風(fēng)速對室內(nèi)甲醛濃度影響的模擬研究

王牧日+張繼娟+張仲鳳

摘要：指出了甲醛作為室內(nèi)的主要污染物，已嚴(yán)重影響到了人的身心健康。利用仿真模擬軟件Airpak，以臥室為例，進(jìn)行了室內(nèi)的甲醛濃度模擬，在室內(nèi)通風(fēng)速率分別為0 m/s、0.75 m/s、1.5 m/s情況下，室內(nèi)甲醛濃度的詳細(xì)模擬分布以及變化，然后分別模擬在0～3m/s之間的通風(fēng)速率，記錄室內(nèi)甲醛的平均濃度與最大濃度，定量分析了其之間的變化情況，為改善室內(nèi)甲醛污染提供參考。

關(guān)鍵詞：甲醛；風(fēng)速；仿真模擬

中圖分類號：O622.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16749944（2017）22002104

1 引言

繼“煤煙污染”與“光化學(xué)煙霧污染”后，“室內(nèi)空氣污染”已成為社會的第三大污染，然而在室內(nèi)空氣污染中，甲醛因其來源廣、持續(xù)時間長、危害大，已成為室內(nèi)主要的污染物。而影響室內(nèi)甲醛濃度的因素有多方面，包括溫度、濕度、板材的裝載度、板材的種類以及室內(nèi)通風(fēng)狀況等。其中室內(nèi)通風(fēng)狀況屬于最廉價、生活中最常見的一種降低室內(nèi)甲醛濃度的方式。筆者利用計算機流體仿真模擬軟件Airpak研究在不同風(fēng)速下的室內(nèi)甲醛濃度的變化情況，為有效控制甲醛濃度提供依據(jù)。

2 CFD概述

CFD（Computational Fluid Dynamics）是計算機流體力學(xué)的簡稱，是在電子計算機上進(jìn)行數(shù)值求解流體與氣體動力學(xué)的學(xué)科，通過計算機數(shù)值計算與圖像現(xiàn)實，對包含流體運動或熱傳導(dǎo)等相關(guān)的物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析[2]。CFD軟件是特地用來對流場進(jìn)行分析、計算、預(yù)測的軟件。自1933年英國人Thom初次利用手搖計算機計算求解了二維粘性流體偏微方程，由此而誕生了CFD，到1974年丹麥學(xué)者Nielsen首次利用CFD技術(shù)對室內(nèi)空間進(jìn)行通風(fēng)空氣流動模擬，以至后來隨著科技的發(fā)展與技術(shù)的成熟，由于CFD技術(shù)可節(jié)省大量的人力、物力、時間以及對實驗結(jié)果的整理具有指導(dǎo)性作用，已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)、環(huán)境污染等各個領(lǐng)域。

目前CFD軟件比較多，如CFX、FLUENT、PHOENICS、FLOEFD、Airpak等，它們的功能多而且強大，可以求解工程中的很多復(fù)雜問題。但是由于各軟件又有各自的優(yōu)勢，所以對于不同的問題，為了提高仿真模擬的準(zhǔn)確率，應(yīng)選擇合適的仿真模擬軟件。 Airpak是FLUENT中專門面向HVAC（Heating Ventilation Air-conditioning and Cooling空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)）領(lǐng)域的軟件，一方面它可以對所需要研究的模型對象的氣體流動、污染、傳熱等物理現(xiàn)象可進(jìn)行精確地模擬；另一方面也可對通風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動、污染、舒適度、傳熱等問題進(jìn)行模擬，準(zhǔn)確的模擬結(jié)果有助于研究和分析室內(nèi)空氣品質(zhì)的問題。

3 Airpak模擬

本研究主要針對國家標(biāo)準(zhǔn)人造板E1板（甲醛的釋放量不超過0.12 mg/m3）

所制成的家具，在不同的通風(fēng)條件下（0～3 m/s），環(huán)境溫度為20 ℃的情況下，研究室內(nèi)甲醛濃度的變化情況。本次模擬是非瞬態(tài)模擬，得出的結(jié)果屬于動態(tài)平衡時的結(jié)果。

