室內揮發性有機化合物綜合散發量及其特征

王 軍,張 旭

(同濟大學暖通空調研究所,上海 200092)

1 前 言

自上世紀 70年代開始,建筑節能問題日益得到普遍關注,而降低新風負荷也就成為主要的節能措施之一[1]。然而,病態建筑綜合癥 (sick building syndrome,SBS)等問題的出現使人們認識到保證建筑新風量是構建健康建筑 (health building, HB)的必然選擇[2～4]。因此,合理確定建筑新風量指標對協調建筑節能與室內舒適健康要求之間的關系具有重要的意義。

影響室內所需新風量大小的重要因素之一是室內污染物的綜合散發量,即為了達到要求的污染物濃度控制水平通風所需要排除的室內污染物散發量。建材和飾材是室內重要的空氣污染來源[5,6],而其所產生的室內揮發性有機化合物 (voitaile organic componds,VOCs)綜合散發量不僅取決于材料的散發機制 (源特性,source behavior),而且還與室內表面的凈吸收即吸收解吸綜合作用 (匯效應,sink behavior)有關。盡管目前已有部分學者對材料自身在小室內的散發特性和吸收解吸過程進行了研究并提出相應的模型[7～15],并且國內部分學者也曾嘗試對材料散發模型進行優化和改進[16,17],但對于在建筑污染源特性與匯效應耦合作用條件下,室內VOCs綜合散發量的變化特征還有待進一步研究。本文以 VOCs為建筑污染物指標,通過分析建筑污染的源特性及室內表面的匯效應,構建室內VOCs綜合散發量計算模型,并著重研究三類參數對室內 VOCs綜合散發量的影響特征,從而為合理確定室內建筑新風量指標提供理論依據。

2 源特性與匯效應機制

2.1 建筑污染的源特性

建材飾材的VOCs散發機理包括 3個方面[7,8],即VOCs在材料內部的擴散,由濃度梯度和擴散系數控制,遵循 Fick第二定律;材料表面和濃度邊界層界面之間的分子擴散;主流空氣層中的對流擴散,如圖1所示。

圖1 建筑污染的源特性Fig.1 Source behavior of building pollution

為了給出建筑污染源散發特性的數學描述,需做出如下假設[7～13]：

(1)基于對建筑污染長期影響的考慮,本文以干材料為研究對象,即考慮低劑量、長時間、慢衰減散發,且以擴散為主導特性;

(2)材料內部VOCs擴散遵守 Fick定律;

(3)材料內部VOCs擴散系數和界面分離系數不隨濃度變化而變化;

(4)忽略溫度差、電場或磁場等導致的分子擴散;

(5)界面處的VOCs傳遞過程始終處于平衡狀態;

(6)VOCs的散發過程為純物理過程,不考慮化學反應;

(7)室內存在多種材料時,VOCs各組成成分之間不發生化學反應或影響;

(8)材料底層不發生質量傳遞,與空氣接觸一側為對流擴散傳質。

材料內部VOCs的一維傳遞過程為：

同時,根據 Henry定律可知在界面處材料表面VOCs濃度與濃度邊界層 VOCs濃度在常溫常壓下存在以下平衡關系[8]：

建筑污染源VOCs散發問題的邊界條件和初始條件為：

式中：Cm(t)為材料內部 VOCs濃度,μg/m3;x為沿傳遞方向的線性距離,m;t為傳遞時間,h;Dm為材料內部VOCs的擴散系數,m2/s;de為材料的厚度,m;Km為氣固界面分離系數;Ca,interface(t)為界面處濃度邊界層VOCs濃度,μg/m3;hm為對流傳質系數,m/s;Ca,∞(t)為主流空氣中VOCs濃度,μg/m3。

2.2 室內表面的匯效應

建筑室內薄材料表面對室內 VOCs存在匯效應,從而影響室內VOCs的傳遞和去除,并進一步改變室內VOCs濃度的分布與水平。室內薄材料表面對VOCs的匯效應包括VOCs在主流空氣中的對流擴散傳質、空氣與材料分界面處的擴散傳質以及材料中的內部擴散 3個方面[14],如圖 2所示。

圖2 室內表面的匯效應Fig.2 Sink behavior of indoor surface

為了建立室內表面匯效應的數學描述,需做出如下假設[14,15]：

(1)材料為均質材料;

(2)材料內部和空氣中 VOCs擴散遵守 Fick定律;

(3)材料內部VOCs擴散系數和界面分離系數恒定;

(4)溫度差、電場或磁場等對VOCs擴散的影響忽略。

首先,在主流空氣層中由對流擴散作用引起的VOCs氣相傳質速率為：

其次,在空氣與材料分界面處,瞬時相平衡條件成立,根據 Henry定律可得：

在匯效應過程中,當VOCs在空氣與材料表面之間發生質量遷移以后,VOCs將在材料內部擴散,即：

室內表面匯效應問題的邊界條件和初始條件為：

式中：hsinkm為對流傳質系數,m/s;Csinkm(t)為材料中 VOCs濃度,μg/m3;Ksinkm為氣固界面分離系數;Dsinkm為材料中 VOCs的擴散系數,m2/s;ds為材料的厚度,m;y為沿傳遞方向的線性距離,m。

