嚴寒地區(qū)通風房間室內(nèi)甲醛污染物濃度分布規(guī)律研究

馮國會，姜 編，黃凱良，張億先，楊雪

嚴寒地區(qū)通風房間室內(nèi)甲醛污染物濃度分布規(guī)律研究

馮國會，姜 編，黃凱良，張億先，楊雪

（沈陽建筑大學，遼寧沈陽 110168）

向室內(nèi)引入新風是解決由裝修材料加工工藝導(dǎo)致室內(nèi)甲醛超標問題的根本方法之一。為了研究不同通風方法的有效性，本文利用Fluent軟件，對自然通風和機械通風效果進行研究并分別分析不同送風口溫度和不同送風速度對室內(nèi)不同高度位置處的甲醛濃度的影響。模擬結(jié)果表明：自然通風工況下，不同送風溫度下的甲醛濃度均超標，機械通風工況下，不同送風速度下的甲醛濃度均未超標；當進風口速度為2m/s時，甲醛濃度最低；通過數(shù)值模擬，同一送風溫度下，自然通風甲醛的濃度是機械通風的2.07倍。本文將模擬的2種工況在沈陽、營口進行實測，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，進一步驗證了該結(jié)論。

自然通風；機械通風；甲醛濃度；Fluent數(shù)值模擬

1 前言

2 室內(nèi)甲醛濃度分布的數(shù)值模擬

通風流場模擬采用組分傳輸模型和標準k-ε兩方程的紊流模型對室內(nèi)甲醛污染物濃度在不同通風工況下進行數(shù)值模擬。

紊流動能方程（k方程）：

紊流動能耗散率方程（ε方程）：

基于量綱分析，渦粘性由流體密度ρ、湍流流速尺度k2和長度尺度k3/2/ε來標度，衰減函數(shù)f有湍流雷諾數(shù)Ret=ρk2/εμ來?；匠讨懈鞒?shù)的取值為：cμ=0.09，cε1=1.45，cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3，Rrt=0.9。

2.1 自然通風作用下室內(nèi)甲醛濃度分布的數(shù)值模擬

工作人員技術(shù)水平對工程機械電氣的自動化維護水平有著直接的影響，當務(wù)之急是要提高維護人員的綜合素質(zhì)和工作人員的管理水平。我們可以采取激勵的措施，調(diào)動大家積極參與到工程機械電氣自動化維護的研究中區(qū)，另外組織培訓(xùn)，提高工作人員的專業(yè)技能，成為工程機械電氣維護技術(shù)專業(yè)人才。

2.1.1 模型建立

以測試住戶中營口某機械通風住戶為例構(gòu)建數(shù)學模型，如圖1所示臥室尺寸：X×Y×Z=4.58m×4.51m×2.66m，門尺寸：X×Y=1.2m×2m，可開啟的窗戶尺寸：X×Y=0.55m×1.24m，距地0.4m，衣柜尺寸：X×Y×Z=0.9m×0.6m×2m，床尺寸：X×Y×Z=1.8m×2m×0.1m，用Gam bit建立網(wǎng)格，用Fluent進行數(shù)值模擬。

圖1 自然通風幾何模型

2.1.2 邊界條件

（1）流體模型材料為空氣和甲醛。

（2）入口邊界：設(shè)窗為速度入口，空氣以0.5m/s的速度從室外流向室內(nèi)［9］。入口溫度為270K（該入口溫度為實際測試期間冬季室外溫度）和290K（該入口溫度為實際測試期間過渡季節(jié)室外溫度）；以此來對比不同環(huán)境溫度對室內(nèi)甲醛濃度的影響。

（3）出口邊界：設(shè)門為出口邊界。

（4）污染源為臥室內(nèi)的衣柜和床，擴散速率是7.2×10-11kg/s，經(jīng)試驗測試該臥室甲醛密閉工況下的濃度為0.115m g/m3，該濃度作為數(shù)值模擬的初始濃度［10］。

