裝修板材承載率及通風方式對室內甲醛質量濃度的影響

王海東 朱杰克 孫嬋娟

摘 要：為探究住宅建筑中裝修板材承載率及通風方式對室內甲醛質量濃度的影響，采用 EnergyPlus 軟件建立上海地區典型住宅計算模型，進行室內全年甲醛質量濃度模擬。根據上海地區全年室內甲醛質量濃度的實測數據驗證模擬結果的準確性，并采用該模型在3種通風方式（滲透通風、自然通風、機械通風）下檢驗現行標準中承載率限值及計算方法的可靠性。結果表明，按照現行標準中的板材承載率限值進行裝修，在3種通風工況下，上海地區典型住宅室內甲醛質量濃度超標率分別為14.37%～18.30%、8.36%～14.93%、1.92%～7.63%。自然通風和機械通風均能改善超標情況，其中機械通風的改善效果更明顯。因此，亟需修正現行標準中板材承載率限值及計算方法，以便更加準確地指導上海地區住宅室內裝修。

關鍵詞：住宅建筑通風；甲醛污染；全年模擬；甲醛質量濃度標準

中圖分類號： TU504 ??文獻標志碼： A

Effect of the loading rate of decorative boards and ventilation modes on indoor formaldehyde concentration

WANG Haidong，ZHU Jieke ，SUN Chanjuan

（School of Environment and Architecture， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：To explore the effects of loading rate of decorative boards and ventilation on indoor formaldehyde concentration， the calculation model of a typical residential department in Shanghai was established by EnergyPlus simulation software to simulate the indoor annual formaldehyde concentration. The accuracy of simulated data was verified by the measured results. The calculation model was used to test the reliability of limitation and calculation methods of loading rate in the present decoration standard under three ventilating modes such as infiltration ventilation， natural ventilation， and mechanical ventilation. The results show that the exceeding-standard rate of indoor formaldehyde concentration in a typical residential department in Shanghai was 14.37%～18.30%， 8.36%～14.93%， 1.92%～7.63% under three different ventilation modes， respectively when decoration was performed according to this standard. It was found that using natural ventilation and mechanical ventilation could reduce the exceeding-standard rate. The improvement caused bymechanical ventilation was more obvious. It proved that the limitation and calculation method in the present standard couldn t accurately guide the indoor decoration in Shanghai and the revision was required.

Keywords： ventilation of residential building; formaldehyde pollution; annual simulation; formaldehyde mass concentration standard

人有80%～90%的時間［1］在室內度過，因此室內空氣品質對于人員健康非常重要。已有檢測表明，室內可被檢測到的污染物種類有300多種［2］。近年來，對部分建筑采取的節能措施增強了房間的氣密性，減少了室內換氣次數，導致室內化學物質殘留濃度較高［3–5］。甲醛是住宅室內空氣中的首要污染物，因此研究室內甲醛污染控制策略對于保證人員健康以及提高室內空氣品質均具有重要意義［6–7］。室內污染物會使長期在室內生活、學習和工作的人員產生不適，從而引起病態建筑綜合癥（sick building syndrome， SBS）［8–9］。室內裝修所用人造板材是甲醛污染物的主要來源之一［10–11］。因此，控制室內裝修所用人造板材的用量對于控制室內甲醛污染至關重要，而承載率是衡量室內板材用量的重要指標，其定義為暴露在空氣中的材料表面積與房間面積的比值。

我國指導室內裝修的《住宅建筑室內裝修污染控制技術標準》（?JGJ/T 436—2018）［12］中對住宅建筑室內裝修所用人造板材按照甲醛散發強度進行了等級劃分，不同等級的人造板材承載率限值不同，甲醛散發強度也不同。通風換氣是減輕室內空氣污染的主要方法之一，但?JGJ/T 436—2018中僅將換氣次數設置為0.45次·h?1。通風不足時化學物質可長時間滯留在室內，從而增加了人員接觸化學物質的風險［13–14］。法國某研究［15］表明學校建筑中使用機械通風可使室內甲醛濃度始終保持在較低水平。考慮到目前甲醛檢測耗時、耗力，且費用較高、準確度不高等缺點［16–18］，利用 EnergyPlus 軟件建立上海地區典型住宅計算模型并模擬全年室內甲醛質量濃度能很好地解決這些問題。為研究 JGJ/T 436—2018中板材承載率、甲醛散發強度及通風方式對室內甲醛質量濃度的影響，本文分別進行模擬和實測分析，以便為指導裝修、確保室內甲醛質量濃度達標提供依據。

