冬季東北地區(qū)室內(nèi)甲醛擴(kuò)散的數(shù)值模擬

王芳 王鵬浩 徐洪祥

摘?要：針對(duì)冬季東北地區(qū)房間通風(fēng)性差及常規(guī)地板鋪設(shè)方式帶來(lái)的甲醛污染問(wèn)題，使用C語(yǔ)言自定義編程，確定密閉條件下室內(nèi)地板散發(fā)甲醛的數(shù)學(xué)模型，利用Fluent求解及分析此條件下室內(nèi)甲醛濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，探討密閉條件下室內(nèi)甲醛濃度隨位置變化的擴(kuò)散機(jī)理;研究自然通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)揮發(fā)性氣體的速度分布和甲醛的濃度分布。研究結(jié)果表明，采用自然通風(fēng)方式可有效控制室內(nèi)甲醛污染，對(duì)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自然通風(fēng);甲醛;數(shù)值模擬;濃度場(chǎng)

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.006

中圖分類號(hào)： TU834.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 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

隨著人們生活水平和審美的提高，越來(lái)越多的人們會(huì)在室內(nèi)鋪設(shè)各種各樣的地板。地板具有節(jié)能、質(zhì)輕美觀和可調(diào)節(jié)溫濕度等特點(diǎn)[1]。但鋪設(shè)地板特別是價(jià)格便宜的中低檔木板會(huì)降低室內(nèi)空氣質(zhì)量，引起室內(nèi)的空氣污染。其中最具有代表性的空氣污染成分就是甲醛。學(xué)者李艷麗指出甲醛濃度在每立方米空氣中達(dá)到0.06～0.07mg/m3時(shí)，兒童就

會(huì)發(fā)生輕微氣喘。當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛含量為0.1mg/m3時(shí)，就有異味和不適感;達(dá)到0.5mg/m3時(shí)，可刺激眼睛，引起流淚;達(dá)到0.6mg/m3，可引起咽喉不適或疼痛。濃度更高時(shí)，可引起惡心嘔吐，咳嗽胸悶，氣喘甚至肺水腫;達(dá)到30mg/m3時(shí)，會(huì)立即致人死亡[2]。學(xué)者李庭進(jìn)行了民用住宅空氣污染擴(kuò)散數(shù)值模擬的研究，其所研究的住宅全部鋪設(shè)地板[3]。大多學(xué)者對(duì)地板散發(fā)甲醛的研究存在一個(gè)慣性即認(rèn)為室內(nèi)全部鋪設(shè)地板[4-6]。目前家庭裝修中，客廳、餐廳走動(dòng)多，若用地板，耐磨性差易磨損，因此，客廳餐廳用地磚，臥室、書房用地板 [7]。前人已經(jīng)在利用自然通風(fēng)控制室內(nèi)污染方面做了許多的研究[8-10]，本文所研究的內(nèi)容區(qū)別以往研究的地方是甲醛的釋放源為主臥和次臥的地板，房間其他地方不存在甲醛的釋放。

本文研究對(duì)象為哈爾濱的某一住宅，其具有冬季東北地區(qū)房間的共性即密封性好，房間漏風(fēng)很小，可以忽略不計(jì)[11-12]。趙毅仁和孫世鈞學(xué)者提出了哈爾濱節(jié)能舉措，例如推廣節(jié)能窗等，這些舉措都在一定程度上增加了房間的密封性[13]。由于房間具有良好的保溫能力，本文忽略了室內(nèi)外的熱量傳遞。本文以甲醛作為代表性氣體污染物，采用數(shù)值模擬的方法分析房間密閉條件下和自然通風(fēng)條件下甲醛的擴(kuò)散規(guī)律，總結(jié)室內(nèi)污染物的控制方法，對(duì)冬季東北地區(qū)室內(nèi)空氣污染的控制具有指導(dǎo)意義[14-15]。

