換氣次數對板式家具甲醛散發影響的研究

梁春峰 LIANG Chunfeng

0 前言

隨著人們對生活質量的不斷追求，板式家具能迎合大眾對個性化的需求，更有價格優勢，而受到當代人的青睞。但板式家具產生的甲醛對人體傷害巨大，一直備受關注。由于某些住宅的戶型或者建筑朝向問題，造成室內通風狀況較差，且板式家具在有限面積內被密集放置[1]，使其甲醛散發產生疊加效應，從而造成散發出的甲醛堆積在室內無法有效散發到室外的空氣中，導致室內甲醛濃度超標。對于如何改善日益惡劣的居室環境，提高生活質量是一個值得深入思考的問題。

Sekine等[2]提出甲醛形成二次污染，是由于受到外界環境等多方面的影響。張軍[3]提出，室內甲醛的污染程度受到室內微小氣候的影響。李志生[4]等實驗表明，家具甲醛的散發和環境溫度、濕度有直接的關系。王健[5]提出，通過有規律地反復升溫和間歇通風，能大幅度降低常態下室內甲醛的濃度，能有效控制甲醛污染，但未定量得到通風量對甲醛散發的影響。

由于現階段對板式家具甲醛散發中換氣次數影響的研究較少，本文對比實驗結果和模擬數據，驗證模擬軟件的可行性，利用模擬手段，分析不同室內換氣次數對板式家具甲醛濃度分布規律，得出最小室內換氣次數以符合污染物濃度標準要求，從而進一步指導前期建筑設計，為后期控制室內空氣質量提供有力支撐。

1 板式家具甲醛散發特性實驗

1.1 項目介紹

本文選用天津市某小區全陽戶型為研究對象，進行為期40d的板式家具甲醛濃度測試。選用污染源較密集且使用頻率較高的客廳作為測試的建筑模型。該客廳長7.7m，寬3.9m，高3.0m；門尺寸寬0.9m，高2.1m；客廳窗戶總寬2.1m，高1.5m，窗臺高0.7m，有兩扇寬0.6m、高1.0m的可開啟窗口。其內的板式家具有沙發一套，電視機柜一組，茶幾一只，餐桌一個，座椅4把，鞋柜1個，地板為木地板。

1.2 測點布置原則

根據《室內空氣質量標準 》（GB/T 1883—2014）采樣點的數量和位置規定，應設4個測點，并在對角線上或梅花式均勻分布，并避開通風口，離墻壁距離大于0.5m，采樣點高度原則上與人的呼吸帶高度相一致，且參照人體工程學的人體參數站立、坐和臥高度為1.5m、1.0m 和0.5m。測試點布置如圖1所示，將各點分別命 名 為A0.5、A1.0、A1.5，B0.5、B1.0、B1.5，C0.5、C1.0、C1.5、C1.5和D0.5、D1.0、D1.5、D1.5。

1.3 測試結果分析

圖1 布點原則示意圖

根據《民用建筑工程室內環境污染控制規范》（GB 50325—2010）標準的規定，“對于采用自然通風的住宅房間，應對外門窗關閉12h后進行測試”。采樣期間，為防止影響測試結果，封閉和測試過程中不準使用任何電器。測試結果如圖2～4所示。

據《室內空氣質量標準》（GB/T 18883-2014）中規定，甲醛標準濃度限值為0.08mg/m3，測試房間內甲醛濃度均超標，最低超標倍數為1.1倍，最高為4倍，甲醛污染嚴重。尤其測點C沙發區域，濃度高達0.326mg/m3，比其他區域高3倍左右。分析各測點數據，得到擬合公式為y=A0e-B0x呈指數衰減散發，其中常值A0和B0將隨著環境的變化而不同，相關系數都能達到90%以上。