3 室內VOCs綜合散發量計算模型

建筑污染源作用所產生污染物的量與室內表面匯效應所轉移污染物的量均與室內空氣暴露面積有關。為此,引入建筑污染源作用面積占室內空氣暴露面積比例系數ψ1和匯效應發生面積占室內空氣暴露面積比例系數ψ2,并且ψ1和ψ2須滿足：

從而,室內VOCs綜合散發量為：

或

式中：A為室內表面總面積,m2;qB為單位源材料面積所產生的室內 VOCs綜合散發量,mg/ (m2.h)。

值得指出的是,隨著建筑空間使用時間的增加,建筑污染源發生表面散發污染物的量將逐漸減小,而匯效應發生表面累積污染物的量將不斷增加,經歷足夠長的時間以后,匯效應發生表面將轉化為二次源,而源發生表面在傳質推動勢作用下將出現匯效應。因此可以認為,建筑污染源特性與室內表面匯效應耦合機制的存在具有長期性。

4 室內VOCs綜合散發量變化特征

嚴格講,在建筑污染的源特性和室內表面的匯效應綜合作用下室內空氣中VOCs濃度水平將經歷初期的非穩定階段、中期的近似穩定階段(通常使用階段,時間最長)和末期的非穩定階段。由于室內建筑新風量指標的確定主要是針對建筑通常使用階段,因此本文對室內VOCs綜合散發量變化特征的分析將主要考慮近似穩定階段。

另一方面,通過對建筑污染源特性和室內表面匯效應機制分析可以發現,材料內部VOCs擴散系數、氣固界面分離系數、材料厚度是影響源特性和匯效應的主要參數。由于存在臨界時間,材料中VOCs初始濃度的影響可以忽略。為此,將分別考慮建筑污染源作用材料和室內表面匯作用材料的 3類參數在近似穩定階段的同一時刻對室內VOCs綜合散發量的影響。

圖3 建筑空間及其源匯分布Fig.3 Building space and its source sink distribution

4.1 材料內部擴散系數的影響

材料內部擴散系數是表征材料內部VOCs分子擴散能力的物性常數,與材料結構、類型、VOCs性質等有密切關系。當 Km=1000,de=0.012m, Dsinkm=1.0×10-12m2/s,Ksink=1000,ds=0.005m且源材料初始濃度為 5.28×107μg/m3,匯表面初始濃度為 0時,圖 4(a)給出了近似穩定階段 (t= 40h)這一時刻建筑污染源材料內部擴散系數在無匯效應和有匯效應條件下對室內VOCs綜合散發量的影響關系。由 4(a)可以發現,當其他參數一定的情況下,建筑污染源材料內部擴散系數越大,室內VOCs綜合散發量越高;同時,對于相同的源材料內部擴散系數,有匯效應的室內 VOCs綜合散發量要比無匯效應的相應結果偏低,且源材料內部擴散系數越大,二者的差別越明顯。

圖4 材料內部擴散系數的影響Fig.4 Influence ofmaterial diffusion coefficient

出現以上現象的原因在于在一定的傳質推動勢下內部擴散系數提高會增加建筑污染源材料單面面積的散發強度;與此同時,匯表面的存在會吸收部分VOCs,而源的散發水平提高會增大室內匯作用的推動勢,從而使匯效應的影響更加明顯。

圖4(b)給出了當 Dm=1.0×10-11m2/s,Km= 1000,de=0.012m,Ksink=1000,ds=0.005m且源材料初始濃度為 5.28×107μg/m3,匯表面初始濃度為0時在 t=40h這一時刻室內匯表面內部擴散系數對室內VOCs綜合散發量的影響關系。由 4(b)可以看到,當其他參數一定的情況下,匯表面內部擴散系數越大,室內VOCs綜合散發量越小。存在這一現象的原因在于在一定的室內匯作用推動勢下,匯表面內部擴散系數越高,單位面積的匯效應就越顯著。

值得指出的是,對比圖 4(a)和 4(b)可以發現,雖然匯表面內部擴散系數與室內VOCs綜合散發量之間存在以上影響關系,但與原材料內部擴散系數相比,匯表面內部擴散系數對室內 VOCs綜合散發量的影響程度相對較小。