1 上海地區典型住宅計算模型建立

本文選取上海某典型高層住宅中的一戶為參照建筑開展模擬研究。該住宅位于標準層6層，層高3.0 m。基于EnergyPlus 軟件建立上海地區典型住宅計算模型。圖1為上海地區典型住宅戶型圖。

模擬過程中的已知參數為室外氣象數據和室外全年 PM2.5質量濃度，其余輸入條件的設置如下。

1.1 人員 CO2散發強度

本文以上海工薪階層的四口之家為典型案例，參考文獻[19]設置全年逐時住宅模型中室內人員數量及停留時間，結果如表1所示。

住宅內?CO2來源于室內人員散發和室外大氣。根據實測，室外?CO2體積分數為0.04%；室內?CO2來源主要為室內人員散發。在上海地區典型住宅計算模型中基于美國采暖、制冷與空調工程師學會（ASHRAE）標準第62.1條的規定［20］，設置人均?CO2散發強度?Va 為3.82×10?8 m3· s?1·W?1。室內人員 CO2總散發量為

式中： Vt 為室內人員 CO2總散發量， m3；P 為人員數量，人； T 為人員室內停留時間， s； M 為人員新陳代謝量， W。

人員數量 P 和停留時間 T 按表1設置。本文主要研究對象為住宅中的臥室，在夜間臥室內人員均處于睡眠狀態，此時室內人員新陳代謝量的設置參考 ASHRAE 標準第55條規定［21］。

1.2 通風方式

1.2.1 滲透通風

住宅內門窗關閉，僅靠門窗縫隙的滲透新風稀釋室內污染物。本文模型中建筑的氣密性參考室內環境與兒童健康研究上海地區課題（CCHH）［22］中的實測數據進行設置。

1.2.2 自然通風

上海大多數住宅均采用自然通風，窗戶的開啟情況會對室內空氣質量和能耗產生影響。居住者的開窗行為與室外溫度及污染情況有關。為貼合實際情況，在此對比兩種開、關窗模式。

模式一，依據 Lai 等［23］對全國5個不同氣候區的檢測結果，設置夏熱冬冷地區住宅內臥室的開、關窗時間。

模式二，自然通風的開、關窗規則根據室外溫度及?PM2.5質量濃度設定。室外溫度過高或過低都會影響人員的開窗行為。文獻[19]中以室內設計溫度18、26℃為開窗依據。本文考慮到人員對溫度的可接受度，參照文獻[24]對夏熱冬冷地區舒適區溫度進行取值，最終確定室外適宜的開窗溫度為16～28℃。同樣，室外?PM2.5質量濃度亦會影響人員的開窗行為［21］。當室外?PM2.5質量濃度小于35μg ·m?3時，空氣質量達到優，則開窗。綜上，室外溫度在16～28℃?， PM2.5質量濃度小于35μg ·m?3時，室內人員開窗并關閉室內空調進行自然通風，開窗面積為窗戶最大可開啟面積的1/4。

將兩種自然通風的開、關窗模式輸入上海地區典型住宅計算模型中，模擬得到全年逐時CO2體積分數，并將其與實測值進行對比，結果如表2所示。可見，模擬值和實測值區間分布相似，但模式二下 CO2體積分數（中位數）更貼合 CCHH 實測值。因此，本文選取模式二的開、關窗規則用于模擬分析。

1.2.3 機械通風

在一些較高檔的住宅中，居民為了獲得更好的室內空氣品質選擇機械通風。本文是針對我國上海地區住宅的研究，因此采用我國設計標準《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736—2012）［25］中計算居住建筑室內設計新風量的方法，根據各房間面積和所對應的每小時換氣次數計算風量，得到設計新風量，結果如表3所示。

2 上海地區典型住宅計算模型驗證

對上海地區典型住宅計算模型的可靠性進行驗證。關窗時滲透通風換氣次數代表房間的氣密性，通過實測獲得滲透通風換氣次數可對模型的氣密性參數進行有效驗證。住宅中若人員數量相對固定，房間換氣次數可通過室內 CO2體積分數的變化來計算。

2.1 換氣次數的計算方法

根據被測室內示蹤氣體的稀釋和累積情況，檢測其濃度變化，并基于該變化趨勢通過質量守恒原理進行求解，即可得到房間換氣次數。本文中認為室內人員為 CO2的釋放源頭，即

式中：?V 為房間的體積，m3；τ為時間，s ；Q 為通風量，?m3· s?1；?Co 為室外示蹤氣體的體積分數，?mL ·m?3；?Ci 為τ時刻室內示蹤氣體的體積分數，mL ·m?3；R 為單位時間內示蹤氣體的散發量，?m3· s?1。

