严寒地区通风房间室内甲醛污染物浓度分布规律研究

冯国会，姜 编，黄凯良，张亿先，杨雪

严寒地区通风房间室内甲醛污染物浓度分布规律研究

冯国会，姜 编，黄凯良，张亿先，杨雪

（沈阳建筑大学，辽宁沈阳 110168）

向室内引入新风是解决由装修材料加工工艺导致室内甲醛超标问题的根本方法之一。为了研究不同通风方法的有效性，本文利用Fluent软件，对自然通风和机械通风效果进行研究并分别分析不同送风口温度和不同送风速度对室内不同高度位置处的甲醛浓度的影响。模拟结果表明：自然通风工况下，不同送风温度下的甲醛浓度均超标，机械通风工况下，不同送风速度下的甲醛浓度均未超标；当进风口速度为2m/s时，甲醛浓度最低；通过数值模拟，同一送风温度下，自然通风甲醛的浓度是机械通风的2.07倍。本文将模拟的2种工况在沈阳、营口进行实测，试验结果与模拟结果基本一致，进一步验证了该结论。

自然通风；机械通风；甲醛浓度；Fluent数值模拟

1 前言

2 室内甲醛浓度分布的数值模拟

通风流场模拟采用组分传输模型和标准k-ε两方程的紊流模型对室内甲醛污染物浓度在不同通风工况下进行数值模拟。

紊流动能方程（k方程）：

紊流动能耗散率方程（ε方程）：

基于量纲分析，涡粘性由流体密度ρ、湍流流速尺度k2和长度尺度k3/2/ε来标度，衰减函数f有湍流雷诺数Ret=ρk2/εμ来模化，方程中各常数的取值为：cμ=0.09，cε1=1.45，cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3，Rrt=0.9。

2.1 自然通风作用下室内甲醛浓度分布的数值模拟

工作人员技术水平对工程机械电气的自动化维护水平有着直接的影响，当务之急是要提高维护人员的综合素质和工作人员的管理水平。我们可以采取激励的措施，调动大家积极参与到工程机械电气自动化维护的研究中区，另外组织培训，提高工作人员的专业技能，成为工程机械电气维护技术专业人才。

2.1.1 模型建立

以测试住户中营口某机械通风住户为例构建数学模型，如图1所示卧室尺寸：X×Y×Z=4.58m×4.51m×2.66m，门尺寸：X×Y=1.2m×2m，可开启的窗户尺寸：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建立网格，用Fluent进行数值模拟。

图1 自然通风几何模型

2.1.2 边界条件

（1）流体模型材料为空气和甲醛。

（2）入口边界：设窗为速度入口，空气以0.5m/s的速度从室外流向室内［9］。入口温度为270K（该入口温度为实际测试期间冬季室外温度）和290K（该入口温度为实际测试期间过渡季节室外温度）；以此来对比不同环境温度对室内甲醛浓度的影响。

（3）出口边界：设门为出口边界。

（4）污染源为卧室内的衣柜和床，扩散速率是7.2×10-11kg/s，经试验测试该卧室甲醛密闭工况下的浓度为0.115m g/m3，该浓度作为数值模拟的初始浓度［10］。

2.1.3 模拟结果分析

图2，3所示为在自然工况下，送风速度设置为0.5m/s，送风口温度为T=290K和T=270K时，Z=0.45m（床表面高度），Z=1.2m（坐姿高度），Z=1.7m（站立高度）的甲醛浓度云图，根据《民用建筑工程室内环境污染控制规范》GB/50325－2010（2013年版）规定，Ⅰ类民用建筑工程室内环境污染物浓度不能超过 0.08m g/m3［11］。当T=290K时，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面内，甲醛浓度低于0.08m g/m3的面积分别占总面积的33.40%、30.24%、29.69%。当T=270K时，各平面内甲醛浓度低于0.08m g/m3的面积分别占总面积的36.71%、32.88%、32.06%，因此，可知当送风口温度相同时，随着位置的升高，甲醛超标的面积在减少，且污染物浓度趋于均匀。在同一平面内，随着送风口温度升高，甲醛浓度低于0.08m g/m3的面积在减少，室内空气品质有降低的趋势。两种工况相对比，同一高度，降低送风口温度，甲醛浓度低于0.08m g/m3的面积分别增加了3.31%，2.64%，2.37%，随着高度的增加，这种差距会越来越小。这是因为甲醛是易挥发物质，随着温度的降低，分子运动减慢，挥发速度降低。

