不同氣流組織對空間內甲醛濃度影響的模擬研究進展

汪澳林，張 健

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730000)

1 前言

室內的空氣品質和人體健康水平緊密相關[1]，人們在室內度過的時間遠遠超過在室外，室內主要包括人們生活的臥室、客廳、辦公室、教室等空間，隨著社會的發展，人們對室內空氣品質做出了更近一步的要求。近年來，病態建筑綜合癥(SBS)、建筑相關疾病(BRI)[2～4]嚴重影響著人們的身體健康，其中主要有害物質是甲醛(CHOH)，室內甲醛主要來源是室內裝修材料，具有累積性、長期性、有毒性等特點[5，6]，且經過治理達標的室內環境可能會有甲醛濃度反彈超標的問題。在對甲醛的相關測試中，甲醛的超標率甚至超過70%，且超標的程度很嚴重[7，8]。我國現行《室內空氣質量標準》規定[9]：室內空氣中最高允許甲醛濃度為0.1 mg/m3。甲醛對人體造成的具體影響如表1所示[10]。

表1 不同甲醛濃度對人體的影響

本文針對CFD模擬相較于其他方法，具有速度快、成本低、可模擬多種工況的優點，通過總結室內甲醛氣流組織模擬問題，給出了湍流模型的選擇、物理模型的假設、不同氣流組織因素對室內甲醛濃度的影響，并提出了一些凈化甲醛的方法和今后關于對室內甲醛數值模擬的研究方向。

2 模型的選擇

對于室內室內氣流組織對甲醛的影響CFD模擬，選擇的模型多為k-湍流模型和組分輸運(Species Transport)模型，湍流模型主要選擇Standard k-模型，組分輸運模型中Reaction選擇Volumetric模型。然后定義甲醛的Material屬性，混合材料中設置甲醛和空氣的屬性，甲醛的散發為質量出口(Mass flow inlet)，并定義質量出口的大小，其他出口邊界條件根據實際情況做出選擇。

2.1 基本控制方程

基本控制方程[11]由式(1)表示為：

(1)

質量守恒方程：φ=1，Γ=0、S=0；

能量守恒方程：φ為溫度T、Γ為擴散系數k/c、S為ST。

2.2 組分輸運模型

組分輸運模型是對室內空氣與甲醛的分布情況進行模擬，組分輸運模型[12]由式(2)表示為：

(2)

式(2)中：ux、uy、uz分別是x、y、z方向的速度，m/s；s(x，y，z)是任意一點的擴散強度；C為甲醛的質量濃度，mg/m3。

3 模型假設

對于CFD而言，需要對所模擬的空間和氣流組織做出假設，一般模擬室內甲醛在氣流組織中的假設有：

(1)室內空氣和甲醛的流動符合Boussinesq假設[13]，即穩態、不可壓流體、具有高紊流雷諾數的流動過程。

(3)忽略從窗及門縫等位置滲入外部空氣的情況，且甲醛的擴散過程為單一的物理過程，不會因為表面濃度系數改變而擴散。

(3)室內污染物只有甲醛單一物質且家具中甲醛均勻散發，甲醛初始濃度設定需要根據具體情況而定。

4 氣流組織

室內的送風方式主要有異側或同側上送下回、異側或同側下送上回、地板送風，置換通風，側送下回、側送上回等(圖1～5)；CFD數值模擬主要任務是通過對比不同送風方式所模擬出來的結果，分析室內氣流組織對甲醛和人體舒適性的影響[14]。

圖1 異側上送下回

4.1 氣流組織模擬

甲醛在室內的擴散遵循壓力差原理和濃度梯度原理，因此室內進行有效的通風換氣可以顯著的降低室內甲醛的濃度水平[15]。Hao Hong通過測試分析了住宅裝修1個月和10個月后甲醛濃度的情況，并利用模擬軟件數值模擬了被裝修房屋在封閉、自然通風和機械通風條件下甲醛的分布，模擬結果表明，在封閉條件下，住宅內的甲醛濃度最高；以原封閉條件下甲醛濃度為基準，當自然通風風速0.2 m/s時，客廳內的甲醛濃度降低至原封閉條件下的60%；自然通風風速為2 m/s時，甲醛濃度降低至原封閉條件下的20%，機械通風風速為2 m/s時，甲醛濃度降低至原封閉條件下的50%[16]。氣流速度影響室內甲醛的含量，因此增加室內的通風量對降低室內甲醛濃度有著很重要的作用。

圖2 單側上送上回

圖3 同側上送下回

圖4 同側下送上回

圖5 地板送風

對于房間內氣流組織形式，Wu Jingtao[17]基于Airpak軟件建立了醫院病房的物理數學模型，得出房間內速度分布、空氣齡分布、甲醛濃度分布及預測平均投票(PMV)、預測不滿意百分比(PPD)分布，隨后通過增加一倍的風量，模擬了室內污染物濃度分布的變化和空氣齡的變化，通過對污染物濃度分布的模擬結果認為，當室內污染物濃度較高時，應適當增加送風流量，并合理布置送風口的位置，使室內的污染物盡快排出。最近徐子涵又采用Airpak軟件模擬了側送上回、側送下回、上送下回3種氣流組織形式方式，通過比較各送風方式下的室內甲醛濃度分布情況，得出側送上回方式下甲醛的濃度分布最為理想，而上送下回和側送下回方式則不利于室內甲醛的消散[18]；張牛牛[19]通過CFD軟件模擬了上側進下側出、下側進上出和置換通風方式在0.1 m/s、0.25 m/s、0.4 m/s三種通風速度下的室內氣流組織，對比分析模擬結果的速度場、甲醛濃度場，認為速度場和甲醛濃度場有很好的耦合性，對于送風速度為0.4 m/s的下側進上出氣流組織形式最佳，能更好的排出甲醛。