1?物理模型

模擬對(duì)象為哈爾濱某一住宅，住宅具體平面結(jié)果如圖1所示。整個(gè)戶型南北（北向?yàn)閅軸正方向）朝向，西部由南向北依次為主臥、衛(wèi)生間和次臥，東部由南向北依次為客廳、餐廳和廚房。為了盡可能的物理模型貼合實(shí)際，提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，主臥和次臥設(shè)置有雙人床，客廳設(shè)置有茶幾，餐廳設(shè)置有餐桌。房間的幾何模型如圖2所示。

2?數(shù)學(xué)模型

室內(nèi)的空氣視為不可壓縮理想流體，利用理想氣體狀態(tài)方程求解室內(nèi)空氣密度，但室內(nèi)空氣的流動(dòng)仍以不可壓縮流體的方法求解[16]。室內(nèi)空氣的流動(dòng)要受到質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和質(zhì)量擴(kuò)散定律的制約[17-19]。

流態(tài)的判別：密閉條件時(shí)室內(nèi)空氣的流態(tài)為層流。

通風(fēng)條件時(shí)Re=4600，由于室內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空氣流動(dòng)過(guò)程中速度變化較大，所以室內(nèi)空氣的流態(tài)為湍流。

3?基本假設(shè)和求解條件

3.1?基本假設(shè)

1）室內(nèi)密閉，無(wú)室外空氣通過(guò)門縫或窗縫等滲入室內(nèi)。

2）忽略室內(nèi)內(nèi)熱源（照明、烹飪、人的散熱等）和室外通過(guò)房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室內(nèi)的傳熱對(duì)室內(nèi)甲醛擴(kuò)散的影響。

3）忽略室內(nèi)固體（墻壁、屋頂、家具等）壁面的吸附作用。

4）甲醛的擴(kuò)散為純物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)發(fā)應(yīng)，污染物不產(chǎn)生消耗。

5）甲醛在氣固交界面上的對(duì)流擴(kuò)散只沿地板的外法線方向，不沿其他方向擴(kuò)散，為一維質(zhì)擴(kuò)散，遵循Fick定律。

6）甲醛與室內(nèi)空氣彼此之間也沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，互不影響。甲醛為強(qiáng)還原劑，在微量堿性時(shí)還原性更強(qiáng)。在空氣中能緩慢氧化成甲酸。

7）氣固交界面上甲醛的傳質(zhì)是均勻的及臥室內(nèi)地板散發(fā)甲醛的單位面積的質(zhì)量流量相同。

3.2?求解條件

邊界條件：

1）通風(fēng)條件時(shí)窗戶一設(shè)置為速度進(jìn)口，速度的大小取冬季哈爾濱室外的平均風(fēng)速V=2m/s。

2）通風(fēng)條件時(shí)新風(fēng)溫度取冬季哈爾濱室外的平均溫度T=253.15K。

3）通風(fēng)條件時(shí)窗戶二和窗戶三為壓力出口，壓力等于室外大氣壓力P=101.325kg。

4）通風(fēng)條件時(shí)室內(nèi)地板供暖溫度為T=293.15K。

5）密閉條件時(shí)臥室一與臥室二地板甲醛的散發(fā)率R采用二階動(dòng)態(tài)擴(kuò)散模型[20]R=aeb+ced。

當(dāng)t<5h時(shí)，甲醛釋放速率衰減的較快a=18660，b=-1.16t，c=0;

當(dāng)5h≤t≤10h時(shí)，甲醛釋放速率衰減變慢，a=16950，b=-1.157t，c=102.6，d=-0.003552t;

當(dāng)t>5h時(shí)，甲醛的釋放速率趨于穩(wěn)定，a=33.63，b=-0.007705t，c=68.48，d=-0.0009882t（單位μg/m2·h）。

本文利用c語(yǔ)言將甲醛的散發(fā)率變?yōu)樵错?xiàng)擴(kuò)散函數(shù)，作為邊界條件嵌入地板條件中。通風(fēng)條件時(shí)臥室一和臥室二的地板以恒定速率釋放甲醛R=1.83×10-9μg/m2·h。

初始條件：

1）室內(nèi)壓強(qiáng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2）室內(nèi)甲醛濃度為零。