3.1 物理模型

根據(jù)某臥室的實際尺寸與室內(nèi)家具的分布建立簡單的物理模型，臥室的幾何尺寸為4500 mm×3600 mm×2800 mm，房間里有衣柜、床頭柜、床、書桌、燈、電視、地板等，見圖1。室內(nèi)甲醛的散發(fā)源主要是家具（衣柜、床頭柜、床、書桌），房間里開了一扇窗。各物體尺寸如表1所示。

3.2 邊界條件

本研究針對的是通風(fēng)速率，所以窗戶的通風(fēng)口尺寸是固定的，且為雙開窗形式。而所設(shè)置的通風(fēng)速率為0 m/s（閉窗），0.1 m/s，0.25 m/s，0.5 m/s，0.75 m/s，1.0 m/s，1.25 m/s，1.5 m/s，1.75 m/s，2.0 m/s，3.0 m/s 10個不同風(fēng)速進(jìn)行模擬研究，送風(fēng)的溫度設(shè)置為20 ℃（標(biāo)準(zhǔn)溫度）。

3.3 網(wǎng)格劃分

采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格X、Y、Z方向上的網(wǎng)格最大單元尺寸（MaxSize））都設(shè)定0.2 m，對于流動物體（送風(fēng)口）的網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為5，先后進(jìn)行粗略網(wǎng)格與精細(xì)網(wǎng)格的劃分，粗分化的網(wǎng)格數(shù)（Numelement）是7901（圖2），節(jié)點數(shù)（Numnodes）是9471，細(xì)分化的網(wǎng)格數(shù)149276，節(jié)點數(shù)是161072。生成的網(wǎng)格圖見圖3。

3.4 求解參數(shù)設(shè)置

（1）模擬的過程中，由于風(fēng)速不大，因此對于空氣的壓縮效應(yīng)可忽略，按不可壓流體處理。

（2）在整個模擬的過程中，假設(shè)地板、天花板，墻壁都處于絕熱的狀態(tài)，進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速是均勻的。

（3）甲醛等污染物的擴散與多因素有關(guān)，例如：時間、發(fā)散源的位置、通風(fēng)狀況、板材種類、溫度等，其中任何一個因素發(fā)生變化，都會對室內(nèi)甲醛濃度造成影響，因此其流動屬于非穩(wěn)態(tài)的過程。而本研究針對的是非瞬態(tài)模擬，未考慮時間因素，板材內(nèi)的甲醛自由擴散達(dá)到平衡時的研究。

4 模擬結(jié)果分析

我國《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中有所規(guī)定：對于公共場所而言，最高容許濃度為0.12 mg/m3；對于居室而言，室內(nèi)空氣中的甲醛最高容許濃度為0.08 mg/m3，因此居室甲醛濃度的安全標(biāo)準(zhǔn)是不能超過0.08 mg/m3，在此基礎(chǔ)上對室內(nèi)的甲醛濃度進(jìn)行研究分析。

4.1 工況一下的甲醛濃度分布

開啟窗戶有利于甲醛等污染物的擴散，本工況研究的是在窗戶的閉合的情況下，分析研究室內(nèi)甲醛的分布（圖4～6）。

由圖4、5、6可知，不管是沿著X軸，Y軸還是Z軸的正方向，在靠近散發(fā)源區(qū)域，甲醛的濃度相對較高，在室內(nèi)無通風(fēng)條件下，靠近窗戶處的區(qū)域濃度也不低，說明室內(nèi)通風(fēng)條件差，不利于污染物向外擴散，導(dǎo)致甲醛等污染物集中于室內(nèi)，造成室內(nèi)整體濃度偏高。隨著甲醛的自由擴散，室內(nèi)的甲醛濃度趨于一個動態(tài)平衡，在此情況下達(dá)到的平衡值通過模擬得出的室內(nèi)平均濃度數(shù)值是0.21171 mg/m3，若在此條件下作業(yè)，會聞到異味，有不適感；經(jīng)常在此條件作業(yè)的話，會引起咽喉炎、結(jié)膜炎、哮喘等疾病。endprint

