室內建材VOCs散發(fā)及擴散的研究進展與趨勢分析★

蔡 偉，邵璟璟，溫小棟，伍 品

(1.建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室，北京 100013；2.寧波工程學院，浙江 寧波 315211； 3.國家建筑工程技術研究中心，北京 100013)

1 概述

人們在室內環(huán)境的時間超過80%[1]，室內空間狹小，成分復雜，且不易流動，室內污染危害嚴重[2]。隨著新型城鎮(zhèn)化進程的推進和建材行業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是全裝修熱潮的興起，建材、家具、油漆、涂料等全生命周期內釋放的揮發(fā)性有機物(VOCs)和半揮發(fā)性有機物(SVOCs)不容忽視。加之，從節(jié)能角度強調密閉性，導致進入室內的新風銳減。如何有效控制室內VOC污染是當前迫切需要解決的問題。

本文從內部散發(fā)理論模型和外部擴散特性兩方面，系統(tǒng)論述多孔建材VOC散發(fā)及控制研究進展，指出需要解決的實際問題，進而提出研究趨勢，為優(yōu)化室內空氣環(huán)境、提高居民健康水平提供理論支撐。

2 室內建材VOC散發(fā)模型的研究進展

早期，描述建材VOC散發(fā)規(guī)律是通過大量實驗總結而出，從經(jīng)典的一階衰減模型、雙一階衰減模型，發(fā)展到以表面匯模型為代表的半經(jīng)驗模型[3]。這些模型形式簡潔，應用方便，但缺乏機理支撐，無法反映VOC散發(fā)物理機制。

進而，關注視角轉向了物理概念更為清晰的傳質模型，以及具有物理意義的模型參數(shù)處理方法上。早期的Little模型提出VOC散發(fā)為擴散控制過程，忽略對流傳質阻力，假設建材內初始濃度(質量濃度，下同)和室內濃度均為單一數(shù)值，造成預測值在散發(fā)初期偏大而后期偏小[4]。針對Little模型問題，Yang,Huang[5-6]等開始考慮邊界對流傳質阻力，Xu等[7]進一步考慮了對流傳質阻力和初始濃度的綜合影響，使得計算結果更接近實測數(shù)據(jù)。上述模型多針對單層材料單面散發(fā)情況，Hu等[8]考慮到內部濃度非均勻性，提出了多層材料雙面散發(fā)模型。此后，考慮材料化學反應的多層材料散發(fā)模型[9]和空分數(shù)擴散模型[10]被分別提出。Li等[11]利用k-ω模型研究了表面輻射對室內氣體污染物排放和擴散的影響規(guī)律。在模型逐漸完善的同時，建材VOC遷移關鍵參數(shù)測試手段也同步豐富。在流化床脫附、常溫萃取、濕杯法等經(jīng)典測試方法基礎上，先后探索出了多氣固比法、濃度軌跡法、多平衡態(tài)回歸法[12]，以及更快捷、更準確的連續(xù)升溫-多氣固比法[13]和循環(huán)密閉/通風散發(fā)法[14]。Liu等[15]利用多元回歸方法，開發(fā)了一種估算小型環(huán)境試驗室內VOC排放數(shù)據(jù)模型參數(shù)的程序。這些傳質模型出于便捷性，忽略了多孔建材吸/脫附特性，造成模型計算值與測試結果之間仍存有一定偏差。

近年來，隨著對多孔建材VOC散發(fā)機理認識的深入，研究熱點逐漸向基于吸/脫附的散發(fā)模型及濕建材上聚焦。Yang等較早考慮了空氣-建材界面的VOC吸附/解吸特性，為了簡化模型，假設建材的擴散系數(shù)和分配系數(shù)均保持不變。馬強等[16]建立了一種孔隙尺度下VOC釋放/吸收的格子-Boltzmann模型。此后，Zhou等[17]深入剖析了多孔建材VOC脫附的多尺度機制，給出了吸附勢能的計算式。Zhu等[18]提出了一種吸/脫附VOC的集成模型，并通過廣義積分變換得出半解析解。與此同時，測試對象也轉為復雜條件下的濕材料。Li[19]提出了不同階段控制建材VOC散發(fā)過程的具體方法。潘潔晨等[20]發(fā)現(xiàn)乳膠漆干燥過程中VOC揮發(fā)與殘留的動態(tài)規(guī)律，硝基漆也呈現(xiàn)類似規(guī)律，但不如乳膠漆明顯。譚瑤瑤[21]比較了溫度和壓力對建筑涂料甲醛散發(fā)的影響，測試發(fā)現(xiàn)初始可散發(fā)濃度隨溫度升高而增加，而隨壓力升高而減小。黃麗等[22]實測了溫度對木器漆甲醛與VOC散發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)高溫促進散發(fā)強度，但衰減也更快。

