窗戶開啟方式對住宅甲醛排放特性的影響分析

李東倩 羅清海 涂敏 李思燕 高瑞霞

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

住宅裝修使用的新型建筑材料、裝璜材料、新型涂料及粘接劑等，均會不同程度的釋放有害氣體，如甲醛、氡、TVOC 等，其中，人造板已成為室內(nèi)甲醛污染的主要釋放源[1-2]。甲醛對人體的多系統(tǒng)、多器官都有著極大的毒害作用，被證實為現(xiàn)代“不良建筑綜合征（Sick Building syndrome）”明確危險因素之一[3-4]。此外，甲醛還可能提高癌癥的發(fā)生率[5]。

裝修施工工期較短，裝修材料尚處于揮發(fā)性有機化合物質(zhì)高釋放階段，造成空氣中污染物的濃度偏高[6]。新裝修住宅室內(nèi)化學(xué)污染超標嚴重，初期能夠快速下降，但后期污染衰減緩慢，并且不同的污染物衰減過程有所差異，苯系物污染相比于甲醛污染衰減的更快[7]?，F(xiàn)代民用住宅建筑，大多采用自然通風(fēng)排放室內(nèi)污染物，窗戶的開啟方式對自然通風(fēng)效果影響很大，為保證住宅的空氣質(zhì)量，合理設(shè)置窗戶的開啟形式對室內(nèi)有害物的排放至關(guān)重要。

1 研究對象

1.1 研究對象

本文以湖南省衡陽市典型住宅為例，模型圖如圖1 所示。

圖1 衡陽市典型住宅模型圖

研究不同開窗方式下室內(nèi)甲醛污染的排放情況。結(jié)合實驗測試，運用CFD 軟件對甲醛的擴散及排放過程進行數(shù)值模擬，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，中高層、高層及超過100 m 高度的住宅建筑嚴禁采用外平開窗[8]，防止窗戶意外破損脫落傷及路人。主要研究典型戶型采用推拉半開窗，推拉落地窗，內(nèi)開平開窗，內(nèi)開上懸窗和內(nèi)開下懸窗時，室內(nèi)甲醛排放情況及濃度分布。

衡陽市坐落于湖南省中南部，地處湘江中游、衡山以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫在18 ℃左右。冬季盛行偏北風(fēng)，夏季盛行偏南風(fēng)，全年平均風(fēng)速2.0 m/s。

1.2 窗戶形式

高層住宅窗戶常見開啟形式有五種：推拉半開窗，推拉落地窗，內(nèi)開平開窗，內(nèi)開上懸窗和內(nèi)開下懸窗，如圖2 所示。

圖2 常見開啟形式的窗戶

2 研究方法

2.1 實驗測試

在衡陽市區(qū)選取典型戶型的新裝修住宅，甲醛散發(fā)源主要為地板與柜板。采用ET-4160 便攜式高精度甲醛分析儀（檢測范圍0～1999 ppb，分辨率1 ppb），對室內(nèi)甲醛濃度進行實地測量。我國針對于住宅、醫(yī)院、老年建筑、幼兒園、學(xué)校教室等Ⅰ類民用建筑工程的甲醛濃度限值為0.08 mg/m3，現(xiàn)場檢測點距內(nèi)墻距離不小于0.5 m，距樓地面高度0.8～1.5 m，采用自然通風(fēng)的民用建筑，應(yīng)在外門窗關(guān)閉1 h 后檢測[9]。根據(jù)規(guī)范的布點原則，在住宅內(nèi)選取A-G 共7 個點進行采樣檢測，距樓地高度均為1 m，采樣點平面布置具體如圖3所示。

圖3 采樣點平面布置圖

2.2 數(shù)值模擬

以上述典型住宅為基礎(chǔ)，對于不同開窗形式工況分別建立相應(yīng)的物理模型：關(guān)閉門窗，推拉半開窗，推拉落地窗，內(nèi)開平開窗，內(nèi)開上懸窗和內(nèi)開下懸窗。將模型分別導(dǎo)入ICEM 中，進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算，優(yōu)化光滑后網(wǎng)格質(zhì)量均在0.4 以上，平均質(zhì)量約為0.75。

本文計算甲醛散發(fā)采用VOCs 傳質(zhì)理論模型[10]，假設(shè)裝修材料內(nèi)部甲醛濃度分布均勻，散發(fā)過程沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，空氣和材料交界面始終會保持動態(tài)的平衡。

由于材料表面存在濃度邊界層，甲醛在散發(fā)過程中同時受到對流和擴散的影響，邊界層中甲醛擴散遵循Fick 第二定律：

式中：R(t)表示氣相傳遞速率；h 表示傳質(zhì)系數(shù)；Cs(t)表示材料表面空氣側(cè)的甲醛濃度；Cf(t)表示室內(nèi)空氣中的甲醛濃度。