4.2 工況二下的甲醛濃度分布

本工況研究的是室內(nèi)窗戶處于開啟狀態(tài)且通風(fēng)速率為0.75 m/s情況下，室內(nèi)甲醛污染物的分布狀況。

由圖7、8、9可知，從閉窗到開窗且通風(fēng)速率為0.75 m/s可以看出，不管是在X軸，Y軸還是Z軸方向上，室內(nèi)的甲醛濃度變化很明顯，在靠近甲醛發(fā)散源處的區(qū)域，甲醛濃度比較高，最大值為0.1927 mg/m3，在靠近窗戶處，甲醛的濃度非常低，從窗戶往室內(nèi)，甲醛濃度逐漸增大。而且在靠近地面處甲醛的濃度要高些，越往上甲醛的濃度越低。達(dá)到動態(tài)平衡時，計算機的模擬結(jié)果顯示，室內(nèi)甲醛的平均濃度值為0.01968 mg/m3，低于國家標(biāo)準(zhǔn)的限定值，在此工況下作業(yè)，比較安全。4.3 工況三下的甲醛濃度分布

本工況研究的是開窗狀態(tài)下，室內(nèi)通風(fēng)速率為1.5 m/s情況下的室內(nèi)甲醛污染物的分布狀況。

由圖10、11、12對比可知，室內(nèi)窗戶的通風(fēng)速率由0.75 m/s到1.5 m/s，室內(nèi)污染物甲醛濃度顏色分布圖差別比較小，說明室內(nèi)甲醛濃度差別不大。由此可知隨著風(fēng)速的增大，室內(nèi)甲醛濃度會趨于一個穩(wěn)定值。通過計算機的模擬結(jié)果顯示，此種工況下的甲醛濃度最大值為0.1848 mg/m3，平均濃度為0.01915 mg/m3，與風(fēng)速為0.75 m/s的時候相差不大。

5 數(shù)值分析

為了研究不同風(fēng)速下的甲醛濃度變化，又分別記錄了0～3 m/s之間不同風(fēng)速下的室內(nèi)甲醛濃度，如表2所示。

由圖13、14可知：自然風(fēng)對降低室內(nèi)甲醛等污染物具有非常顯著的效果。本次模擬屬于非瞬態(tài)模擬，在不考慮時間因素的影響下，不同風(fēng)速情況下，板材內(nèi)的甲醛通過自身擴散機理在室內(nèi)達(dá)到一個動態(tài)平衡的狀態(tài)。在封閉的室內(nèi)，沒有空氣的交換，隨著時間的延長，室內(nèi)甲醛濃度非常高，一般都會超過國家限定值，長期作業(yè)于此種環(huán)境，會對人體的健康產(chǎn)生很大的危害。然而，一旦打開窗戶，室內(nèi)處于通風(fēng)的狀態(tài)下，室內(nèi)甲醛濃度明顯降低，隨著風(fēng)速的增大，室內(nèi)甲醛濃度的平均值趨于平穩(wěn)，此時，再次增大風(fēng)速，對降低室內(nèi)甲醛濃度的作用不大。

6 結(jié)語

本研究是利用CFD軟件Airpak對室內(nèi)甲醛濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對得到的數(shù)值進(jìn)行定量分析可知，通風(fēng)有助于室內(nèi)甲醛的擴散，對快速降低室內(nèi)甲醛濃度起到非常顯著的作用。人們可以通過自然風(fēng)，多開窗戶，以最便捷的方式降低室內(nèi)的甲醛濃度，從而降低室內(nèi)污染物對人體的危害，以保障人的身心健康。

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Abstract： Formaldehyde， as the main indoor pollutant， has seriously affected the people's physical and mental health. In this paper， the simulation software Airpak was used to simulate the concentration of formaldehyde in the room.The simulation results showed that the indoor formaldehyde concentration was simulated and the indoor air velocity was 0m / s， 0.75m / s and 1.5m /s. Then the ventilation rates between 0 ～ 3m / s were simulated respectively.The result recorded the average concentration and the maximum concentration of formaldehyde in the chamber. The change of the formaldehyde concentration was quantitatively analyzed to provide a reference for the improvement of indoor formaldehyde pollution.

Key words： formaldehyde； wind speed； analogue simulationendprint