圖2 0.5m處封閉狀態下甲醛濃度分布曲線圖

圖3 1.0m處封閉狀態下甲醛濃度分布曲線圖

為了得出甲醛濃度分布規律，對數據進行計算分析，利用甲醛平均濃度來代替房間內整體甲醛濃度情況，繪制板式家具甲醛平均濃度曲線，其變化規律如圖5所示。

該曲線總體變化趨勢是先陡峭后平緩最后趨近于定值變化，近似于指數變化，得到擬合方程為y=0.45e-0.026x，相關系數為R2=0.98，符合上述y=A0e-B0x散發規律。甲醛散發過程大致分為初始快速散發、穩定散發、緩速散發3 個階段。基本在前18d處于快速散發期，依靠板材表面氣相主體的濃度差將家具板材表面的甲醛散發到外界；之后18～34d，表層甲醛基本釋放，板材內部的干燥層甲醛分子，在內部和表層濃度差的推動下擴散速率逐漸增大，此時散發速率主要受到孔隙結構的影響。34d之后，由于板材內擴散阻力隨擴散路徑增加而不斷增大，甲醛的散發速率逐漸降低，散發過程持續低速進行，直至穩定。因此，前34d的前兩個階段是采取有效去除措施的最佳時機，可以通過改變環境中氣流組織情況，影響板式家具表面和空氣層界面空氣流通，形成材料內部動態的濃度梯度，加速板式家具內游離甲醛的散發，治理甲醛污染。

圖4 1.5m處封閉狀態下甲醛濃度分布曲線圖

圖5 封閉狀態下甲醛平均濃度圖

2 室內換氣次數對甲醛散發規律模擬分析

PHOENICS軟件中的FLAIR模塊是針對暖通空調工程師專門開發的CFD計算模塊，可以精確模擬流體的流動、傳熱、舒適度和污染等多種現象。所以，可選用PHOENICS軟件，模擬換氣次數對板式家具甲醛散發規律。

2.1 物理模型的建立

本文運用流體軟件，模擬甲醛散發機理和特性的過程，基于以下假定的幾種邊界條件[6]：①板式家具材質均衡，向外界散發的甲醛濃度基本相同，不發生化學反應；②板式家具甲醛在向外界散發中為一維擴散傳質，且傳遞動力為濃度差，遵循斐克第二定律；③忽略除了室內溫度、濕度和通風換氣率等引起甲醛分子的擴散動力；④甲醛在室內發生擴散傳質過程中，對氣流表面對流傳質系數不發生作用；⑤板式家具內部的材質擴散系數不隨濃度的變化而變化；⑥只有板式家具一種污染源，且與圍護結構接觸的一面沒有質量傳遞；⑦板式家具表面與空氣層交界面為對流傳質，并且污染物傳遞過程始終處于平衡狀態。

按照項目實際尺寸情況進行建模，將通向臥室和廚房處做模型簡化處理，對其封堵，統計幾何模型的參數如表1所示，建立的三維模型如圖6、7所示。

2.2 軟件可行性驗證

設置模擬工況與實驗工況條件完全相同，溫度設置為25℃，相對濕度為44%，門窗設為縫隙滲透。由于在不同條件下房間內各區域變化規律相似，可將該房間內甲醛平均濃度值來代替房間各區域的變化規律，以便進行對比分析。將各時刻甲醛散發率的模擬值和檢測值進行對比分析，其結果用曲線圖8表示。

表1 模型參數表

圖6 計算物理模型(俯視圖)

圖7 計算物理模型透視圖

圖8 甲醛散發率的實測值和模擬值對比分析曲線圖

由圖8可知，前8d各時刻實測值大于模擬值，而第8～18d模擬值和實測值相差不大，從第18d以后甲醛的實測值又重新大于模擬值。分析出現以上實測值大于模擬值情況的原因，一方面，可能實測時由于除了家具以外還有少量其他甲醛的散發源，使得實測值稍微偏大一些，還有可能因為房間內未放家具之前已經有少量的甲醛存在；另一方面，中間幾天模擬值和實測值相差不大，可能是因為在實驗過程中，由于人員進出而導致部分甲醛通過門窗揮發到室外，造成一定的誤差。但是從整體上來看，各時刻誤差都在8%以下，平均誤差為2.64%，相關系數為0.96，吻合度比較好，也證實了PHOENICS軟件模擬甲醛散發特性規律是可行的。

