响室内的气流组织，不利于甲醛的消散，还应合理摆放家具的位置，使室内空间设计和室内通风相结合，达到更好稀释室内甲醛的目的。

(4)室内的甲醛浓度不仅受气流组织形式的影响，气流速度、送回风位置、送风角度、室内甲醛污染源的位置等因素也影响着室内甲醛浓度。