4.2 氣固界面分離系數的影響

氣固界面分離系數將材料表面VOCs濃度與濃度邊界層VOCs濃度聯系起來,反映了界面處的質量平衡關系,其大小受蒸氣壓等多種因素的影響。當 Dm=1.0×10-11m2/s,de=0.012m,Dsinkm=1.0 ×10-12m2/s,Ksink=1000,ds=0.005m且源材料初始濃度為 5.28×107μg/m3,匯表面初始濃度為 0時,圖 5(a)給出了在 t=40h這一時刻建筑污染源材料氣固界面分離系數在無匯效應和有匯效應條件下對室內VOCs綜合散發量的影響關系。從 5(a)中可以發現,污染源材料氣固界面分離系數的增大會促使室內VOCs綜合散發量的減小,但減小的程度卻存在先緩后快的趨勢,轉折點出現在 Km= 1000的位置;此外,對于相同的源材料氣固界面分離系數,有匯效應的室內VOCs綜合散發量同樣要比無匯效應的結果偏低。存在上述現象的原因在于,源材料氣固界面分離系數的增大會降低界面處濃度邊界層VOCs濃度,從而進一步使對流擴散傳質通量減小,并最終使單位源材料表面積的 VOCs散發量減小。同時,匯表面吸收作用的存在會吸收部分VOCs,從而使室內VOCs綜合散發量降低。

圖5 氣固界面分離系數的影響Fig.5 Influence of gas-solid interface partition coefficient

圖5(b)給出了當 Dm=1.0×10-11m2/s,Km= 1000,de=0.012m,Dsinkm=1.0×10-12m2/s,ds= 0.005m且源材料初始濃度為 5.28×107μg/m3,匯表面初始濃度為 0時在 t=40h這一時刻室內匯表面氣固界面分離系數對室內VOCs綜合散發量的影響關系。由圖 5(b)可以看到,當其他參數一定的情況下,匯表面氣固界面分離系數提高會使室內VOCs綜合散發量降低;且降低的程度先快后滿,轉折點出現在 Ksinkm=10000的位置。出現以上現象的原因在于,在主流空氣層VOCs濃度一定的前提下,匯表面氣固界面分離系數提高會增大匯表面 VOCs濃度,使吸收傳質推動勢增加,從而增大匯表面對VOCs的吸收量。

此外,還應當看到的是,對源材料而言,與材料內部擴散系數相比,氣固界面分離系數變化對室內VOCs綜合散發量的影響程度相對較小;而對匯表面而言,兩類系數的影響程度較為接近。

4.3 材料厚度的影響

材料的厚度對源材料而言會影響其VOCs散發總量以及在散發過程中材料內部濃度梯度的變化,對匯表面而言會影響其VOCs吸收總量以及吸收過程中內部濃度梯度的變化。當 Dm=1.0×10-11m2/s, Km=1000,Dsinkm=1.0×10-12m2/s,Ksinkm=1000, ds=0.005m且源材料初始濃度為 5.28×107μg/m3,匯表面初始濃度為 0時,圖 6(a)給出了在 t= 40h這一時刻建筑污染源材料厚度在無匯效應和有匯效應條件下對室內 VOCs綜合散發量的影響關系。

圖6 材料厚度的影響Fig.6 Influence ofmaterial thicknesses

從圖 6(a)可以發現,源材料厚度越大,室內VOCs綜合散發量越小;并且有匯效應的室內VOCs綜合散發量要比無匯效應的結果偏低。其原因在于,在其他條件一定的情況下,源材料厚度的增加會使近似穩定階段源材料內部VOCs濃度梯度更小,從而進一步使單位源材料表面積的VOCs散發強度減小。同時,由于存在匯效應會吸收部分VOCs,從而使室內VOCs綜合散發量降低。

圖6(b)給出了當 Dm=1.0×10-11m2/s,Km= 1000,de=0.012m,Dsinkm=1.0×10-12m2/s,Ksinkm= 1000,且源材料初始濃度為 5.28×107μg/m3,匯表面初始濃度為 0時在 t=40h這一時刻室內匯表面厚度對室內VOCs綜合散發量的影響關系。從圖 6 (b)可以看到,當其他參數一定的情況下,匯表面厚度的增加會使室內VOCs綜合散發量減小。其原因在于匯表面厚度越大,其內部整體 VOCs濃度水平上升的越慢,即在近似穩定階段所能形成的 VOCs濃度梯度越大,從而引起 VOCs吸收量的增加。需要指出的是,無論是源材料還是匯表面,與材料內部擴散系數相比,材料厚度變化對室內 VOCs綜合散發量的影響程度均相對較小。

5 結 論

本文在對 3類參數對室內VOCs綜合散發量影響特征分析的基礎上,得到以下主要結論：

(1)基于對室內建筑污染源特性與匯效應機制分析,建立了室內VOCs綜合散發量計算模型。

(2)源材料內部擴散系數的提高會促使室內VOCs綜合散發量增大,而氣固界面分離系數和材料厚度的增加則使室內VOCs綜合散發量降低;且以源材料內部擴散系數的影響最為顯著。

(3)匯表面內部擴散系數、氣固界面分離系數和材料厚度的的增大均使室內VOCs綜合散發量減小。

(4)在相同的環境參數條件下,存在匯效應的建筑空間的室內VOCs綜合散發量均比無匯效應的相應結果偏低。

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