2.1.3 模擬結(jié)果分析

圖2，3所示為在自然工況下，送風速度設(shè)置為0.5m/s，送風口溫度為T=290K和T=270K時，Z=0.45m（床表面高度），Z=1.2m（坐姿高度），Z=1.7m（站立高度）的甲醛濃度云圖，根據(jù)《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》GB/50325－2010（2013年版）規(guī)定，Ⅰ類民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染物濃度不能超過 0.08m g/m3［11］。當T=290K時，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面內(nèi)，甲醛濃度低于0.08m g/m3的面積分別占總面積的33.40%、30.24%、29.69%。當T=270K時，各平面內(nèi)甲醛濃度低于0.08m g/m3的面積分別占總面積的36.71%、32.88%、32.06%，因此，可知當送風口溫度相同時，隨著位置的升高，甲醛超標的面積在減少，且污染物濃度趨于均勻。在同一平面內(nèi)，隨著送風口溫度升高，甲醛濃度低于0.08m g/m3的面積在減少，室內(nèi)空氣品質(zhì)有降低的趨勢。兩種工況相對比，同一高度，降低送風口溫度，甲醛濃度低于0.08m g/m3的面積分別增加了3.31%，2.64%，2.37%，隨著高度的增加，這種差距會越來越小。這是因為甲醛是易揮發(fā)物質(zhì)，隨著溫度的降低，分子運動減慢，揮發(fā)速度降低。

圖2 送風口溫度T=290K時不同高度處的甲醛濃度分布

圖3 送風口溫度T=270K時不同高度處的甲醛濃度分布

當T=290K時，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面內(nèi)的甲醛平均濃度分別為0.089，0.097，0.093m g/m3，當T=270K時，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面內(nèi)的甲醛平均濃度分別為0.085，0.09，0.092m g/m3，在自然通風工況下，各平面內(nèi)的甲醛濃度均超標，可見，單靠自然通風不能使室內(nèi)達到良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。且在Z=1.2m時，人呈坐姿狀態(tài)時，甲醛濃度最高，這是由于甲醛的相對分子質(zhì)量略大于空氣的相對分子質(zhì)量，甲醛除受自身重力外，還要受到熱壓作用，使甲醛在1.2m高度上下時達到受力平衡，造成其濃度最高。

2.2 機械通風作用下室內(nèi)甲醛濃度分布的數(shù)值模擬

2.2.1 模型建立

以某機械通風住戶為例構(gòu)建數(shù)學模型，如圖4所示。臥室尺寸：機械通風工況下，送風口在YZ平面上，矩形通風口尺寸為Y×Z=0.8m×0.3m，圓形回風口在屋頂平面，是半徑為0.2m的圓，用Gam bit建立網(wǎng)格，用FLUENT進行數(shù)值模擬。

圖4 機械通風幾何模型

2.2.2 邊界條件

（1）流體模型材料為空氣和甲醛。

（2）入口邊界：送風口為速度入口，將實測機械通風不同檔位下送風口速度（3m/s和2m/s）作為數(shù)值模擬的送風口速度，經(jīng)試驗測試該住戶排風熱回收機組的送風口溫度在288～293K間波動，因此將送風口溫度設(shè)置為290K，方便與自然通風工況對比分析。

（3）出口邊界：圖4中圓形回風口。

（4）污染源為臥室內(nèi)的衣柜和床，擴散速率是 7.2×10-11kg/s，初始濃度為 0.115m g/m3。

2.2.3 模擬結(jié)果及分析

機械通風工況下，進風口溫度設(shè)置為290K，圖5和圖6是在進風口速度為分別3，2m/s時，Z=0.45m（床表面高度），Z=1.2m（坐姿高度），Z=1.7m（站立高度）的濃度云圖。當v=3m/s時，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面內(nèi)的甲醛平均濃度分別為 0.041，0.050，0.046m g/m3。當v=2m/s時，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面內(nèi)的甲醛平均濃度分別為0.039，0.049，0.047m g/m3，隨著進風口速度的減小，圖6中甲醛濃度小于圖5中甲醛濃度。

