室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物綜合散發(fā)量及其特征

王 軍,張 旭

(同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)研究所,上海 200092)

1 前 言

自上世紀(jì) 70年代開(kāi)始,建筑節(jié)能問(wèn)題日益得到普遍關(guān)注,而降低新風(fēng)負(fù)荷也就成為主要的節(jié)能措施之一[1]。然而,病態(tài)建筑綜合癥 (sick building syndrome,SBS)等問(wèn)題的出現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到保證建筑新風(fēng)量是構(gòu)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(fēng)量指標(biāo)對(duì)協(xié)調(diào)建筑節(jié)能與室內(nèi)舒適健康要求之間的關(guān)系具有重要的意義。

影響室內(nèi)所需新風(fēng)量大小的重要因素之一是室內(nèi)污染物的綜合散發(fā)量,即為了達(dá)到要求的污染物濃度控制水平通風(fēng)所需要排除的室內(nèi)污染物散發(fā)量。建材和飾材是室內(nèi)重要的空氣污染來(lái)源[5,6],而其所產(chǎn)生的室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物 (voitaile organic componds,VOCs)綜合散發(fā)量不僅取決于材料的散發(fā)機(jī)制 (源特性,source behavior),而且還與室內(nèi)表面的凈吸收即吸收解吸綜合作用 (匯效應(yīng),sink behavior)有關(guān)。盡管目前已有部分學(xué)者對(duì)材料自身在小室內(nèi)的散發(fā)特性和吸收解吸過(guò)程進(jìn)行了研究并提出相應(yīng)的模型[7～15],并且國(guó)內(nèi)部分學(xué)者也曾嘗試對(duì)材料散發(fā)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)[16,17],但對(duì)于在建筑污染源特性與匯效應(yīng)耦合作用條件下,室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量的變化特征還有待進(jìn)一步研究。本文以 VOCs為建筑污染物指標(biāo),通過(guò)分析建筑污染的源特性及室內(nèi)表面的匯效應(yīng),構(gòu)建室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量計(jì)算模型,并著重研究三類參數(shù)對(duì)室內(nèi) VOCs綜合散發(fā)量的影響特征,從而為合理確定室內(nèi)建筑新風(fēng)量指標(biāo)提供理論依據(jù)。

2 源特性與匯效應(yīng)機(jī)制

2.1 建筑污染的源特性

建材飾材的VOCs散發(fā)機(jī)理包括 3個(gè)方面[7,8],即VOCs在材料內(nèi)部的擴(kuò)散,由濃度梯度和擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散;主流空氣層中的對(duì)流擴(kuò)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(fā)特性的數(shù)學(xué)描述,需做出如下假設(shè)[7～13]：

(1)基于對(duì)建筑污染長(zhǎng)期影響的考慮,本文以干材料為研究對(duì)象,即考慮低劑量、長(zhǎng)時(shí)間、慢衰減散發(fā),且以擴(kuò)散為主導(dǎo)特性;

(2)材料內(nèi)部VOCs擴(kuò)散遵守 Fick定律;

(3)材料內(nèi)部VOCs擴(kuò)散系數(shù)和界面分離系數(shù)不隨濃度變化而變化;

(4)忽略溫度差、電場(chǎng)或磁場(chǎng)等導(dǎo)致的分子擴(kuò)散;

(5)界面處的VOCs傳遞過(guò)程始終處于平衡狀態(tài);

(6)VOCs的散發(fā)過(guò)程為純物理過(guò)程,不考慮化學(xué)反應(yīng);

(7)室內(nèi)存在多種材料時(shí),VOCs各組成成分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或影響;

(8)材料底層不發(fā)生質(zhì)量傳遞,與空氣接觸一側(cè)為對(duì)流擴(kuò)散傳質(zhì)。

材料內(nèi)部VOCs的一維傳遞過(guò)程為：

同時(shí),根據(jù) 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(guān)系[8]：

建筑污染源VOCs散發(fā)問(wèn)題的邊界條件和初始條件為：

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

2.2 室內(nèi)表面的匯效應(yīng)

建筑室內(nèi)薄材料表面對(duì)室內(nèi) VOCs存在匯效應(yīng),從而影響室內(nèi)VOCs的傳遞和去除,并進(jìn)一步改變室內(nèi)VOCs濃度的分布與水平。室內(nèi)薄材料表面對(duì)VOCs的匯效應(yīng)包括VOCs在主流空氣中的對(duì)流擴(kuò)散傳質(zhì)、空氣與材料分界面處的擴(kuò)散傳質(zhì)以及材料中的內(nèi)部擴(kuò)散 3個(gè)方面[14],如圖 2所示。