可以看出，上述模型多從宏觀角度分析室內建材VOC擴散過程，并把多孔建材內孔隙形貌及尺寸視為規(guī)律性分布，造成預測存在一定誤差。實際上，由于多孔建材內部孔隙結構的不規(guī)則性和分布的隨機性，用傳統(tǒng)宏觀模型較難揭示其內部微觀傳輸特性。

3 室內VOC擴散過程的研究進展

不同地區(qū)、不同類型的建筑室內存在著不同程度污染，向室內合理的送入新風是解決VOC超標問題的高效手段[23]。為了研究VOC擴散的機制及路徑，既有研究從通風模式、通風參數(shù)、通風效果等方面研究室內污染物分布特性。

3.1 通風方式的影響

自然通風和混合通風是最常見的通風方式，最早關于室內污染物擴散的研究均圍繞其展開。Wang等[24]、樊越勝等[25]分別研究了自然通風下污染物室內分布特征以及通過窗戶的擴散規(guī)律，提出雙邊通風更利于污染物排出。馮國會等[26]模擬發(fā)現(xiàn)通風方式對嚴寒地區(qū)室內甲醛擴散極為關鍵，目標建筑采用模擬混合通風和自然通風模式，室內甲醛濃度比高達1∶2.07。與此類似，姜遠征等[27]對比了去除打印機產(chǎn)生污染物的效果，與自然通風相比，混合通風去除效果提高約63%。葉筱等[28]模擬了混合通風下高大空間污染物濃度分布特征，發(fā)現(xiàn)CO2易聚集在空間中部。

與混合通風相比，置換通風的風口擴散性好，控制區(qū)空氣質量更接近送風，近年來關于該方式下污染物擴散的研究逐漸增多。Tian等[29]發(fā)現(xiàn)面源位于四周墻壁時，置換通風呼吸區(qū)污染物濃度要低于地層通風方式。楊秀峰等[30]研究了置換通風沖刷室內污染物效果，發(fā)現(xiàn)房間高度僅影響上部熱空氣污染物濃度。周童等[31]實測了置換通風對低人員密度室內呼吸區(qū)臭氧和VOC分布的影響，發(fā)現(xiàn)VOC濃度對臭氧濃度有明顯跟隨性。

不同氣流組織中VOC的運動和分布也不相同，送/回口位置對污染物分布有直接影響。岳高偉等[32]模擬發(fā)現(xiàn)，與異側上送下回相比，同側上送下回排污效率更高，其氣流組織可更快速、更高效輸運室內甲醛至室外。宇軍等[33]研究了頂送下回、同側上送下回、異側上送下回布置對室內污染物流場的影響，總結了不同工況下污染物擴散特性。劉浩然[34]CFD模擬了5種通風方式下室內甲醛濃度分布特征，提出側送風是該工況下將污染物排出室內的最佳送風方式。由此可知，污染物擴散的風向很大程度上取決于氣流行為以及送風/排風口位置引起的方向變化。

3.2 通風參數(shù)的影響

室內VOC散發(fā)是一個復雜多變的動態(tài)過程，除了受建材種類、通風方式等因素影響外，還受送風量(送風速度)、送風溫差及送風角度等通風參數(shù)直接干預。

向室內送新風是調節(jié)建筑熱環(huán)境和稀釋室內污染物的重要手段，合理確定送風量(送風速度)對于降低室內污染物濃度有重要意義。韓星星等[35]發(fā)現(xiàn)超過一定換氣次數(shù)后，增大新風對室內污染物的凈化效果反而不明顯。李耀東[36]得出了相同規(guī)律，不能一味增加送風量，送風速度要控制在一定范圍內。這是因為室內熱濕參數(shù)穩(wěn)定時，建材釋放VOC的速率基本維持不變，當VOC濃度降低到一定值后，若繼續(xù)增大送風量，稀釋污染物濃度的速率會減緩。此外，確定送風量時還應考慮避免吹風感等問題。張月等[37]發(fā)現(xiàn)個性送風可使睡眠區(qū)獲得較好空氣質量，此時送風量應控制在1.5 m3/min附近。因此，為降低室內污染物濃度，還應同時考慮人體舒適感、溫度分布均勻系數(shù)等指標，綜合確定降低VOC的合適送風量(送風速度)指標。

送風溫度與室內VOC濃度水平緊密相關，室內建材及家具會隨著室內溫度升高而顯著增大VOC釋放量。Huangfu等[38]監(jiān)測了不同房間VOC濃度的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)室內VOC濃度與室內溫度呈現(xiàn)正相關的規(guī)律不受季節(jié)影響，甲醛濃度隨溫度波動范圍約為3.0 ppdb/℃～4.5 ppdb/℃。李耀東發(fā)現(xiàn)室內高溫處甲醛濃度相對較高，提高送風溫度使得熱浮升力增加，促進污染物短期內擴散。李翩[39]得出了相同結論，發(fā)現(xiàn)提高送風溫度，可以降低室內污染水平，但伴隨的浮升力影響通風效率。以此類推，全空氣空調系統(tǒng)常采用的露點送風模式雖可減少送風量、節(jié)約能源，但可能存在影響排污效率的問題。