3）室內(nèi)溫度T=293.15K。

4?密閉條件下甲醛濃度計(jì)算結(jié)果及分析

哈爾濱地區(qū)冬季室外嚴(yán)寒其冬季采暖室外計(jì)算溫度為-26℃。人們?yōu)榱吮Ｅ乐故彝饫淇諝馔ㄟ^(guò)窗縫或門縫等滲入室內(nèi)，一般都會(huì)采取各種各樣的保溫措施，例如給門窗加裝和更換密封條、玻璃貼保溫膜和涂刷保溫涂料等使冬季東北地區(qū)住宅具有密封性好特點(diǎn)，在進(jìn)行密閉條件下甲醛擴(kuò)散的數(shù)值模擬時(shí)忽略窗戶的漏風(fēng)。東北地區(qū)在冬季，室內(nèi)外溫度差較大，但由于住宅墻壁和窗戶的導(dǎo)熱熱阻大，所以在短時(shí)間內(nèi)忽略室外溫度變化和室內(nèi)微弱的自然對(duì)流對(duì)室內(nèi)溫度的影響即認(rèn)為室內(nèi)恒溫，室內(nèi)外無(wú)熱量的傳遞，室內(nèi)的傳質(zhì)方式為質(zhì)擴(kuò)散。我國(guó)《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》中，對(duì)室內(nèi)空氣采樣前要求的密閉時(shí)間是1h。本文研究室內(nèi)密閉1h時(shí)，甲醛濃度在水平方向和高度方向上的分布，更好的掌握密閉條件下臥室地板釋放的甲醛在室內(nèi)的三維擴(kuò)散過(guò)程。監(jiān)控面分別為Z=10mm，X=4800mm。直線line-1的兩端點(diǎn)為（2000，4000，0）、（2000，4000，2700）（單位mm）處于臥室一中，直線line-2的兩端點(diǎn)為（4000，4000，0）、（4000，4000，2700）（單位為mm）處于客廳中。下圖中，顏色由藍(lán)至紅代表污染物濃度由低到高。

圖3顯示的是水平面Z=10mm，的甲醛濃度場(chǎng)，主要研究甲醛在房間水平方向上的擴(kuò)散。如圖3所示，當(dāng)臥室一和臥室二的門打開時(shí)地板散發(fā)的甲醛會(huì)從臥室一和臥室二不斷向其他房間擴(kuò)散，隨著距臥室一門與臥室二門的距離越遠(yuǎn)，甲醛的濃度越小，濃度梯度也越小。根據(jù)質(zhì)擴(kuò)散菲克定律，當(dāng)房間密閉時(shí)，甲醛擴(kuò)散的決定性因素為濃度梯度，主要方式為分子運(yùn)動(dòng)，當(dāng)濃度梯度為零時(shí)，甲醛在房間的質(zhì)量通量密度也為零。由于臥室一門和臥室二門對(duì)向，臥室一與臥室二的向外擴(kuò)散的甲醛會(huì)在兩門之間發(fā)生碰撞，在碰撞交界處甲醛的濃度梯度為零而在其他地方仍然存在較大的濃度梯度，進(jìn)而改變了其擴(kuò)散方向，最終導(dǎo)致臥室一地板散發(fā)的甲醛主要向客廳和餐廳擴(kuò)散，臥室二地板散發(fā)的甲醛主要向衛(wèi)生間、餐廳和廚房擴(kuò)散。擴(kuò)散現(xiàn)象是氣體分子的內(nèi)遷移現(xiàn)象。從微觀上分析是大量氣體分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子之間發(fā)生相互碰撞的結(jié)果。由于不同空間區(qū)域的分子密度分布不均勻，分子發(fā)生碰撞的情況也不同。這種碰撞迫使密度大的區(qū)域的分子向密度小的區(qū)域轉(zhuǎn)移，最后達(dá)到均勻的密度分布 。甲醛擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)受到室內(nèi)餐桌、茶幾和墻壁等物體的阻擋，在餐桌、茶幾和墻壁的周圍甲醛的濃度相對(duì)較低，主要是因?yàn)榧兹┓肿釉谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)撞擊墻壁和家具，家具和墻壁會(huì)給甲醛分子施加反作用力，其改變了甲醛分子的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)而改變了甲醛的擴(kuò)散方向最終導(dǎo)致在家具和墻壁周圍的甲醛的濃度相對(duì)較低。