圖2 室內(nèi)表面的匯效應(yīng)Fig.2 Sink behavior of indoor surface

為了建立室內(nèi)表面匯效應(yīng)的數(shù)學(xué)描述,需做出如下假設(shè)[14,15]：

(1)材料為均質(zhì)材料;

(2)材料內(nèi)部和空氣中 VOCs擴(kuò)散遵守 Fick定律;

(3)材料內(nèi)部VOCs擴(kuò)散系數(shù)和界面分離系數(shù)恒定;

(4)溫度差、電場(chǎng)或磁場(chǎng)等對(duì)VOCs擴(kuò)散的影響忽略。

首先,在主流空氣層中由對(duì)流擴(kuò)散作用引起的VOCs氣相傳質(zhì)速率為：

其次,在空氣與材料分界面處,瞬時(shí)相平衡條件成立,根據(jù) Henry定律可得：

在匯效應(yīng)過(guò)程中,當(dāng)VOCs在空氣與材料表面之間發(fā)生質(zhì)量遷移以后,VOCs將在材料內(nèi)部擴(kuò)散,即：

室內(nèi)表面匯效應(yīng)問(wèn)題的邊界條件和初始條件為：

式中：hsinkm為對(duì)流傳質(zhì)系數(shù),m/s;Csinkm(t)為材料中 VOCs濃度,μg/m3;Ksinkm為氣固界面分離系數(shù);Dsinkm為材料中 VOCs的擴(kuò)散系數(shù),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(nèi)VOCs綜合散發(fā)量計(jì)算模型

建筑污染源作用所產(chǎn)生污染物的量與室內(nèi)表面匯效應(yīng)所轉(zhuǎn)移污染物的量均與室內(nèi)空氣暴露面積有關(guān)。為此,引入建筑污染源作用面積占室內(nèi)空氣暴露面積比例系數(shù)ψ1和匯效應(yīng)發(fā)生面積占室內(nèi)空氣暴露面積比例系數(shù)ψ2,并且ψ1和ψ2須滿足：

從而,室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量為：

或

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

值得指出的是,隨著建筑空間使用時(shí)間的增加,建筑污染源發(fā)生表面散發(fā)污染物的量將逐漸減小,而匯效應(yīng)發(fā)生表面累積污染物的量將不斷增加,經(jīng)歷足夠長(zhǎng)的時(shí)間以后,匯效應(yīng)發(fā)生表面將轉(zhuǎn)化為二次源,而源發(fā)生表面在傳質(zhì)推動(dòng)勢(shì)作用下將出現(xiàn)匯效應(yīng)。因此可以認(rèn)為,建筑污染源特性與室內(nèi)表面匯效應(yīng)耦合機(jī)制的存在具有長(zhǎng)期性。

4 室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量變化特征

嚴(yán)格講,在建筑污染的源特性和室內(nèi)表面的匯效應(yīng)綜合作用下室內(nèi)空氣中VOCs濃度水平將經(jīng)歷初期的非穩(wěn)定階段、中期的近似穩(wěn)定階段(通常使用階段,時(shí)間最長(zhǎng))和末期的非穩(wěn)定階段。由于室內(nèi)建筑新風(fēng)量指標(biāo)的確定主要是針對(duì)建筑通常使用階段,因此本文對(duì)室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量變化特征的分析將主要考慮近似穩(wěn)定階段。

另一方面,通過(guò)對(duì)建筑污染源特性和室內(nèi)表面匯效應(yīng)機(jī)制分析可以發(fā)現(xiàn),材料內(nèi)部VOCs擴(kuò)散系數(shù)、氣固界面分離系數(shù)、材料厚度是影響源特性和匯效應(yīng)的主要參數(shù)。由于存在臨界時(shí)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(nèi)表面匯作用材料的 3類參數(shù)在近似穩(wěn)定階段的同一時(shí)刻對(duì)室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)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(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)的影響

材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)是表征材料內(nèi)部VOCs分子擴(kuò)散能力的物性常數(shù),與材料結(jié)構(gòu)、類型、VOCs性質(zhì)等有密切關(guān)系。當(dāng) 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(shí),圖 4(a)給出了近似穩(wěn)定階段 (t= 40h)這一時(shí)刻建筑污染源材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)在無(wú)匯效應(yīng)和有匯效應(yīng)條件下對(duì)室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量的影響關(guān)系。由 4(a)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)其他參數(shù)一定的情況下,建筑污染源材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)越大,室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量越高;同時(shí),對(duì)于相同的源材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù),有匯效應(yīng)的室內(nèi) VOCs綜合散發(fā)量要比無(wú)匯效應(yīng)的相應(yīng)結(jié)果偏低,且源材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)越大,二者的差別越明顯。