不同氣流組織形式對排出室內甲醛的效果不同，選用適宜的氣流組織形式對室內甲醛的凈化和排出至關重要。

甲醛的濃度分布還有一部分受室內家具擺放位置的影響，對于地板送風方式和置換通風的CFD模擬，通過對比分析室內的溫度場、速度場以及甲醛的濃度場。得出地板送風較傳統的空調系統更為節能，且地板送風較其他通風方對甲醛排放效果更好，但是在地板送風中，房間內存在明顯的溫度分層現象，但是地板送風對設計和施工要求高，對層高也有一定的要求，價格也比較高，因此地板送風方式并未在我國得到大力推廣。對置換通風房間內的甲醛擴散模擬及分析得出，甲醛濃度出現分層現象，且隨著位置越高，甲醛濃度越高，在家具和房間角落由于有阻力產生的渦旋導致局部氣流組織發生改變，致使甲醛無法排出，在其附近及回風口位置甲醛含量也較高[20,21]。置換通風相較于地板送風排出甲醛效果更好，能稀釋室內甲醛濃度的目的，在實際工程應用中，通過合理布置家具的位置，使通風與室內空間布局相結合也能在一定程度上使室內保持一個健康舒適的環境。

具體選用什么氣流組織形式應該根據具體情況而定，以能夠產生均勻、對人體無不舒適感的氣流組織形式最佳。張磊[22]通過比較辦公間下送頂回、頂送下回、同側上送下回、異側上送下回4種典型氣流組織的模擬結果，得出在相同的室內條件下，頂送下回時辦公間內的空氣質量最佳。同側送回風能有效減小室內甲醛的濃度，在選擇通風參數上，應根據甲醛的散發強度，選擇合適的送風速度、入口風速、進回風口高度及進回風口相對位置[23,24]，以達到室內空氣品質的要求。

送風量的大小對甲醛濃度和室內空氣齡有很大的影響，對人體舒適度和室內污染物濃度分布有著極其重要的作用。在解剖實驗室中[27]，甲醛用于防腐劑，導致室內甲醛污染嚴重，利用組分輸運模型模擬解剖實驗室模型下的孔板送風、門窗進風側下排風、側上送側下排風三類通風形式的氣流組織和甲醛濃度場，通過對比分析可以得出送風方式對室內甲醛濃度場影響很大。在交通工具方面，N.E.A.Shafie團隊利用計算流體力學軟件建立了客車車廂的簡化三維模型，考慮了置換通風和地板送風兩種通風系統，通過模擬的結果表明，與置換通風系統相比，地板下配風系統能更有效地降低客艙內氣體和顆粒物的濃度[25]。曾雯以甲醛為污染物研究對象，運用流體數值計算軟件FLUENT 分析甲醛在車內的分布特點。通過改變送回風方式、送風速度、送風角度，對車內速度和甲醛的分布情況進行了數值模擬計算送風方式為前送風和中送風，回風方式為前回風，送風速度設置為3 m/s，送風角度為45°，然后以上述的氣流組織方式為基礎，對甲醛污染源位置在車內不同位置對車內人員呼吸區域甲醛濃度的影響發現[26]，因此一方面，甲醛污染源的位置對車內人員呼吸區域甲醛濃度有很大的影響，需要控制通風位置，使污染源散發的甲醛更快排出；另一方面，需要控制送回風形式和各項送風參數以保證能夠有效的排出室內污染物的目的。

室內甲醛的污染濃度受多種因素的影響，其中氣流組織對甲醛濃度的影響更為重要，在選用合理的氣流組織條件下，輔助一定的凈化設備，對營造一個健康舒適的室內環境尤為重要。

4.2 控制室內空氣中甲醛污染的措施

(1)裝修材料要選用環保型材料，從源頭上降低甲醛的散發量；在選購家具時，應選擇刺激性氣味較小的產品，即甲醛含量低的產品。

(2)通過合理的氣流組織排出室內家具所散發的甲醛，不僅能節約能耗，還能加快排出甲醛的效率，使室內的空氣品質滿足標準條件。

(3)使用空氣凈化器消除室內的甲醛，空氣凈化器的種類很多，可以對比不同凈化器的優缺點，選擇合適的凈化器；對于低濃度的甲醛，可以種植對甲醛有較好的吸收效果的觀賞類植物來吸收凈化。

5 結論與展望

(1)由于模擬的不確定性，且只考慮單一因素對氣流組織模擬結果的影響，在今后CFD模擬研究中，需要用實驗進行輔助驗證模擬的準確性和添加多因素影響分析，也適用于模擬其他污染物的分布情況。

(2)由甲醛的散發模型可得，室內溫度越高，材料中甲醛的散發速度越快，在實際的氣流組織條件下，送風還需要考慮通風效率與熱舒適效果，選用合適的送風溫度，對于降低能耗、增強人體的熱舒適有著重大的意義。

(3)室內家具布置一定程度上影響室內的氣流組織，不利于甲醛的消散，還應合理擺放家具的位置，使室內空間設計和室內通風相結合，達到更好稀釋室內甲醛的目的。

(4)室內的甲醛濃度不僅受氣流組織形式的影響，氣流速度、送回風位置、送風角度、室內甲醛污染源的位置等因素也影響著室內甲醛濃度。