將不同模型的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent 中進行計算，地板與柜板作為散發(fā)源設(shè)為Mass-flow inlet，散發(fā)速率分別設(shè)置為5.83×10-12kg/(m2·s)、6.67×10-12kg/(m2·s)。采用夏季計算參數(shù)，住宅模型南外窗為進風(fēng)口，邊界類型設(shè)置為velocity-inlet，風(fēng)速2.0 m/s，北外窗與入戶門為出風(fēng)口，室外甲醛濃度為0。

3 結(jié)果分析

3.1 可行性驗證

門窗關(guān)閉1 h 后，新裝修住宅內(nèi)部各房間甲醛嚴重超標，各采樣點的甲醛實測濃度與模擬濃度見表1。

表1 各采樣點甲醛濃度對比表

通過對比可知，實測濃度略大于模擬濃度，誤差均在20%以內(nèi)，說明數(shù)值模擬對室內(nèi)甲醛濃度預(yù)測與分析具有參考價值。分析數(shù)據(jù)得出，關(guān)閉門窗不利于甲醛的擴散與排放，新裝修住宅內(nèi)甲醛最高濃度將近國家標準的12 倍，不適于人體居住與活動，必須開窗通風(fēng)降低室內(nèi)甲醛濃度。關(guān)閉外門窗，繪制采樣點濃度對比折線圖如圖4 所示。

圖4 關(guān)閉門窗甲醛濃度對比折線圖

根據(jù)折線圖走勢，采樣點D、G 的甲醛濃度明顯偏高，模擬與實測濃度誤差偏大，而采樣點A、B 的甲醛濃度較低，誤差相對較小。結(jié)合實際情況，采樣點A、B 點所在的客廳，空間較大而柜式家具數(shù)量較少，甲醛濃度相對較低，采樣點D、G 所在的廚房與次臥2 都處于住宅的下風(fēng)向，在關(guān)閉門窗之前甲醛就已經(jīng)發(fā)生了濃度積累，關(guān)閉門窗之后甲醛二次疊加，導(dǎo)致房間內(nèi)甲醛濃度偏高，模擬誤差偏大。由于甲醛在住宅內(nèi)部揮發(fā)積累，濃度過高危害人體健康，開窗通風(fēng)非常必要。

3.2 不同開窗方式數(shù)值模擬

由實測與模擬數(shù)據(jù)可得，門窗關(guān)閉1 h 后，住宅內(nèi)部甲醛濃度加權(quán)平均值為7.8×10-7kg/m3，作為開窗模擬計算的初始濃度值。對于不同開窗方式，分別進行CFD 數(shù)值模擬，分析自然通風(fēng)下住宅內(nèi)甲醛的濃度衰減與排放情況，重點研究人體呼吸區(qū)（z=1.5 m 截面）的甲醛濃度分布。

圖5 不同開窗方式下室內(nèi)甲醛濃度曲線圖

圖5 表示開啟門窗進行自然通風(fēng)，不同開窗方式下室內(nèi)甲醛平均濃度隨時間變化曲線。模擬計算結(jié)果顯示，自然通風(fēng)是排除室內(nèi)甲醛的有效途徑，可短時間降低高濃度有害物。計算進行到120 s 后基本穩(wěn)定。通過曲線圖分析可知，窗戶開啟方式直接影響到甲醛的排放速率。五種開窗方式進行自然通風(fēng)時，室內(nèi)甲醛排放速率從大到小依次為：內(nèi)開平開窗＞推拉落地窗＞內(nèi)開下懸窗＞內(nèi)開上懸窗＞推拉半開窗。采用不同開窗方式，對應(yīng)的室內(nèi)甲醛濃度降至國家標準8×10-8kg/m3的時間快慢不同，具體時間統(tǒng)計表見表2。

表2 不同開窗方式下室內(nèi)甲醛濃度達標時間統(tǒng)計表

開啟門窗進行自然通風(fēng)，當換氣量達到一定時，采用不同開窗方式的室內(nèi)甲醛穩(wěn)定濃度趨于一致，均低于國家標準限值。采用內(nèi)開平開窗室內(nèi)甲醛衰減速率最快，在通風(fēng)15 s 后迅速降低至國家標準，在人體常駐性房間甲醛濃度較低且均衡。推拉半開窗因過流面積減半，導(dǎo)致通風(fēng)量減小而使室內(nèi)甲醛濃度衰減速率最慢。