不同送風角度對應不同氣流組織，送風角度直接影響室內VOC擴散。為了獲得送風角度對稀釋效果的影響規(guī)律，李翩比較了不同送風角度下污染物濃度變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)送風角度60°時辦公區(qū)平均污染物濃度最低。同樣的送風形式，地鐵車廂選取垂直送風比30°送風更有利于稀釋乘客呼吸所產(chǎn)生的CO2及其可能攜帶的病毒[40]。方曉龍[41]模擬發(fā)現(xiàn)，隨著送風角度的降低，體育館內污染物的凈化效果越來越好，且只有垂直送風能將VOC濃度降低到衛(wèi)生標準以下。秦慧等[42]分析了擋板高度對輸液室人員局部區(qū)域污染物擴散的影響，提出擋板高度設置為1.2 m時，去除污染物效果最佳。

3.3 通風策略的影響

合理通風與高效凈化協(xié)作配合，在保證稀釋室內VOC的同時可大幅減少能耗。馬惠穎等[43]提出輕/中度污染天氣時可精細化調節(jié)外窗開度，重度污染天氣時嚴格控制開窗時間及開度，加上足夠的室內凈化能力，亦可保證室內污染物低于控制指標。隨后，周佳佳等[44]提出在自然通風模式時，相同開窗時間前提下，25%開度可保證甲醛稀釋效果。同樣是自然通風，陳思華等[45]發(fā)現(xiàn)空氣凈化器不能體現(xiàn)較好的凈化效果，僅能勉強保證二級空氣品質。

可以看出，通風稀釋室內污染物的研究方法多采用模擬手段，通過合理的氣流組織、通風參數(shù)和通風策略，保障新風直接送到人員停留區(qū)，發(fā)揮其最佳效用，而非依靠全室稀釋作用。從研究內容上看，研究送風方式、送風溫度、送風速度、送風角度的報道較多，而關注地域濕度條件對室內污染物散發(fā)的研究相對較少。

4 結論與展望

國內外學者對室內建材VOC散發(fā)過程開展了豐富的研究，提出的散發(fā)理論模型從經(jīng)驗/半經(jīng)驗模型轉向了物理概念更為清晰、涉及因素更為全面的傳質模型。與之對應，室內擴散特性也從通風模式、通風參數(shù)、通風效果等角度全方面展開，取得了卓有成效的進展。但是鑒于多孔建材VOC傳遞的影響因素較多，已有成果尚有一定的局限性，未來多孔建材VOC散發(fā)過程研究的熱點可能圍繞以下幾個方面展開：

1)現(xiàn)有建材VOC散發(fā)模型多停滯在形狀規(guī)則的孔隙分布層面，考慮吸/脫附效應的較少。實際上，建材內縱橫交錯的孔隙特征，造成污染物遷移的復雜性與多樣性。因此，亟需從微觀層面揭示材料內、界面上和空氣側的擴散、分配和對流傳質機理，建立多孔建材VOC散發(fā)關鍵參數(shù)的多尺度理論預測體系，并充分考慮表面吸/脫附效應，掌握復雜多孔結構下建材VOC散發(fā)特性。

2)現(xiàn)有對建材VOC輸運特性的研究對象多針對單一建材或單面散發(fā)問題，關注多種建材同時散發(fā)或雙面散發(fā)的較少。實際上，室內VOC散發(fā)與擴散是由多個材料同時散發(fā)，即存在多污染源。同樣，未考慮多污染源共同作用對污染物濃度分布的疊加影響。因此，亟需分析多種建材耦合作用下污染物散發(fā)問題，揭示多層建材、多種建材散發(fā)的影響機制，掌握多源疊加效應下建材VOC散發(fā)機理與擴散規(guī)律。

3)現(xiàn)有研究多割裂熱、濕和VOC傳遞均為物質遷移和對流、擴散屬性一致的本質關系，很少考慮建材熱工參數(shù)的動態(tài)變化。實際上，多孔建材熱濕傳遞和VOC散發(fā)是同時發(fā)生、相互影響、非常復雜的過程，尤其是對于濕熱地區(qū)而言，建筑長期處于高溫多雨的濕熱和陰沉細雨的陰冷交替環(huán)境之中，VOC的吸/脫附行為與動態(tài)環(huán)境條件和建材熱工性能密切相關。因此，亟需開展動態(tài)環(huán)境下建材VOC釋放/吸附的研究，建立建材VOC源特性的測、評、控方法。