在使用 CO2作為示蹤氣體時， Co 為室外 CO2體積分數， Ci 為室內逐時 CO2體積分數， R 為室內人員 CO2散發量，其值可根據室內人員的身高、體重進行計算。

2.2 驗證結果

為了計算全年實測換氣次數，采用 CCHH于2014年1月—12月入戶檢測得到的全年數據，并選取其中104戶夜間23點至次日早上6點臥室內逐時 CO2體積分數。該時段內人員處于相對穩定的睡眠狀態，CO2散發源穩定。該時段內房間門窗關閉，房間的氣密性未發生明顯改變。但由于部分時段數據不完整，最終選取每戶全年中1860 h 的逐時 CO2體積分數，并結合實測得到的室外逐時 CO2體積分數及房間體積，計算夜間實測逐時換氣次數。

模擬時通風工況為根據實測設置的門窗完全關閉時的滲透通風，室外參數根據實測值設置，室內人員 CO2散發情況按照1.1節設置。對上海地區典型住宅計算模型中臥室1全年8760 h 逐時 CO2體積分數進行模擬，并選取與實測值對應的1860 h 逐時 CO2體積分數的模擬值。基于 CO2體積分數的變化，根據三角形質心迭代的定位算法（point-in-triangulation ，PIT）并借助 EXCEL 軟件計算夜間23點至次日早上6點臥室內的換氣次數，將實測值與模擬值分布情況進行對比，結果如圖2所示。從圖中可以發現，臥室內夜間換氣次數的模擬值分布與實測值分布接近，尤其是兩者的中位數相差不大，證明根據 CO2體積分數變化模擬得到的換氣次數較為準確。由此說明模型中室內、室外大氣之間的氣體交換情況與實際情況相近。由于本文需獲得室內甲醛質量濃度數據，且室內甲醛質量濃度與甲醛散發源和房間通風方式有關，在甲醛散發源不變時影響甲醛質量濃度的只有通風方式，因此，只要模型中室內、室外大氣之間的氣體交換情況較為精準，就可采用該模型來計算室內甲醛質量濃度。

3 承載率驗證

3.1 標準依據

參照?JGJ/T 436—2018中對室內空氣等級Ⅲ（室內甲醛質量濃度不大于80μg ·m?3）的要求，計算得到不同等級板材的承載率，并結合板材的甲醛散發強度上、下限模擬得到全年室內甲醛質量濃度。考慮到目前對室內空氣品質要求的提升以及新標準?GB/T 18883—2022[26]中對室內甲醛質量濃度要求（不超過80μg ·m?3，這與?JGJ/T 436—2018中對室內空氣等級Ⅲ的要求一致）的降低，為使本研究成果更具代表性，將80μg ·m?3作為室內甲醛質量濃度是否超標的參照標準。

JGJ/T 436—2018中規定，在住宅裝修設計前期應對室內材料的用量進行控制，其中板材的用量按照其暴露在空氣中的面積計算，并將同等釋放率的板材面積相加。本文假設室內均使用同等釋放率的板材，且各板材均滿足該標準的散發強度要求，在此根據 JGJ/T 436—2018中的材料污染物釋放率控制法進行分析，具體計算方法見式（3）～（4）。考慮到等級 F1板材的甲醛散發強度較低，故對等級 F1板材的使用不設置限制。

式中：NFi 為污染物釋放等級為 Fi 的板材承載率標準限值；SFi 為污染物釋放等級為 Fi 的板材面積限值，m2；A 為房間面積，m2；i 為板材的污染物釋放率等級，取2、3、4；α為溫度修正系數，在此取1。

3.2 板材承載率和甲醛散發強度計算

根據上海地區典型住宅計算模型和式（3）～（4）計算各房間內不同污染物釋放等級板材的承載率標準限值 NFi、板材面積限值 SFi 和單位時間內的甲醛散發強度 EFi。各等級板材單位面積的甲醛散發強度是一個范圍值，分別計算其上限、下限，結果如表4所示。