圖4顯示的是截面x=4800mm的甲醛濃度場(chǎng)，主要研究甲醛在房間高度方向上的擴(kuò)散，由于擴(kuò)散時(shí)間較短，房間上部大部分甲醛濃度為零。對(duì)比圖3和圖4明顯看出水平方向上甲醛的濃度梯度大于高度方向上的甲醛濃度梯度，導(dǎo)致甲醛在室內(nèi)水平方向上的擴(kuò)散速率大于在高度方向上的擴(kuò)散速率，造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)榧兹┰诟叨确较虻臄U(kuò)散受到了重力的抑制。如圖4所示甲醛從地板逐漸向上擴(kuò)散，出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，甲醛的濃度隨著高度的增加，在同一水平面上趨于一致。圖5很好的驗(yàn)證了這一現(xiàn)象，大約在0～150mm的范圍內(nèi)兩曲線的間隔逐漸縮小，當(dāng)大于150mm時(shí)兩直線基本重合。主要原因?yàn)榧兹┰诟叨确较虻臄U(kuò)散速率較慢，隨著高度的增加房間甲醛的濃度衰減的較快，加之甲醛在房間的各個(gè)高度都存在擴(kuò)散速率相對(duì)較快的水平方向上的擴(kuò)散，所以在房間內(nèi)隨著高度的增加水平面的甲醛濃度差別逐漸減小。

5?通風(fēng)條件下甲醛濃度計(jì)算結(jié)果及分析

東北地區(qū)冬季室內(nèi)外溫差較大，進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)通風(fēng)方式的選擇要考慮人的熱舒適性。由于主臥和次臥裝修所用的地板為甲醛的釋放源，東北冬季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)橛赡舷虮?，選用窗戶一為房間的進(jìn)風(fēng)口，窗戶二和窗戶三為房間的出風(fēng)口，當(dāng)房間進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)，既可以降低房間內(nèi)甲醛的濃度又兼顧了人的熱舒適性。監(jiān)控對(duì)象為Z=1350mm。

為了研究通風(fēng)條件下甲醛濃度場(chǎng)，首先研究室內(nèi)氣體的速度分布。如圖6和圖7所示室外空氣通過(guò)窗戶一進(jìn)入主臥后，射流斷面的速度場(chǎng)從射流中心開始逐漸向邊界衰減，并沿射程不斷變化，流量沿程增加，射流直徑加大，但在各斷面上的總動(dòng)量保持不變?？梢詫⑸淞鞣譃檩S心速度不變的起始段和軸心速度變小的主體段。其形成原因是由于射流邊界與周圍介質(zhì)間的紊流動(dòng)量交換，周圍空氣不斷卷入，射流不斷擴(kuò)大，形成了非等溫受限射流。對(duì)比圖6，圖8和圖9可以看出溫度場(chǎng)，濃度場(chǎng)與速度場(chǎng)存在相似性，只是射流邊界比速度分布的邊界有所擴(kuò)大，其主要原因就是射流與周圍空氣的摻混的結(jié)果。由于低壓和墻壁約束的共同作用，主臥內(nèi)在射流的東西兩側(cè)形成了漩渦，由于射流的出口及主臥室門在臥室的東側(cè)所以射流的左側(cè)的漩渦遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右側(cè)的漩渦。室外新鮮空氣進(jìn)入主臥后會(huì)攜帶臥室一內(nèi)的含甲醛氣體通過(guò)主臥的門進(jìn)入室內(nèi)其他房間，由于衛(wèi)生間的壓強(qiáng)較小，室內(nèi)主流會(huì)向衛(wèi)生間分流，分流在慣性的作用下貼附衛(wèi)生間的墻壁流動(dòng)導(dǎo)致混合空氣在衛(wèi)生間內(nèi)形成渦流。室內(nèi)主流由于主臥門的作用導(dǎo)致過(guò)流斷面變小，流速增大，卷吸作用增強(qiáng)。室內(nèi)主流在剛出主臥門的時(shí)候會(huì)卷吸客廳和餐廳的部分空氣，隨后室內(nèi)主流流速減小并被房間的墻壁一份為二，一部分流向次臥另一部分部分流向廚房。流向廚房的分流，當(dāng)?shù)竭_(dá)廚房時(shí)流速減小，在低壓強(qiáng)的作用下會(huì)向餐廳分流，再加上墻壁的約束，使餐廳與客廳的交接處形成了整個(gè)房間內(nèi)最大的漩渦，客廳其他部分的混合氣體的流動(dòng)主要是在此漩渦的帶動(dòng)作用下形成。次臥的分流主要是沿著房間的分隔壁流向窗戶二，次臥的其他位置在低壓和墻壁約束的作用會(huì)生成漩渦。廚房的主流主要是沿著東墻流向窗戶三，廚房的其他位置在低壓和墻壁約束的作用下也會(huì)生成漩渦。

