1、室内装修材料污染物散发初探北京科技大学 肖孝徕 吴延鹏 马飞 摘要 分析建筑装修装饰材料污染物散发的传质机理，建立了可用于室内 VOCs 散发的数学模型，对实验房间在不同 时间，不同空 间区域纵面进 行数值模拟，并与现有的模拟结果加以对比，得出了房间内 VOC 的浓度场分布及其分布规律。根据 VOCs 的散发的模拟结果，提出了一些避免室内 VOCs 污染的具体措施。关键词 室内空气质量 污染物浓度 数值模拟 散发1 引言人们约有70%以上的时间是在室内度过的 1，室内空气质量(Indoor Air Quality , IAQ)直接影响着人们的舒适、生产、生活以及健康状况，而且对室内工作人员的工
2、作效率有显著影响，良好的室内空气品质能使人感到精力充沛，心情舒畅、神清气爽。然而，我国许多建筑的室内空气品质却不容乐观，低劣的室内空气品质，会引发多种病症，如病态建筑综合症（SBS） 、与建筑相关疾病(BRI)和多种化学污染物过敏症(MCS) 2 - 4。室内散发的污染物和室外空气是影响室内空气质量的主要因素。同时有研究表明，致使室内空气品质低劣的主要原因是室内空气的污染，而室内空气污染的途径是多种多样的，其散发过程因污染物种类的不同而不同，同时还受到许多外部因数的影响 4-6，如室内外温度、室内外风速、紊流程度、空气湿度、新风量及新风品质、送风方式和气流组织、空调设备、室内其它污染物等等。目
3、前已有许多学者对VOCs的散发提出了自己的见解，建立了一系列经验或理论模型，但目前对VOCs的散发机理等还没有系统研究，对室内空气品质的研究基本上停留在单个或者少数几个影响因数上，因而多种因数叠加的耦合扩散的研究是值得期待的。2 VOCs 散发及扩散机理根据建筑装修装饰材料的形态和散发特征可分为干材料和湿材料，干材料包括混泥土、墙地砖、人造板材、各种各样的保温材料、陶瓷等，会散发放射性氡、氨气、挥发性有机化合物及少量的悬浮颗粒物等；湿材料包括各种粘合剂、涂料、油漆等，是VOCs的主要来源。有研究表明，湿材料和干材料中污染物的散发过程是一样的，区别仅在于两者的扩散速率。其散发可以分为两个过程：
4、材料表面的气态污染物穿过气固界面层扩散到气相中，这一过程是浓度梯度、压力梯度、温度梯度和密度梯度综合作用的结果； 材料内部的气态污染物向表面迁移，然后再穿过界面扩散，这一过程由几种机理共同作用，包括蒸发和对流等 7-9。大量文献表明VOCs的扩散不仅和温度、湿度、风速有关，还受空气交换率及支持板的影响，同时还受空气中原有各种VOCs浓度的影响 3,10 - 14 。3 模型的建立3.1 模型的假设条件由于室内建筑装修装饰材料内部污染物的散发是一个复杂多变、受多种因数综合影响的过程，研究时需要对模型进行必要的简化和假设： 材料内部污染物散发没有化学反应，是一种纯物理过程； 材料内部组成均匀，初始
5、时刻VOC在各处浓度相同； 材料内部的传递动力是浓度差，为一维扩散传质，遵循斐克定律，且扩散系数保持不变； 材料内部污染物单一，或者不同污染物的扩散过程相互独立，互不干扰； 空气和材料交界面处始终保持平衡状态，动态平衡很快建立，建立平衡的时间很短，可忽略； 材料表面与室内空气之间为对流传质，与维护结构或者地面接触的一面没有质量传递； 室内污染物分布均匀，或者很快能达到均匀一致； 忽略窗帘、家具、墙壁等的吸附作用，即室内没有污染物的吸附源。3.2 控制方程的建立如图 1 所示: 一块厚为L(m)的装饰材料 i 放在通风量为Q(m 3/s),体积为V ( m3 )的房间中。图 1 模拟房间示意图1
6、 材料 i（污染源）内部，同时满足上述假设条件，其控制方程为 5 - 7,15 - 17：（1）2i i(x,)(x,)CD式中:C i (x,)i 建材内部位于 x处 时刻 VOC 浓度，mg/m 3；D ii 材料内部污染物传质扩散系数，m 2/s；时间变量，s；x 一维扩散方向上的空间变量，m。 材料 i 表面与空气界面处 VOCs浓度的动态平衡在材料 i 表面，污染物的散发和吸附同时进行，并维持动态平衡，其控制方程为：Ci (L,) = KiCi , s ()，x=L，0式中:C i (L,)i 建材内部位于L 处 时刻VOCs浓度，mg/m 3；K i第 i 种材料表面的分隔系数；C