圖4 材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.4 Influence ofmaterial diffusion coefficient

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因在于在一定的傳質(zhì)推動(dòng)勢(shì)下內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)提高會(huì)增加建筑污染源材料單面面積的散發(fā)強(qiáng)度;與此同時(shí),匯表面的存在會(huì)吸收部分VOCs,而源的散發(fā)水平提高會(huì)增大室內(nèi)匯作用的推動(dòng)勢(shì),從而使匯效應(yīng)的影響更加明顯。

圖4(b)給出了當(dāng) 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(shí)在 t=40h這一時(shí)刻室內(nèi)匯表面內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)對(duì)室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量的影響關(guān)系。由 4(b)可以看到,當(dāng)其他參數(shù)一定的情況下,匯表面內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)越大,室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量越小。存在這一現(xiàn)象的原因在于在一定的室內(nèi)匯作用推動(dòng)勢(shì)下,匯表面內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)越高,單位面積的匯效應(yīng)就越顯著。

值得指出的是,對(duì)比圖 4(a)和 4(b)可以發(fā)現(xiàn),雖然匯表面內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)與室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量之間存在以上影響關(guān)系,但與原材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)相比,匯表面內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)對(duì)室內(nèi) VOCs綜合散發(fā)量的影響程度相對(duì)較小。

4.2 氣固界面分離系數(shù)的影響

氣固界面分離系數(shù)將材料表面VOCs濃度與濃度邊界層VOCs濃度聯(lián)系起來(lái),反映了界面處的質(zhì)量平衡關(guān)系,其大小受蒸氣壓等多種因素的影響。當(dāng) 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(shí),圖 5(a)給出了在 t=40h這一時(shí)刻建筑污染源材料氣固界面分離系數(shù)在無(wú)匯效應(yīng)和有匯效應(yīng)條件下對(duì)室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量的影響關(guān)系。從 5(a)中可以發(fā)現(xiàn),污染源材料氣固界面分離系數(shù)的增大會(huì)促使室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量的減小,但減小的程度卻存在先緩后快的趨勢(shì),轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在 Km= 1000的位置;此外,對(duì)于相同的源材料氣固界面分離系數(shù),有匯效應(yīng)的室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量同樣要比無(wú)匯效應(yīng)的結(jié)果偏低。存在上述現(xiàn)象的原因在于,源材料氣固界面分離系數(shù)的增大會(huì)降低界面處濃度邊界層VOCs濃度,從而進(jìn)一步使對(duì)流擴(kuò)散傳質(zhì)通量減小,并最終使單位源材料表面積的 VOCs散發(fā)量減小。同時(shí),匯表面吸收作用的存在會(huì)吸收部分VOCs,從而使室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量降低。

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

圖5(b)給出了當(dāng) 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(shí)在 t=40h這一時(shí)刻室內(nèi)匯表面氣固界面分離系數(shù)對(duì)室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量的影響關(guān)系。由圖 5(b)可以看到,當(dāng)其他參數(shù)一定的情況下,匯表面氣固界面分離系數(shù)提高會(huì)使室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量降低;且降低的程度先快后滿,轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在 Ksinkm=10000的位置。出現(xiàn)以上現(xiàn)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(shù)提高會(huì)增大匯表面 VOCs濃度,使吸收傳質(zhì)推動(dòng)勢(shì)增加,從而增大匯表面對(duì)VOCs的吸收量。

此外,還應(yīng)當(dāng)看到的是,對(duì)源材料而言,與材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)相比,氣固界面分離系數(shù)變化對(duì)室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量的影響程度相對(duì)較小;而對(duì)匯表面而言,兩類系數(shù)的影響程度較為接近。

4.3 材料厚度的影響

材料的厚度對(duì)源材料而言會(huì)影響其VOCs散發(fā)總量以及在散發(fā)過(guò)程中材料內(nèi)部濃度梯度的變化,對(duì)匯表面而言會(huì)影響其VOCs吸收總量以及吸收過(guò)程中內(nèi)部濃度梯度的變化。當(dāng) 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(shí),圖 6(a)給出了在 t= 40h這一時(shí)刻建筑污染源材料厚度在無(wú)匯效應(yīng)和有匯效應(yīng)條件下對(duì)室內(nèi) VOCs綜合散發(fā)量的影響關(guān)系。