图2 送风口温度T=290K时不同高度处的甲醛浓度分布

图3 送风口温度T=270K时不同高度处的甲醛浓度分布

当T=290K时，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面内的甲醛平均浓度分别为0.089，0.097，0.093m g/m3，当T=270K时，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面内的甲醛平均浓度分别为0.085，0.09，0.092m g/m3，在自然通风工况下，各平面内的甲醛浓度均超标，可见，单靠自然通风不能使室内达到良好的室内空气品质。且在Z=1.2m时，人呈坐姿状态时，甲醛浓度最高，这是由于甲醛的相对分子质量略大于空气的相对分子质量，甲醛除受自身重力外，还要受到热压作用，使甲醛在1.2m高度上下时达到受力平衡，造成其浓度最高。

2.2 机械通风作用下室内甲醛浓度分布的数值模拟

2.2.1 模型建立

以某机械通风住户为例构建数学模型，如图4所示。卧室尺寸：机械通风工况下，送风口在YZ平面上，矩形通风口尺寸为Y×Z=0.8m×0.3m，圆形回风口在屋顶平面，是半径为0.2m的圆，用Gam bit建立网格，用FLUENT进行数值模拟。

图4 机械通风几何模型

2.2.2 边界条件

（1）流体模型材料为空气和甲醛。

（2）入口边界：送风口为速度入口，将实测机械通风不同档位下送风口速度（3m/s和2m/s）作为数值模拟的送风口速度，经试验测试该住户排风热回收机组的送风口温度在288～293K间波动，因此将送风口温度设置为290K，方便与自然通风工况对比分析。

（3）出口边界：图4中圆形回风口。

（4）污染源为卧室内的衣柜和床，扩散速率是 7.2×10-11kg/s，初始浓度为 0.115m g/m3。

2.2.3 模拟结果及分析

机械通风工况下，进风口温度设置为290K，图5和图6是在进风口速度为分别3，2m/s时，Z=0.45m（床表面高度），Z=1.2m（坐姿高度），Z=1.7m（站立高度）的浓度云图。当v=3m/s时，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面内的甲醛平均浓度分别为 0.041，0.050，0.046m g/m3。当v=2m/s时，在Z=0.45m，Z=1.2m，Z=1.7m平面内的甲醛平均浓度分别为0.039，0.049，0.047m g/m3，随着进风口速度的减小，图6中甲醛浓度小于图5中甲醛浓度。

图5 进风口速度v=3m/s时不同高度的甲醛浓度分布

图6 进风口速度v=2m/s时不同高度的甲醛浓度分布

当v=3m/s时，随着高度的增加，甲醛浓度低于0.08m g/m3的面积分别为76.32%、81.75%，85.75%，当v=2m/s时，随着高度的增加，甲醛浓度低于0.08m g/m3的面积分别为83.69%、85.27%、86.77%。因此，当进风口速度一定时，随着高度增加，甲醛浓度低于0.08m g/m3的面积在增加，也就是说位置较高的平面，甲醛浓度超标的面积较少。从上述数据中看出，当v=2m/s时，各平面内符合甲醛浓度要求的面积均高于v=3m/s工况下符合甲醛浓度要求的面积，这是因为采用过大的送风速度时，气流对甲醛有了更大的扰动，导致了气流组织携带甲醛污染物向上涌动，致使较高平面上甲醛浓度的增大，加大了对人体的危害性。同一送风温度下，自然通风甲醛的浓度是机械通风的2.07倍。

Z=1.2m，X=2.5m，不同工况下甲醛浓度沿Y轴方向的分布如图7所示。

图7 Z=1.2m，X=2.5m 不同工况下甲醛浓度沿Y轴方向的分布

在自然工况，当送风速度v=0.5m/s时，T=270K的甲醛浓度略低于T=290K的甲醛浓度，二者甲醛浓度值相差不大，且趋势一致。在机械通风工况下，v=2m/s的甲醛浓度值要低于v=3m/s的甲醛浓度值，因此两种工况相对比，本文认为选择v=2m/s的送风速度为宜。

对比自然通风工况与机械通风2种工况，后者的通风效果优于前者，经计算机械通风（v=3m/s时，机械通风换气次数为47次/h）的换气次数是自然通风（v=0.5m/s时，自然通风换气次数为22次/h）的2.1倍。若2种通风工况的换气次数相同且为22次/h时，此时机械通风送风口风速为1.4m/s，如图8为2种通风方式的换气次数相同时甲醛浓度的比对，当机械通风v=1.4m/s时，Z=1.2m，X=2.5m，沿Y轴方向的平均甲醛浓度为0.059m g/m3，当自然通风v=0.5m/s时，Z=1.2m，X=2.5m，沿Y轴方向的平均甲醛浓度为0.086m g/m3。机械通风工况的通风效果仍然优于自然通风工况。