4 模擬結果

將表4中的參數輸入上海地區典型住宅計算模型中，動態模擬全年室內甲醛質量濃度，并計算室內甲醛質量濃度超標率，結果如表5所示。根據表5分析可得，3種不同等級（F2、F3、F4）板材甲醛散發強度取下限值時，室內甲醛質量濃度在全年不保證5天原則下（超標率不超過1.37%），室內甲醛質量濃度均不超標，超標率最高為1.21%。因此，下文只分析9種工況中取板材甲醛散發強度上限值時的室內甲醛超標情況。按照表5繪制各房間室內甲醛質量濃度超標率隨板材等級的變化圖，結果如圖3所示。可見，當選取保證室內空氣質量等級Ⅲ級板材承載率標準限值，且選用3種等級板材的甲醛散發強度上限時，對住宅模型中4個房間全年室內甲醛質量濃度進行模擬，結果表明，在全年不保證5天原則下（超標率不超過1.37%），室內甲醛質量濃度（大于80μg ·m?3）均超標。

4.1 板材等級及板材承載率對室內甲醛質量濃度超標率的影響

在分析單個房間室內甲醛質量濃度超標率時發現，相同通風方式下隨著板材等級上升 （F2

4.2 通風方式對室內甲醛質量濃度超標率的影響表6為通風方式對室內甲醛質量濃度超標率的影響。可見，在板材等級相同時，在滲透通風工況下室內甲醛質量濃度超標率最大。以滲透通風工況為基礎，自然通風使臥室1的甲醛質量濃度超標率最多減少3.66%，使臥室2的最多減少4.14%，使臥室3的最多減少4.59%，使起居室的最多減少6.02%；機械通風能使臥室1的甲醛質量濃度超標率最多減少11.03%，使臥室2的最多減少11.60%，使臥室3的最多減少11.68%，使起居室的最多減少12.71%。這是因為機械通風量大于自然通風量，室內換氣頻率提高導致室內甲醛質量濃度超標率下降。

5 結論

本文利用 EnergyPlus 軟件建立上海地區典型住宅計算模型，在3種通風方式（滲透通風、自然通風、機械通風）下對采用 JGJ/T 436—2018中的3種等級板材（F2、F3、F4）裝修的4個房間（臥室1、臥室2、臥室3、起居室）進行模擬，得到全年室內甲醛質量濃度超標情況。主要結論為：

（1）在3種通風方式下，當選取保證室內空氣質量等級Ⅲ級的板材承載率標準限值，且選用3種等級板材（F2、F3、F4）的甲醛散發強度上限時，在全年不保證5天原則下（超標率不超過1.37%），4個房間（臥室1、臥室2、臥室3、起居室）的全年室內甲醛質量濃度（大于80μg ·m?3）均超標，且超標率在1.92%～18.30%之間；3種等級板材的甲醛散發強度取下限值時，在全年不保證5天原則下，各房間室內甲醛質量濃度均不超標。

（2）相同通風方式下隨著板材等級上升，4個房間室內甲醛質量濃度超標率變化趨勢一致，即超標率上升不顯著，最大上升幅度為0.96%。這表明按照 JGJ/T 436—2018進行裝修時，板材等級及板材承載率標準限值的同步變化對室內甲醛質量濃度超標的影響較小。

（3）板材等級相同時，增大室內通風量能降低室內甲醛質量濃度超標率。與滲透通風相比，自然通風能使室內甲醛質量濃度超標率降低3.37%～6.02%；機械通風能使室內甲醛質量濃度超標率降低10.59%～12.71%。可見，機械通風能顯著改善室內甲醛質量濃度超標情況。

（4）按照 JGJ/T 436—2018中推薦的方法計算得到的3種等級板材承載率限值，無法滿足3種通風方式下甲醛污染濃度限值的要求。建議將標準中板材承載率限值降低，或在承載率限值不變的情況下將對應的板材甲醛散發強度上限降低，并根據通風情況分類規定。

參考文獻：

［1］ KIM Y M， HARRAD S， HARRISON R M. Concen trations and sources of VOCs in urban domestic and public microenvironments[J]. Environmental Science & Technology， 2001， 35（6）：997-1004.

［2］彭玉丹.室內空氣環境甲醛污染的數值模擬和風險評價[D].天津：天津大學， 2010.

［3］ WANG Z， BAI Z， YU H， et al. Regulatory standards related to building energy conservation and indoor-air-quality during rapid urbanization in China[J]. Energy and Buildings， 2004， 36（12）：1299-1308.

［4］ MCGILL G， OYEDELE L O， MCALLISTER K. An investigation of indoor air quality， thermal comfort and sick building syndrome symptoms in UK energy efficient homes[J]. Smart and Sustainable Built Environment， 2015， 4（3）：329-348.