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

從圖 6(a)可以發(fā)現(xiàn),源材料厚度越大,室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量越小;并且有匯效應(yīng)的室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量要比無(wú)匯效應(yīng)的結(jié)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(huì)使近似穩(wěn)定階段源材料內(nèi)部VOCs濃度梯度更小,從而進(jìn)一步使單位源材料表面積的VOCs散發(fā)強(qiáng)度減小。同時(shí),由于存在匯效應(yīng)會(huì)吸收部分VOCs,從而使室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量降低。

圖6(b)給出了當(dāng) 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(shí)在 t=40h這一時(shí)刻室內(nèi)匯表面厚度對(duì)室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量的影響關(guān)系。從圖 6 (b)可以看到,當(dāng)其他參數(shù)一定的情況下,匯表面厚度的增加會(huì)使室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量減小。其原因在于匯表面厚度越大,其內(nèi)部整體 VOCs濃度水平上升的越慢,即在近似穩(wěn)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(wú)論是源材料還是匯表面,與材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)相比,材料厚度變化對(duì)室內(nèi) VOCs綜合散發(fā)量的影響程度均相對(duì)較小。

5 結(jié) 論

本文在對(duì) 3類參數(shù)對(duì)室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量影響特征分析的基礎(chǔ)上,得到以下主要結(jié)論：

(1)基于對(duì)室內(nèi)建筑污染源特性與匯效應(yīng)機(jī)制分析,建立了室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量計(jì)算模型。

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

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

(4)在相同的環(huán)境參數(shù)條件下,存在匯效應(yīng)的建筑空間的室內(nèi)VOCs綜合散發(fā)量均比無(wú)匯效應(yīng)的相應(yīng)結(jié)果偏低。

[1] SundellJ.On the historyof indoor air quality and health[J].IndoorAir,2004,14(7)：51-58.

[2] Takigawa T,WangB L,Sakano N,et al.A longitudinal study of environmental risk factors for subjective symptoms associated with sick building syndrome in new dwellings[J].Science of The Total Environment,2009,407(19)：5223-5228.

[3] Laumbach R J.Sick building syndrome[M].San Diego：International Encyclopedia of Public Health,2008.

[4] Yu B F,Hu Z B.Review of research on air-conditioning systems and indoor air quality control for human health[J].International Journal of Refrigeration,2009,32：3-20.

[5] Doroudiani S,Omidian H.Environmental,health and safety concerns of decorative mouldings made of expanded polystyrene in buildings[J].Building and Environment,2010,45(3)：647-654.

[6] HayashiM,Osawa H.The influence of the concealed pollution sources upon the indoor air quality in houses[J].Building and Environment,2008,43(3)：329-336.

[7] Yang X D.Study of building material emissions and indoor air quality[D].USA：Massachusetts Institute of Technology, 1999.

[8] DengB Q,ChangNyungKim.A unified conjugate mass transfer model ofVOC emission[J].Korean J.Chem.Eng.,2003,20 (4)：685-692.

[9] Yuan,Huali.Modeling VOCs Emissions from Multi-layered Structural Insulated Panels[D].Virginia：Virginia Polytechnic Institute and State University,2005.

[10] Deng B Q,Tian R X,Chang N K.An analytical solution for VOCs sorption on dry building materials[J].HeatMass Transfer,2007,43：389-395.

[11] Nicolle J,Desauziers V,Mocho P,et al.Optimization of FLEC (R)-SPME for field passive sampling ofVOCs emitted from solid buildingmaterials[J].TALANTA,2009,80(2)：730-737.

[12] Xiong J Y,ChenW H,Smith J F,et al.An improved extraction method to determine the initial emittable concentration and the partition coefficient of VOCs in dry building materials[J].Atmospheric Environment,2009,43(26)：4102-4107.

[13] DengB Q,Li R,Kim C N.A multi-phase model for VOC emission from single-layer dry buildingmaterials[J].Korean Journal of Chemical Engineering,2009,26(4)：919-924.

[14] DengB Q,Ruixue Tian,et al.An analytical solution for VOCs sorption on dry buildingmaterials[J].Heat and Mass Transfer, 2007,43：389-395.

[15] Seo J,Kato S,Ataka Y,et al.Performance test for evaluating the reduction ofVOCs in rooms and evaluating the lifetime of sorptive buildingmaterials[J].Building and Environment,2009,44 (1)：207-215.

[16] 成通寶,徐 瑛,江 億,張寅平.建筑裝飾材料揮發(fā)性有機(jī)物的散發(fā)模型[J].暖通空調(diào),2003,33(4)：19-22.

[17] 秦華鵬,劉陽(yáng)生.室內(nèi)環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)化合物釋放過(guò)程的數(shù)學(xué)模型[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(2)：96-99.