7、 i , s ()i 材料表面空气侧VOCs浓度，mg/m 3。 边界层质扩散在材料 i 表面，存在一薄层的浓度边界层，VOCs 的传递过程同时受到扩散和传质的影响，气相传质满足菲克第二定律，即：Ri () = hi (Ci , s () - Ca()式中:R i ()气相传质速率，mg/m 3；h i i 材料表面与空气的对流传质系数，m/s；C a()时刻房间空气中VOCs的浓度，mg/m 3。 湿材料表面污染物的散发率为： （2）W,0()eiisisR式中:R i , s ()第 i 种湿材料在 时刻的散发率，mg/m 2s；R i , 0, s第 i 种湿材料初始时刻的散发率，mg/
8、m 2s；W i第 i 种湿材料的衰减系数， /s ；以初始时刻作为记时起点所经历的时间，s。 房间内主流区（控制体内）VOCs质量平衡方程为:（3）iii LL*a0 i,0Da s()C (x,)C|C() ekinN ，N=Q/V （4）Q = Qdoor + Qwindow + Qinlet （5） 式中:N房间换气次数，1/s； Q房间通风量，m 3/s；V房间体积，m 3；L ii 材料的特性面积，/m；C in从外界进入室内的 VOCs 的浓度；C a , 0在 = 0 时刻房间的 VOCs 浓度，/ m3；Q door通过门进入房间的风量，若风通过门渗出房间，则取值为 0，m
9、3/s；Q window通过窗进入房间的风量，若风通过窗渗出房间，则取值为 0，m 3/s；Q inlet通过进风口进入房间的风量，m 3/s。3.3 初始条件和边界条件3.3.1 初始条件 在材料 i 内部：C i (x ,)= Ci , 0 (x)，0 x L， = 0 材料 i 表面：C i ,s(0)= Ci ,0 (x) 式中:C i ,0 (x)第 i 种建筑材料内部VOCs 在 =0时刻的浓度分布， / m3；C i ,0第 i 种建筑材料表面空气侧VOCs在 = 0的浓度分布，/ m 3。3.3.2 边界条件 材料 i 底部与地面接触，没有质量的传递，从而有： i0(x,)|D
10、（6） i 材料与空气界面，这是第三类边界条件，如下：， i ,ai C(x ,)()C(|LiDhms a,0a()|C（7）3.3.3 有研究资料表明，对于由两层或多层均匀介质所组成的建筑材料，每一层均服从方程： i ijj()(x,)x,C（ ）（8）式中:x j坐标（j=1，2，3） ，其他符号含义同上。3.4 空气中VOCs传质系数根据现有传质理论，在材料表面，各准则数有如下的关系 13,14：(1) 层流：（Re500000） ， 1/3/20.64ScReh(2) 紊流：（Re500000） ， /4/5.7式中: 宣乌特（Sherwood）准则数， ； 雷诺（Reynolds）
11、准则数，Sh DhlSRe； 施密特（Schmidt ）准则数， ； 空气运动粘度，m 2/s；u空气Reulvccv的平均流速，m/s； 材料特性长度，m。l4 数值模拟结果及分析4.1 模拟对象模拟对象为一间南北为 5 m、东西为 3.5 m、层高为 4 m 的普通房间，门的尺寸为0.9 m*2.0 m，进风量 2 m3/h；窗户的尺寸为 1.0 m*0.7，进风量 2 m3/h；inlet（进风口）尺寸为 0.3 m*0.3 m，进风量 2 m3/h；outlet（排风口）尺寸为 0.7 m*0.7 m，排风量为 6 m3/h，维持房间通风量的平衡，实验材料（总长 L = 3.3 m）放