如圖9所示各房間內(nèi)甲醛濃度差異較大。雖然客廳和衛(wèi)生間的氣體流速較小，但客廳和衛(wèi)生間的甲醛濃度相對(duì)于主臥和次臥分布均勻，不存在濃度過(guò)高的死角。其主要為室內(nèi)質(zhì)量的傳遞方式從質(zhì)擴(kuò)散變?yōu)榱速|(zhì)量傳遞速率更快的對(duì)流擴(kuò)散，主臥和次臥地板生成的甲醛主要是跟隨室內(nèi)主流流動(dòng)，所以主臥和次臥向其他房間傳遞轉(zhuǎn)移的甲醛量較小，主臥和次臥內(nèi)局部存在漩渦，其氣體的較難得到更新加之處于甲醛的污染源內(nèi)進(jìn)而導(dǎo)致了臥室一和臥室二存在污染物濃度過(guò)高的死角。臥室二的漩渦占據(jù)了臥室二的較大的一部分的空間，自然通風(fēng)結(jié)束后，隨著甲醛的擴(kuò)散方式有對(duì)流傳質(zhì)變?yōu)橘|(zhì)擴(kuò)散，臥室二的甲醛平均濃度將會(huì)達(dá)到最高，所以剛?cè)胱》块g時(shí)，盡量住在臥室一而不是臥室二，可以采用其他方式輔助降低臥室二的甲醛濃度如擺放綠色植物等。

PMV指標(biāo)代表了對(duì)同一環(huán)境絕大多數(shù)人的冷熱感覺(jué)，因此可用PMV指標(biāo)預(yù)測(cè)熱環(huán)境下人體的熱反應(yīng)。由于人與人之間生理的差別，故用預(yù)期不滿意百分率（PPD）指標(biāo)來(lái)表示對(duì)熱環(huán)境的不滿意百分?jǐn)?shù)。通過(guò)表1與圖8可以看出，進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)客廳的熱舒適性較好，甲醛濃度遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值，所以窗戶一進(jìn)風(fēng)，窗戶二與窗戶三出風(fēng)，陽(yáng)臺(tái)關(guān)閉的通風(fēng)方式比較合理。

6?結(jié)?論

1）在重力的作用下，甲醛在房間水平方向上的擴(kuò)散速率大于房間高度上的擴(kuò)散速率，進(jìn)而導(dǎo)致了在高度方向上，甲醛濃度分層明顯并且隨著高度的增加房間在水平面上甲醛的濃度差別逐漸變小。

2）臥室一和臥室二存在甲醛濃度過(guò)高的死角，特別是臥室二，渦旋占據(jù)了房間較大一部分區(qū)域，自然通風(fēng)除甲醛的效果不好，采用其他方法除甲醛如在室內(nèi)擺放綠色植物、活性炭等。

3）當(dāng)采取窗戶一進(jìn)風(fēng)，窗戶二和窗戶三排風(fēng)的自然通風(fēng)方式時(shí)可以較為有效降低室內(nèi)各個(gè)房間的甲醛濃度，并且客廳的熱舒適相對(duì)較好但主臥與次臥存在甲醛濃度較高的死角，仍然需要采用其他方式去除甲醛。

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（編輯：王?萍）