［5］?BIRMILI W， DANIELS A， BETHKE R， et al. Formaldehyde， aliphatic aldehydes （C2?C11）， furfural， and benzaldehyde in the residential indoor air of children ?and ?adolescents ?during ?the ?German Environmental Survey 2014–2017（GerES V）[J]. Indoor Air， 2022， 32（1）：e12927.

［6］ SALTHAMMER T. The formaldehyde dilemma[J].International Journal of Hygiene and Environmental Health， 2015， 218（4）：433-436.

［7］ BLONDEL A， ?PLAISANCE H. Screening of formaldehyde indoor sources and quantification of their emission using a passive sampler[J]. Building and Environment， 2011， 46（6）：1284-1291.

［8］ SUN Y X， HOU J， CHENG R S， et al. Indoor air quality， ventilation and their associations with sick building syndrome in Chinese homes[J]. Energy and Buildings， 2019， 197：112-119.

［9］ NAKAOKA H， TODAKA E， SETO H， et al. Correlating the symptoms of sick-building syndrome to indoor VOCs concentration levels and odour[J]. Indoor and Built Environment， 2014， 23（6）：804-813.

［10］中華人民共和國住房和城鄉建設部.民用建筑工程室內環境污染控制標準： GB 50325—2020[S].北京：中國計劃出版社， 2020.

［11］李蒙蒙， 任繩鳳， 常茹， 等.板式家具甲醛濃度散發實測[J].環境化學， 2017， 36（5）：960-966.

［12］中華人民共和國住房和城鄉建設部.住宅建筑室內裝修污染控制技術標準： JGJ/T 436—2018[S].北京：中國建筑工業出版社， 2018.

［13］ ENGVALL K， WICKMAN P， NORB?CK D. Sick building syndrome and perceived indoor environment in relation to energy saving by reduced ventilation flow during heating season： a 1 year intervention study in dwellings[J]. Indoor Air， 2005， 15（2）：120-126.

［14］?SEPP?NEN O. Ventilation strategies for good indoor air quality and energy efficiency[J]. International Journal of Ventilation， 2008， 6（4）：297-306.

［15］ LIAUD C， ?CHOUVENC S， ?LE CALV? ?S. Simultaneous monitoring of particle-bound PAHs insidea low-energy school building and outdoors over two weeks in France[J]. Atmosphere， 2021， 12（1）：108.

［16］ ROCHA F R， COELHO L H G， LOPES M L A， et al. Environmental formaldehyde ?analysis by ?active diffusive sampling with a bundle of polypropylene porous capillaries ?followed by capillary zone electrophoretic separation and contactless conductivity detection[J]. Talanta， 2008， 76（2）：271-275.

［17］ SALTHAMMER T， MENTESE S， MARUTZKY R. Formaldehyde in the indoor environment[J]. Chemical Reviews， 2010， 110（4）：2536-2572.

［18］ DANNEMILLER K C， MURPHY J S， DIXON S L， et al. Formaldehyde concentrations in household air of asthma patients determined using colorimetric detector tubes[J]. Indoor Air， 2013， 23（4）：285-294.

［19］蘇州.華北地區住宅通風與空氣凈化性能評估[D].大連：大連理工大學， 2018.

［20］ ANSI/ASHRAE 62.1-2016 Ventilation for acceptable indoor air quality[S]. Atlanta： ASHRAE， 2016.

［21］ ANSI/ASHRAE 55-2017 Thermal ?environmentalconditions for human occupancy[S]. Atlanta： ASHRAE， 2017.

［22］ HUANG C， LIU W， CAI J， et al. Household formal dehyde exposure and its associations with dwelling characteristics， lifestyle behaviours， and childhood health outcomes in Shanghai， China[J]. Building and Environment， 2017， 125：143-152.

［23］ LAI D Y， JIA S S， QI Y， et al. Window-opening behavior in Chinese residential buildings across different climate zones[J]. Building and Environment， 2018， 142：234-243.

［24］茅艷.人體熱舒適氣候適應性研究[D].西安：西安建筑科技大學， 2007.

［25］中華人民共和國住房和城鄉建設部.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范： GB 50736—2012[S].北京：中國建筑工業出版社， 2012.

［26］國家市場監督管理總局， 國家標準化委員會.室內空氣質量標準：GB/T 18883—2022[EB/OL].[2022?07?11]. https：//std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed？id=E3 C42FB7AC9F2086E05397BE0A0A19F0.