圖5 進風口速度v=3m/s時不同高度的甲醛濃度分布

圖6 進風口速度v=2m/s時不同高度的甲醛濃度分布

當v=3m/s時，隨著高度的增加，甲醛濃度低于0.08m g/m3的面積分別為76.32%、81.75%，85.75%，當v=2m/s時，隨著高度的增加，甲醛濃度低于0.08m g/m3的面積分別為83.69%、85.27%、86.77%。因此，當進風口速度一定時，隨著高度增加，甲醛濃度低于0.08m g/m3的面積在增加，也就是說位置較高的平面，甲醛濃度超標的面積較少。從上述數(shù)據(jù)中看出，當v=2m/s時，各平面內(nèi)符合甲醛濃度要求的面積均高于v=3m/s工況下符合甲醛濃度要求的面積，這是因為采用過大的送風速度時，氣流對甲醛有了更大的擾動，導(dǎo)致了氣流組織攜帶甲醛污染物向上涌動，致使較高平面上甲醛濃度的增大，加大了對人體的危害性。同一送風溫度下，自然通風甲醛的濃度是機械通風的2.07倍。

Z=1.2m，X=2.5m，不同工況下甲醛濃度沿Y軸方向的分布如圖7所示。

圖7 Z=1.2m，X=2.5m 不同工況下甲醛濃度沿Y軸方向的分布

在自然工況，當送風速度v=0.5m/s時，T=270K的甲醛濃度略低于T=290K的甲醛濃度，二者甲醛濃度值相差不大，且趨勢一致。在機械通風工況下，v=2m/s的甲醛濃度值要低于v=3m/s的甲醛濃度值，因此兩種工況相對比，本文認為選擇v=2m/s的送風速度為宜。

對比自然通風工況與機械通風2種工況，后者的通風效果優(yōu)于前者，經(jīng)計算機械通風（v=3m/s時，機械通風換氣次數(shù)為47次/h）的換氣次數(shù)是自然通風（v=0.5m/s時，自然通風換氣次數(shù)為22次/h）的2.1倍。若2種通風工況的換氣次數(shù)相同且為22次/h時，此時機械通風送風口風速為1.4m/s，如圖8為2種通風方式的換氣次數(shù)相同時甲醛濃度的比對，當機械通風v=1.4m/s時，Z=1.2m，X=2.5m，沿Y軸方向的平均甲醛濃度為0.059m g/m3，當自然通風v=0.5m/s時，Z=1.2m，X=2.5m，沿Y軸方向的平均甲醛濃度為0.086m g/m3。機械通風工況的通風效果仍然優(yōu)于自然通風工況。

圖8 Z=1.2m，X=2.5m，相同換氣次數(shù)的2種通風工況下沿Y軸方向甲醛濃度

3 實測與模擬通風效果的比較

甲醛濃度的測試方法采用實驗室分析法，將在住戶家采集的空氣樣品用分光光度計進行分析。本文在沈陽地區(qū)和營口地區(qū)共選取7戶機械通風住戶進行冬季室內(nèi)甲醛濃度測試，測試分為3種工況：（1）自然工況（2）密閉工況（3）機械通風工況。

在模擬中采用的房間為營口某住戶臥室，在機械通風工況下的甲醛濃度為0.052m g/m3，在自然通風工況下的甲醛濃度為0.095m g/m3，自然工況下的甲醛濃度是機械通風工況下甲醛濃度的1.83倍，誤差為12%，分析誤差較大的原因可能是開啟機械通風的時間較短，試驗次數(shù)較少，為此進行了大量的重復(fù)試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 3種工況下室內(nèi)甲醛濃度 m g/m 3