12、在房间正中央，模拟房间内空气温度设置为 22。4.2 数值模拟对放置有试验材料的实验房间内 VOCs 的散发进行数值模，且实验开始前房间内VOCs 的浓度为 0，从放入污染源开始计时并进行测试，分别在 t=5 小时和 t=10 小时距离装修材料不同距离处的纵面处模拟 VOCs 的浓度，模拟结果如下：（a） t=5h (b) t=10h图 2 t=5h 和 t=10h，x= -1.65m 纵面 VOCs 浓度分布（a） t=5h (b) t=10h图 3 t=5h 和 t=10h，x=-1.25m 纵面 VOCs 浓度分布（a） t=5h (b) t=10h图 4 t=5h 和 t=10h，x=
13、-0.75m 纵面 VOCs 浓度分布（a） t=5h (b) t=10h图 5 t=5h 和 t=10h，x=0m 纵面 VOCs 浓度分布（a） t=5h (b) t=10h图 6 t=5h 和 t=10h，x=0.75m 纵面 VOCs 浓度分布（a） t=5h (b) t=10h图 7 t=5h ,t=10h，x=1.25m 纵面 VOCs 浓度分布（a） t=5h (b) t=10h图 8 t=5h 和 t=10h，x=1.65m 纵面 VOCs 浓度分布4.3 模拟结果分析为了使模拟结果更具有说服力，本文引用丁桂艳的硕士学位论文室内装饰材料污染物散发的研究的模拟结果加以对比（以下四
14、图均为引用）：（a） x=0.35m （b） x=6.7m图 9 t=1d，x=0.35m 和 x=6.7m 纵面苯浓度分布（a） x=0.35m （b） x=6.7m图 10 t=5d，x=0.35m 和 x=6.7m 纵面苯浓度分布（a） t=1d （b） t=5d图 11 t=1d 和 t=5d，y=12.9m 纵面苯浓度分布通过本文数值模拟及与丁桂艳的模拟结果对比 7，可以得出不同时间、不同地点、不同高度处房间内VOCs浓度的分布，从理论上揭示了VOCs在空气中的散发规律。在距离污染源越近的地方，VOCs 的浓度越高，VOCs 逐渐以污染源为中心向四周扩散开来；污染物散发范围逐渐扩大，
15、可以预测最终将扩散到房间每个角落和室外；同一竖直立面不同高度处，污染物浓度并不相同，随着高度的增加，VOCs的浓度逐渐降低；比较同一地点不同的时间可知，在模拟时间内，随时间的推移，浓度逐渐增大，但可以预见，经历相当长一段时间后，由于门窗开启及空调通风等因数的影响，VOCs的浓度会逐渐下降；由于室内空气流动、室内外压差、热压等各种因数的综合影响，在与污染源对称的两侧VOCs的浓度的分布并不相同，而是存在差别。所以该模拟结果在理论上很好的揭示了VOCs在空气中的扩散状况，很好的解释了VOCs 在空气中的扩散规律。5 为避免 VOCs 污染需注意的问题控制与改善室内空气品质不能从单一、片面的角度出发
16、，而是要以“系统工程”的方式进行通盘考虑。从VOCs的散发机理及散发规律可知，VOCs的散发是一个漫长的过程，且含量少，种类多，且不排除各种污染物之间存在协同作用，从而加剧室内空气污染，加大对人体危害程度 5-7,14-16。为此，需注意以下几点: 室内空气品质与房间的装饰，装修材料有很大关系，建议住户在对房间进行装饰装修时，选用环保型装饰装修材料，以减少VOCs的散发。 VOCs散发周期长，应引起住户足够重视，尤其对于新建、新装饰房间，VOCs浓度比较大，应敞开通风一段时间后再投入使用，不宜立即使用。 建议住户常开门开窗，加强室内通风，以稀释排除各种VOCs，改善室内空气品质。 合理布置房间
17、的摆设，将床、办公桌等经常休息或工作的家具尽量布置在通风窗口处。这样有利于保持经常休息或工作区域的良好的空气品质和舒适度。 改善空调系统设计，合理布置送风口和排风口的位置，使室内形成合理的气流组织，加速污染物的稀释和排除。参考文献1 Young M K, Stuart H and Roy M H. Concentrations and Source of VOCs in Urban Domestic and Public Micro environmentsJ. Environmental Science & Technology , 2001 35 (6)：997 10042 柯宏伟，王东涛