2.3 模擬結果分析

在溫濕度不變的條件下，經過反復模擬計算，最終選取換氣次數為0.5次/ h、1.0 次/h、1.5次/ h、2.0次/h、2.5次/ h五個工況進行分析板式家具甲醛散發規律。圖9～13是甲醛在0.5m處數值模擬結果。

圖9 0.5次/ h甲醛濃度分布圖

圖10 1.0次/ h甲醛濃度分布圖

由分布圖可以發現，改變換氣次數對甲醛的濃度分布影響偏大，這是因為：改變換氣次數影響的是家具材料外部甲醛濃度，并使其產生較大的濃度差；甲醛濃度隨著換氣次數的增大，總體呈逐漸減小的趨勢，當換氣次數為0.5 次/h時，甲醛濃度分布差異比較明顯，然而當換氣次數達到2.0次/h以上時，客廳內的甲醛濃度分界線不是很明顯，已經基本趨于一致，無局部高濃度現象。

圖11 1.5 次/h甲醛濃度分布圖

圖12 2.0 次/h甲醛濃度分布圖

不同高度處采樣點A、B、C、D甲醛濃度散發規律如圖14～17所示，從整體情況來看，A、B、C、D各區域都是隨著換氣次數的增大，甲醛散發濃度減小程度呈現先大后小的趨勢，并且在各區域隨著高度的增加，甲醛濃度在不斷減小。若分別從每張圖變化來看，A區域和D區域換氣次數在0.5～1.0 次/h之間，甲醛散發濃度減少速率最快，在1.0～2.5 次/h之間散發速度趨于平緩，而B區域和C區域換氣次數在0.5～1.5 次/h之間速率較快，在1.5～2.5 次/h之間趨于平緩，原因可能在于A區域和D區域家具擺放較稀疏，而B區域和C區域家具聚集，換氣次數對空間稀疏區域影響大于密集區域，空間大障礙物少越有利于流體流動，更能加快甲醛濃度減少的進程。當室內換氣次數達到2.5 次/h時，室內甲醛污染物濃度剛好符合濃度要求。

圖13 2.5 次/h甲醛濃度分布圖

3 結語

通過上文分析可以得到以下主要結論：①在第34d之后處于近似緩速散發期，可在其之前采取改變室內換氣次數來加速甲醛向外界的散發，改善室內空氣品質。②換氣次數對家具稀疏區的甲醛濃度減少效果好于密集區，家具密集、面積小使其散發的甲醛濃度產生疊加效應，堆積在室內而無法有效散發到室外，使甲醛濃度超標越嚴重，建議在滿足基本需求時盡量減少家具的數量。③在設置范圍內換氣次數增大，室內甲醛濃度減小程度為先大后小，從0.5～1.5次/h變化過程中稀釋效果好；而0.5次/h剛好是暖通空調設計新風量對應的換氣次數，則可以說“通風即有益”；當室內換氣次數達到2.5次/h時，室內甲醛濃度符合要求。所以，在建筑設計初期應進行充分考慮與計算，在設計前期對甲醛濃度做最大的控制。④室內定期通風是降低甲醛濃度最經濟、簡捷的手段，對于自然通風較差的戶型可通過空調、電風扇等通風換氣裝置，促進室內空氣與外界大氣的良好交互，治理甲醛污染。

圖14 A點甲醛濃度變化曲線圖

圖15 B點甲醛濃度變化曲線圖

圖16 C點甲醛濃度變化曲線圖

圖17 D點甲醛濃度變化曲線圖