图8 Z=1.2m，X=2.5m，相同换气次数的2种通风工况下沿Y轴方向甲醛浓度

3 实测与模拟通风效果的比较

甲醛浓度的测试方法采用实验室分析法，将在住户家采集的空气样品用分光光度计进行分析。本文在沈阳地区和营口地区共选取7户机械通风住户进行冬季室内甲醛浓度测试，测试分为3种工况：（1）自然工况（2）密闭工况（3）机械通风工况。

在模拟中采用的房间为营口某住户卧室，在机械通风工况下的甲醛浓度为0.052m g/m3，在自然通风工况下的甲醛浓度为0.095m g/m3，自然工况下的甲醛浓度是机械通风工况下甲醛浓度的1.83倍，误差为12%，分析误差较大的原因可能是开启机械通风的时间较短，试验次数较少，为此进行了大量的重复试验，试验数据见表1。

表1 3种工况下室内甲醛浓度 m g/m 3

从表中可以看出，密闭工况下的甲醛浓度要高于自然工况和机械通风工况下的甲醛浓度，因此通风有助于降低室内甲醛浓度；自然工况与机械通风工况均引入室外新风，机械通风去除甲醛的效果要明显优于自然通风，自然工况下的甲醛浓度是机械通风工况下甲醛浓度的1.94倍，误差为6%，与模拟结果基本吻合。

测试期间在该住户家中安装ikair，可在线长期监测住户室内各污染物浓度，本文截取该住户开启机械通风前后甲醛浓度变化的数据如图9所示。

图9 营口某住户ikair在线监测数据

自2017年2月25日至2017年2月26日该住户卧室为自然通风，自2017年2月26日至2017年2月28日该住户卧室为机械通风，由曲线图可知，未开启机械通风时，卧室内甲醛浓度维持在0.07～0.08m g/m3，当开启机械通风系统之后甲醛浓度骤降，最后稳定在 0.04～0.05m g/m3之间，可见，网上监测系统中显示的2种工况下的甲醛浓度与模拟结果相差不大，进而证实模拟结果的可靠性。

4 结论

（1）在自然通风工况下，各平面甲醛浓度均超标，当T=290K时，甲醛平均浓度为0.093m g/m3，当 T=270K 时，甲醛平均浓度为 0.091m g/m3，即随着进风口温度升高，甲醛浓度增加，且在Z=1.2平面超标的甲醛面积最高。

（2）在机械通风工况下，各平面甲醛浓度均未超标，当v=3m/s时，甲醛平均浓度为0.047m g/m3，当v=2m/s时，甲醛平均浓度为0.045m g/m3，因此2种工况相对比，送风口速度选择v=2m/s为宜。

（3）在同一送风温度下，模拟结果为自然工况下的甲醛浓度是机械通风工况下甲醛浓度的2.07倍，实测结果为机械通风去除甲醛的能力是自然通风的1.94倍，模拟结果与实测结果基本吻合。

［1］符颢，梁卫辉，秦孟昊.华东地区不同通风形式下住宅室内挥发性有机化合物浓度及暴露量模拟分析［J］.建筑科学 .2016，32（8）：20-26.

［2］徐丽，翁培奋，孙为民.三种通风方式下的室内气流组织和室内空气品质的数值分析［J］.空气动力学学报，2003（3）：311-319.

［3］朱颖心，彦启森 .建筑环境学［M］.2版 .北京：中国建筑工业出版社，2005：184．

［5］肖楚璠.自然通风条件下室内甲醛扩散模拟研究［J］.洁净与空调技术，2013（1）：15-18.

［6］王伟晗，黄志甲，许强生.不同气流组织形式下空气龄的实验研究［J］.建筑热能通风空调，2006（2）：79-82.

［7］岳高伟，陆梦华，贾慧娜.室内污染物扩散的通风优化数值模拟［J］.流体机械，2014，42（4）：81-85.

［8］杨玉容，龙天渝，刘腊美.室内通风优化的三维数值分析［J］.重庆建筑大学学报，2006（3）：78-80.

［9］陈雨，许志浩，马国川.关于自然通风CFD算法几点探讨［J］.制冷与空调，2011（1）：78-81.

［10］GB18580-2001，室内装饰装修材料人造板及其制造板中甲醛释放限量［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［11］GB50325－2010，民用建筑工程室内环境污染控制规范［S］.北京：中国标准出版社，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

国家十三五重点研发计划项目(2016YFC0700501-02)

冯国会（1964-），男，教授，博士，博士研究生导师，主要从事相变储能理论技术的研究，E-m ail：fengguohui888@163.com@126.com，通讯地址：110168辽宁沈阳市浑南新区浑南东路9号沈阳建筑大学。