18、 . 改善住宅建筑热环境的生态措施 J. 河南大学学报，2004，34(2) ：103 1053 张国强，宋春玲，陈建隆等. 挥发性有机化合物对室内空气品质影响研究进展J. 暖通空调，2001，31(6)：25 314 曹振华 . 浅析居室内空气品质对人体健康的影响及其改善途径J. 陕西国防工业职业技术学院学报，2006，16（1）：31 335 许瑛，张寅平. 平板建材挥发性有机化合物单面散发模型及应用 J.工程热物理学报，2004，24(4)：6856876 许瑛，张寅平，曽海东，王新轲. 一种确定建材VOC散发特性的新方法J. 工程热物理学报，2005,26(1)：341367 丁贵艳.
19、 室内装饰材料污染物散发的研究D. 河北：华北电力大学，20098 H.N.Knudsen, P.A.Clausen, C.K.Wilkins, P.Wolkoff. Sensory and chemical evaluation of odorous emissions from building products with and without linseedoilJ. Building and Environment,2007,42：4059 40679 李新. 建筑材料对室内空气质量的影响及其评价D. 重庆：重庆大学，200410 张寅平，钱科，王新轲，等. 温度对材料中可散发甲醛含
20、量的影响J. 工程热物理学报，2008,29(7) ：1171 117311 Bluyssen P M, et al.The effect of temperature on the chemical and sensory emission of indoor materialsC. Proc Indoor Air 96 , 1996 , 3：619 62412 Bayer C W. An investigation into the effect of “building bake-out” conditions on building materials and furnishingsC
21、. Proc Indoor Air 90 , 1990 , 3：581 58613 Kwok N H, Lee S C, Guo H, et al. Substrate effects on VOC emissions from an interior finishing varnish J . Building and Environment, 2003, 38：1019 102614 王立鑫，刘兆荣，白郁华，等. 硝基清漆膜厚度对硝基清漆 VOCs释放的影响J. 中国环境科学，2009,29(8) ：790 79415 Guo H, Murray F. Characterization o
22、f total volatile compound emissions from paint J . Clean Prod Processes, 2000, 2：28 3616 龚幸颐，白郁华，虞江平，等. 北大园区室内挥发性有机物 (VOCs)的研究J. 环境科学研究，199817 余跃滨. 多孔建筑材料污染物散发模型研究与分析D. 湖南：湖南大学，2003肖孝徕，男，1985年10月16日生，北京科技大学机械工程学院2009级在读硕士研究生吴延鹏通讯地址：北京市海淀区学院路30号北京科技大学土木环境楼设备系 邮编：100083手机：13718105898传真：82385795E-mail：