圖6 不同開窗方式下人體呼吸區(qū)甲醛濃度分布圖（z=1.5 m 截面）

不同開窗方式下住宅內(nèi)部有害物濃度達到穩(wěn)定時，室內(nèi)人體呼吸區(qū)（z=1.5 m 截面）的甲醛濃度分布如圖6 所示。

對比分析呼吸區(qū)的濃度分布圖，處于下風(fēng)向的房間更容易積累甲醛，如次臥2，衛(wèi)生間1 與衛(wèi)生間2 都出現(xiàn)了不同程度的甲醛滯留現(xiàn)象，尤其是衛(wèi)生間2，因窗戶過流面積小且氣流多次轉(zhuǎn)向受阻，甲醛濃度高于其他房間?？蛷d與餐廳的進出風(fēng)口為正對位開窗，通風(fēng)氣流貫通，甲醛濃度相對較低。

采用內(nèi)開平開窗進行通風(fēng)，住宅通風(fēng)換氣量大、換氣次數(shù)高，穩(wěn)定時甲醛濃度較低。同時，內(nèi)開平開窗營造的自然通風(fēng)氣流均勻，易出現(xiàn)高污染房間中甲醛濃度明顯低于采用其他開窗方式，如廚房與衛(wèi)生間2。推拉落地窗雖然排出甲醛速率較快，但造成客廳及次臥1 局部甲醛排放受阻，氣流均勻性較差，導(dǎo)致室內(nèi)甲醛局部滯留。內(nèi)開下懸窗比內(nèi)開上懸窗的排放速率快，且排放效果更加均勻。推拉半開窗因開啟面積減半導(dǎo)致通風(fēng)換氣量減小，室內(nèi)甲醛局部堆積，上下風(fēng)向的臥室內(nèi)甲醛排放效果均不理想。

3.3 不同開啟角度數(shù)值模擬

上述分析得出，采用內(nèi)開平開窗住宅內(nèi)甲醛排放效果達到最佳。居民入住后由于生活習(xí)慣不同，通風(fēng)開啟角度也會有所差異，對于不同的開啟角度，通過CFD 數(shù)值模擬分析其對甲醛排放效果的影響。

圖7 表示采用內(nèi)開平開窗進行自然通風(fēng)，不同開啟角度下室內(nèi)甲醛平均濃度隨時間變化曲線。

圖7 不同開啟角度下室內(nèi)甲醛變化曲線圖

模擬結(jié)果顯示，在自然通風(fēng)條件下，平開窗的開啟角度與室內(nèi)甲醛排放效果呈正相關(guān)，開啟角度越大，住宅甲醛排放速率越快，甲醛濃度達標時間越短。在進行自然通風(fēng)后，不同開窗方式下住宅內(nèi)部污染物穩(wěn)定濃度基本一致，人體呼吸區(qū)（z=1.5 m 截面）甲醛濃度分布如圖8 所示。

由甲醛濃度分布云圖可推斷，窗戶開啟角度越大，住宅自然通風(fēng)的過流面積越大，室內(nèi)污染物排放效果越好，最終穩(wěn)定狀態(tài)時住宅內(nèi)部甲醛處于低濃的范圍越廣。當平開窗30°開啟時，進風(fēng)口過流面積小使得通風(fēng)換氣量較小，室內(nèi)氣流分布不均勻，甲醛排放速率較慢且穩(wěn)定狀態(tài)時分布不均衡，在遠離窗口及內(nèi)墻拐角處的區(qū)域容易出現(xiàn)甲醛滯留堆積現(xiàn)象。全開窗工況時，室內(nèi)處于低濃污染的面積最大，住宅常駐性房間的甲醛穩(wěn)定濃度趨于一致，維持在較低水平，有利于人體健康。平開窗60°開啟與全開窗的室內(nèi)甲醛分布特點基本一致，只在次臥1 出現(xiàn)局部的甲醛滯留現(xiàn)象，穩(wěn)定時甲醛平均濃度小于30°開啟工況，排放效果明顯提升。可見在開啟角度大于60°后，甲醛排放速率受開啟角度影響逐漸減小。

圖8 不同開啟角度下人體呼吸區(qū)甲醛濃度分布圖（z=1.5 m 截面）

4 結(jié)論

新裝修住宅甲醛污染超標嚴重，不適于人體居住與活動，須進行通風(fēng)換氣將室內(nèi)甲醛排至室外。本文通過CFD 數(shù)值模擬可得出，自然通風(fēng)能有效排除住宅內(nèi)的高濃度空氣污染物，使室內(nèi)甲醛濃度快速降低，達到國家衛(wèi)生標準，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

為保證室內(nèi)空氣質(zhì)量和人員健康，在裝修方案設(shè)計中提前考慮窗戶開啟方式，促進室內(nèi)甲醛及其他有害污染物的排放，使室內(nèi)空氣在自然通風(fēng)方式下便可達到相對潔凈的狀態(tài)。選用可開啟面積較大的內(nèi)開平開窗，定期打開外門窗進行自然通風(fēng)，將門窗最大角度開啟，增加開窗通風(fēng)時間，便于室內(nèi)污染物快速揮發(fā)和排出，減少室內(nèi)居民患病風(fēng)險。