從表中可以看出，密閉工況下的甲醛濃度要高于自然工況和機械通風工況下的甲醛濃度，因此通風有助于降低室內(nèi)甲醛濃度；自然工況與機械通風工況均引入室外新風，機械通風去除甲醛的效果要明顯優(yōu)于自然通風，自然工況下的甲醛濃度是機械通風工況下甲醛濃度的1.94倍，誤差為6%，與模擬結(jié)果基本吻合。

測試期間在該住戶家中安裝ikair，可在線長期監(jiān)測住戶室內(nèi)各污染物濃度，本文截取該住戶開啟機械通風前后甲醛濃度變化的數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 營口某住戶ikair在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

自2017年2月25日至2017年2月26日該住戶臥室為自然通風，自2017年2月26日至2017年2月28日該住戶臥室為機械通風，由曲線圖可知，未開啟機械通風時，臥室內(nèi)甲醛濃度維持在0.07～0.08m g/m3，當開啟機械通風系統(tǒng)之后甲醛濃度驟降，最后穩(wěn)定在 0.04～0.05m g/m3之間，可見，網(wǎng)上監(jiān)測系統(tǒng)中顯示的2種工況下的甲醛濃度與模擬結(jié)果相差不大，進而證實模擬結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

（1）在自然通風工況下，各平面甲醛濃度均超標，當T=290K時，甲醛平均濃度為0.093m g/m3，當 T=270K 時，甲醛平均濃度為 0.091m g/m3，即隨著進風口溫度升高，甲醛濃度增加，且在Z=1.2平面超標的甲醛面積最高。

（2）在機械通風工況下，各平面甲醛濃度均未超標，當v=3m/s時，甲醛平均濃度為0.047m g/m3，當v=2m/s時，甲醛平均濃度為0.045m g/m3，因此2種工況相對比，送風口速度選擇v=2m/s為宜。

（3）在同一送風溫度下，模擬結(jié)果為自然工況下的甲醛濃度是機械通風工況下甲醛濃度的2.07倍，實測結(jié)果為機械通風去除甲醛的能力是自然通風的1.94倍，模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合。

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［11］GB50325－2010，民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2010.

Study on Concentration Distribution of Indoor Formaldehyde Pollutants in Ventilation Room in Severe Cold Area

FENG guo-hui，JIANG bian，HUANG Kai-liang，ZHANG yi-xian，YANG xue
（Shenyang Architecture University ，Shenyang 110168，China）

The introduction of fresh air into the room is one of the fundamental means to solve the problem of excessive formaldehyde which was caused by the decoration materials processing. In order to research the effectiveness of different kinds of ventilation methods，the formaldehyde concentration in different outlet temperature and different air supply rate on the concentration of formaldehyde in different height positions were analyzed with FEM （Finite Element Method） in the natural ventilation and mechanical ventilation conditions. The simulation results show that the formaldehyde concentration in different air supply temperature is exceeded in the natural ventilation situation. However，the concentration of formaldehyde in different air supply speed wasn’t exceeded standards in mechanical ventilation situations. The lowest concentration of formaldehyde was obtained in the condition of v=2 m/s. The concentration of formaldehyde in the natural ventilation situation was 2.07 times greater than that in the mechanical ventilation in the same inlet air temperature. Two kinds of working conditions were tested in Shenyang and Yingkou，the experiment was agree with the simulation results basically，validated the conclusion further.

natural ventilation；mechanical ventilation；formaldehyde concentration；numerical simulation of Fluent

TH43

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.000

1005-0329（2017）11-0079-06

2017-03-31

2017-06-23

國家十三五重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0700501-02)

馮國會（1964-），男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要從事相變儲能理論技術(shù)的研究，E-m ail：fengguohui888@163.com@126.com，通訊地址：110168遼寧沈陽市渾南新區(qū)渾南東路9號沈陽建筑大學。